核電站主給水系統管道對接焊縫的超聲波衍射時差法檢測工藝

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(1.森松(江蘇)重工有限公司 上海分公司，上海 201323；2.中廣核工程有限公司，深圳 518124; 3.中國特種設備檢測研究院，北京 100029；4.國家市場監督管理總局無損檢測與評價重點實驗室，北京 100029)

在核電安裝工程中，目前核電主給水系統(ARE)管道對接焊縫的檢測主要采用射線檢測方法，但射線檢測效率低，所以有必要引進新的檢測技術來提高檢測效率，以更好地服務于核電領域。超聲波衍射時差法(以下簡稱TOFD)的缺陷檢出率高，且可對缺陷高度進行精確測量，對焊縫質量的提高有良好的促進作用。近年來,TOFD技術已經在火力發電廠、石油化工等領域廣泛應用。

筆者對材料為P265GH鋼，規格為457 mm×29 mm(外徑×壁厚)的ARE管道對接焊縫進行TOFD檢測工藝研究，仿真[1]分析了TOFD檢測工藝，采用缺陷響應[2]分析進行工藝優化，將優化后的檢測工藝和標準工藝在模擬試塊上進行驗證，并與射線檢測結果進行對比分析，驗證了TOFD檢測工藝的可行性。

1 TOFD檢測工藝仿真分析

1.1 TOFD聲場仿真分析

在CIVA軟件中，φ457 mm×29 mm管道的實際焊縫工藝參數為：坡口角度為30°，間隙為2 mm，鈍邊為1 mm。對其進行建模，模型如圖1所示。

圖1 φ 457 mm×29 mm管道模型

對TOFD檢測的關鍵工藝參數,如探頭頻率、晶片尺寸、楔塊角度以及聲束交點深度等進行仿真分析，得到檢測工藝參數(見表1),表1中PCS為探頭中心間距，T為工件厚度，表1中序號3為標準NB/T 47013.10-2015 《承壓設備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》 推薦的檢測工藝參數，TOFD聲場分布及探頭中心能量對比如圖2所示。

表1 TOFD檢測工藝參數及標準NB/T

由表1與圖2(a),2(b)可知：藍色線條框內為-12 dB聲束范圍，在-12 dB聲束范圍內聲束能有效覆蓋檢測區域；在焊縫熱影響區附近采用7.5 MHz，φ2.5 mm探頭，PCS為60 mm的工藝參數，上表面盲區為3.68 mm(計算值)，可以有效減小上表面盲區。由圖2(c)可知，上表面盲區為14 mm(計算值)。由圖2(d)可知，優化檢測工藝的探頭中心能量比標準推薦的檢測工藝探頭中心能量高4.1 dB。

圖2 各工藝參數下TOFD聲場分布及探頭中心能量對比

1.2 TOFD缺陷響應仿真分析

根據被檢工件的焊接特性，按照RCCM 《壓水堆核電站核島機械設備設計與建造法則》 標準規定的驗收要求，在工件模型中預設不同類型的缺陷，共5處(見表2)。

圖3 缺陷仿真模型

在仿真軟件中建立缺陷模型(見圖3)。將表1中的TOFD檢測工藝參數在缺陷仿真模型中進行計算分析,仿真結果如圖4所示。

由圖4可知，若采用表1中序號1，2的檢測工藝參數，預設的5個不同的缺陷均能有效檢出，但用

表2 預設缺陷信息

圖4 φ 457 mm×29 mm管道焊縫缺陷仿真結果

7.5 MHz,φ2.5 mm探頭檢測近表面缺陷效果更好，用4.5 MHz，φ6 mm探頭檢測根部缺陷效果更好；采用標準推薦的檢測工藝進行仿真分析，可知近表面缺陷5#缺陷的信號大部分被直通波信號掩蓋，其他缺陷能有效檢出，初步驗證檢測工藝可行。

2 試驗驗證

2.1 TOFD上表面盲區試驗

選用型號為OMINISCAN MX的TOFD檢測設備，選用7.5 MHz,φ2.5 mm探頭，楔塊角度選用73°，PCS為60 mm，在盲區試塊上進行試驗[3]，試塊選用帶不同深度刻槽和側孔的試塊(見圖5)。采用7.5 MHz,φ2.5 mm和4.5 MHz,φ6.0 mm探頭對盲區試塊進行檢測，檢測結果如圖6所示。

由圖6可知，采用表1中序號1的檢測工藝參數，上表面實際盲區僅為3 mm，采用序號2的檢測工藝參數，上表面盲區實測值為5 mm，即采用序號1中檢測工藝參數的上表面盲區較小。此外，上表面盲區部分可采用常規超聲脈沖檢測法進行補充檢測。

圖5 盲區試塊結構示意

圖6 不同探頭對盲區試塊的檢測結果

2.2 模擬試塊驗證

選用型號為OMINISCAN MX的TOFD設備，參數為7.5 MHz,φ2.5 mm與4.5 MHz,φ6 mm的探頭，楔塊角度選用73°與70°，在對比試塊上調校完成后，再在模擬試塊上進行試驗。模擬試塊規格為457 mm×29 mm(外徑×壁厚)，采用表2中的規格，模擬試塊中共制作5處缺陷，模擬試塊外觀如圖7所示。

選用表1中的TOFD檢測工藝參數與標準推薦的檢測工藝參數分別在模擬試塊上進行檢測，檢測結果如圖8所示。

圖7 模擬試塊外觀

圖8 不同工藝參數下模擬試塊的檢測結果

由圖8可知，兩種檢測工藝對1#,3#,4#,5#缺陷均能有效檢出，表1中優化后的檢測工藝均能有效測量各個缺陷的長度和高度，標準推薦的檢測工藝參數無法測量5#近表面缺陷的深度及高度。

2.3 射線檢測結果對比試驗

對TOFD試驗結果與射線檢測結果進行對比分析，結果如表3所示。

表3 TOFD檢測結果與射線檢測結果對比mm

由表3可知：射線能檢測出的缺陷，TOFD均能檢出，5#缺陷射線未能檢出，TOFD能有效檢出；射線與TOFD對缺陷長度的測量結果基本一致；TOFD能對缺陷的高度及深度進行準確測量；標準推薦的檢測工藝參數無法準確測量5#缺陷的高度。

3 結語

(1) 優化后的TOFD檢測工藝參數優于標準推薦的檢測工藝參數，尤其是在對于近表面缺陷的檢出及測量時。

(2) 從缺陷檢出率來看，針對面積型危害性缺陷，TOFD檢測技術比射線檢測技術更為有效。

(3) 從檢測可達性對比上看，射線檢測能達到檢測區域的全厚度覆蓋，單純的TOFD技術不能實現檢測區域的全厚度覆蓋，需要對TOFD檢測的盲區進行磁粉或超聲檢測，來實現檢測區域的全覆蓋。

(4) 與射線檢測相比，TOFD檢測的缺陷測量結果更為準確，其可對缺陷的深度與高度進行測量。