核電站小徑薄壁管插接焊縫的相控陣超聲檢測

賀志清，楊 群，施亦斌

(國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司, 上海 200233)

圖1 插接焊縫型式

核電M310機(jī)組核島及常規(guī)島存在較多小徑薄壁管插接焊縫,插接焊縫型式見圖1。由于受腐蝕、沖蝕、振動(dòng)磨損等因素影響，小徑薄壁管往往成為核電站在役運(yùn)行中最容易生成缺陷和發(fā)生泄漏的部件和位置。小徑薄壁管插接焊縫一般采用射線法進(jìn)行檢測，但是該方法具有明顯的局限性，如：存在輻射風(fēng)險(xiǎn)，檢測區(qū)域需要隔離，檢測工期長等，并不能在核電站大修期間大范圍的應(yīng)用。除此之外，射線檢測對于面積型缺陷的檢出靈敏度低。常規(guī)超聲檢測雖然能夠彌補(bǔ)這些不足，但是插接焊縫的焊接方式也對常規(guī)超聲方法的適用性提出了挑戰(zhàn)。

超聲相控陣能通過多次反射對插接焊縫進(jìn)行全覆蓋掃查，且具有數(shù)據(jù)可記錄、現(xiàn)場效率高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。筆者基于CIVA仿真技術(shù)確定了小徑薄壁管插接焊縫的超聲相控陣檢測參數(shù)，制作了存在裂紋、未熔合等面積型缺陷的試樣，通過工藝試驗(yàn)確定了檢測系統(tǒng)的靈敏度，并實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。

1 檢驗(yàn)工藝確認(rèn)

篩選核電廠小徑薄壁管插接焊縫規(guī)格，確定采用如表1所示的插接焊縫為研究對象，并在試樣中設(shè)置裂紋、未熔合等面積型缺陷。

表1 試樣尺寸信息 mm

由于結(jié)構(gòu)影響，現(xiàn)場插接焊縫僅能在直管側(cè)進(jìn)行掃查，現(xiàn)場主要插接焊縫型式如圖2所示，其實(shí)際解剖型式如圖3所示。

圖2 插接焊縫外觀型式

圖3 插接焊縫解剖型式

圖4 聲束覆蓋仿真

選用角度范圍大、檢測效率高的扇形掃查方式。探頭楔塊曲率應(yīng)與被檢焊縫外表面曲率一致或相當(dāng)(能夠有效耦合)。通過設(shè)置焊縫位置(高度、寬度)進(jìn)行聲束覆蓋仿真(見圖4)，仿真結(jié)果顯示為可實(shí)現(xiàn)全覆蓋。檢測采用線性陣列，頻率為4 MHz/7.5 MHz，晶片數(shù)為16個(gè)，晶片尺寸(寬×長)為0.5 mm×10 mm;楔塊型號為N60S，楔塊曲率直徑為28114 mm。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 對比試塊

采用NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)對比試塊GS-1、GS-2(材料分別為20鋼和304鋼)進(jìn)行ACG(角度增益)校準(zhǔn)、聲速校準(zhǔn)、楔塊延遲校準(zhǔn)。

2.2 靈敏度試塊

小徑薄壁管焊縫超聲檢測的主要對象是裂紋缺陷，因此采用切槽作為靈敏度試塊的反射體。由于插接焊縫從插套側(cè)檢測時(shí)利用二次波檢測，故加工帶有外壁切槽的試塊。試驗(yàn)采用同規(guī)格外壁切槽試塊確認(rèn)基準(zhǔn)靈敏度，其尺寸(槽深×槽長)為0.3 mm×5 mm。在保證足夠信噪比的前提下，增加6 dB為檢測靈敏度。

2.3 模擬缺陷試塊

加工等徑模擬缺陷試塊，針對不同材料加工不同高度及長度的裂紋和未熔合。缺陷參數(shù)如表2所示，缺陷高度方向的布置見圖5(圖中圓圈部分為插接焊縫部位的放大圖)。

表2 模擬缺陷參數(shù) mm

在儀器中對不同規(guī)格的插接焊縫進(jìn)行建模，建模圖如圖6所示。分別在小徑薄壁管插接焊縫缺陷對比試塊上進(jìn)行手動(dòng)及半自動(dòng)周向掃查，并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，工件的A-S-C掃查布局如圖7所示，然后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線或離線分析，可以完成對缺陷定位和定量的測量。

圖5 模擬缺陷高度方向示意

圖6 檢測時(shí)工件建模圖

圖7 工件的掃查布局

對采集結(jié)果進(jìn)行分析，得出檢驗(yàn)結(jié)果(見表3)。由表3可見，全部缺陷均被檢出，驗(yàn)證了小徑薄壁管插接焊縫超聲相控陣工藝的檢驗(yàn)?zāi)芰Γ曳螦SME Ⅺ卷附錄Ⅷ 《管道焊縫超聲檢測鑒定要求》的要求。

表3 缺陷試塊的試驗(yàn)結(jié)果 mm

3 現(xiàn)場檢驗(yàn)

國內(nèi)某核電廠在一次大修期間計(jì)劃對系統(tǒng)小徑插接焊縫進(jìn)行無損檢測,其中表面檢測采用液體滲透檢測(PT)，體積檢測采用相控陣超聲波檢測(PAUT)，必要時(shí)采用射線檢測(RT)對相控陣超聲波檢測結(jié)果進(jìn)行輔助驗(yàn)證。

排查的小徑插接管焊縫中發(fā)現(xiàn)2條焊縫存在缺陷。其中，1條為記錄性缺陷(見圖8)，對缺陷圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，三角形焊縫根部處，存在固有結(jié)構(gòu)信號，且信噪比較好，整圈斷續(xù)顯示；缺陷信號信噪比較好；插入直管的遠(yuǎn)端端部信號清晰，整圈信號顯示穩(wěn)定。因此該系統(tǒng)的插接焊縫具有可檢性。另外1條為超標(biāo)缺陷[見圖9(b)]，并對超標(biāo)缺陷進(jìn)行RT復(fù)核，從底片影像判斷為未熔合(見圖10)。

由圖9可知，缺陷信號較無缺陷信號存在較為明顯的端點(diǎn)信號，且如果缺陷較大，會(huì)一定程度上阻礙聲波傳播，影響端面信號顯示。

圖8 插接焊縫記錄性缺陷B掃圖像及線性跟蹤圖

圖9 插接焊縫無缺陷與面積型超標(biāo)缺陷圖像對比

圖10 超標(biāo)缺陷的RT影像

圖10的射線底片顯示也進(jìn)一步驗(yàn)證了相控陣發(fā)現(xiàn)的缺陷，且通過觀察未熔合影像的寬度，也可以進(jìn)一步驗(yàn)證該缺陷延與表面垂直的方向延伸。

4 結(jié)語

超聲相控陣在檢測小徑薄壁管插接焊縫時(shí)，具有工藝簡單、現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)、檢測效率高、缺陷可記錄性、檢測靈敏度高、滿足電廠實(shí)際工程需求等優(yōu)勢。通過理論分析、試驗(yàn)研究和現(xiàn)場驗(yàn)證充分證明了相控陣超聲技術(shù)對于小徑薄壁管插接焊縫的檢測有效性，其檢測結(jié)果為確定小徑管缺陷狀態(tài)提供了重要支撐，提高了電廠預(yù)防性檢查和維修的有效性和可靠性，可為減少電廠因小徑管失效而造成的非計(jì)劃性停機(jī)提供有力支持。