鎳基合金焊縫超聲波檢驗論證分析

國核電站運行服務技術有限公司 嚴小波 范國華

本文通過對鎳基合金對接焊縫檢查的檢驗設備、檢驗探頭及檢驗技術參數等方面進行綜合論證，以驗證鎳基合金對接焊縫手動超聲檢驗技術的有效性，確保檢驗結果的可靠性。主要研究鎳基合金對接焊縫，被檢驗容器對接焊縫的外徑規格(mm)、材質、厚度t（mm）為Ф2400/UNS N10003/10～90；被檢驗管對接焊縫的外徑規格(mm)、材質、厚度t（mm）分別為Ф44～Ф50/UNS N10003/5，Ф114/UNS N10003/8.5，Ф144.3/UNS N10003/7.1，Ф345/UNS N10003/35。被檢焊縫剖口型式如圖1、圖2。

圖1 厚度t≥40對接焊縫

圖2 厚度t＜40對接焊縫

1 檢驗要求及檢驗設備

1.1 檢驗目的

檢驗出焊縫檢驗區域內存在的氣孔、未熔合和裂紋等缺陷，并應能對缺陷進行定量、定位和定性，其中缺陷的定量包括測量其當量大小、缺陷長度測量和缺陷高度測量。

1.2 缺陷的定量要求

缺陷長度測量均方根誤差不超過19mm；容器缺陷高度測量均方根誤差不超過6mm；管道誤差不超過3mm；按照圖3計算線性回歸的斜率，應至少為0.7：線性回歸線的斜率不小于0.7，計算方式參考公式2。圖3中直線A為線性回歸線，y=a+bx，是由n個數據點(x1,y1)…(xn,yn)用最小二乘法得到的最佳擬合直線，n=數據點的數量。圖3中直線B為理想直線，y=x（最好的超聲測量結果），相關系數定義如式3。

圖3 缺陷高度二維線性圖統計參數

1.3 檢驗設備

試驗所采用超聲波儀器為GE公司生產的USN60型，屬于A型脈沖反射式數字式超聲波儀器。

校準試塊。鎳基合金對接焊縫的超聲檢驗所采用的校準試塊依據ASME標準第V卷和XI要求進行設計和制造，所采用的材料、規格及熱處理工藝與實際產品一致，具有相應的孔和內外槽。

2 超聲檢驗技術論證分析

2.1 技術驗證試塊

試塊的厚度范圍為8.56mm～94mm，覆蓋檢驗對象的范圍；試塊的曲率為Ф114.3mm～Ф1088mm，覆蓋鎳基合金管道檢驗對象的范圍。技術驗證采用的試塊、規格（mm）、材質分別為：管對接焊縫校準試塊TSMR-T1/L1，Ф48.3×5.08，母材UNS N10003、焊絲ERNiMo-2；異種金屬焊縫缺陷模擬試塊/UT-DC01，Ф42.2×4.85，不銹鋼段母材316LN、碳鋼段母材SA508III、預堆邊Sanicro71、焊縫Sanicro72；管對接焊縫校準試塊/UTSK-07，Ф114.3×8.56，母材UNS N10003、焊絲ERNiMo-2；異種金屬焊縫缺陷模擬試塊/02-AB，Ф298×38，不銹鋼段母材316LN、碳鋼段母材SA508III、預堆邊Inconel 152、焊縫Inconel 52M；異種金屬焊縫缺陷模擬試塊/01-AB，Ф1088×94，不銹鋼段母材316LN、碳鋼段母材SA508III、預堆邊Inconel 152、焊縫Inconel 52M。

表1 鎳基合金對接焊縫所采用的探頭參數

表2 鎳基合金焊縫模擬自然缺陷試塊缺陷參數（單位mm）

為驗證以上代表性的說明，分別采用與02-AB試塊相同的異種金屬焊縫和UNS N10003鎳基合金同種金屬焊縫制作了性能對比試塊，采用2.0MHz2×8.6×15.2LA45FS30探頭并采用相同檢測工藝分別掃查兩種試塊上不同深度的Ф3mm橫孔的當量、深度值及信噪比的差異。根據實驗結果可得，對于不同位置（相對焊縫中心線）、不同深度、相同尺寸和類型的反射體，鎳基合金焊縫試塊與異種金屬焊縫試塊超聲檢驗靈敏度相當、顯示深度基本一致、信噪比相當，說明兩種材料對于超聲波能量衰減、超聲波傳播方向的影響、缺陷信號的分辨情況基本一致，從而進一步說明可采用鎳基預堆邊接管安全端焊縫試塊來代表鎳基母材對接焊縫試塊。

2.2 模擬缺陷試塊試驗

對技術驗證試塊（Ф42.2×4.85mm、Ф48.3×5.08mm、Ф114.3×8.56mm、Ф298×38mm和Ф1088×94mm）的對接焊縫模擬自然缺陷進行超聲波手動檢測試驗（表3）。

表3 模擬缺陷反射體試驗結果

根據試驗結果，可得出如下結論：

所采用的檢驗技術能檢出模擬缺陷試塊上所有的模擬自然缺陷，反射體中包括高度為0.5mm～28.1mm，且與法線夾角為0～15°的裂紋類、夾渣類及未熔合類等缺陷；對于Ф42.2× 4.85mm模擬缺陷試塊的檢驗，所有缺陷高度測量的均方根誤差為0.53mm，長度測量均方根誤差為3.92mm，定位誤差為-1mm～2mm；對于Ф48.3×5.08mm模擬缺陷試塊的檢驗，所有缺陷高度測量的均方根誤差為2.11mm，長度測量均方根誤差為3.67mm，定位誤差為-2.5mm～6mm。

對于Ф114.3×8.56mm模擬缺陷試塊的檢驗，所有缺陷高度測量的均方根誤差為1.39mm，長度測量均方根誤差為1.29mm，定位誤差為-1.5mm～2mm；對于Ф298×34mm模擬缺陷試塊的檢驗，所有缺陷高度測量的均方根誤差為0.44mm，長度測量均方根誤差為3.11mm，定位誤差為-2mm～3.12mm；對于Ф1088×94mm模擬缺陷試塊的檢驗，所有缺陷高度測量的均方根誤差為1.14mm，長度測量均方根誤差為6.82mm，定位誤差為-5.69mm～8mm，且線性回歸斜率為1.06。

3 結論

通過實際測試試驗，所采用的檢驗技術能夠檢出模擬缺陷試塊上所有的反射體，檢測技術的能力覆蓋鎳基合金對接焊縫的檢驗要求；三種類型的模擬缺陷試塊上所有自然缺陷高度測量的均方根差為0.44～2.11mm，滿足ASME規范高度測量均方根誤差小于3.2mm的要求；且焊縫的缺陷高度線性回歸斜率為1.06，滿足線性回歸斜率至少為0.7的要求；三種類型的模擬缺陷試塊上所有自然缺陷長度測量的均方根差為1.29～6.82mm，滿足ASME規范長度測量均方根誤差小于19mm的要求；三種類型的模擬缺陷試塊上所有自然缺陷最大位置偏差為-5.69～8mm，滿足ASME規范缺陷定位誤差應在±13mm范圍內的要求；采用的超聲波儀器（USN60）能夠有效滿足鎳基合金對接焊縫的超聲波檢驗要求。

鎳基合金對接焊縫的超聲檢驗的設備、校準試塊、超聲檢驗技術均滿足相關標準規范對鎳基合金對接焊縫的要求，檢驗技術有效。