核電站BOSS焊縫的相控陣超聲檢測

金士杰，李 瀟，蘇嘉凱，嚴 宇，張曉峰，楊會敏，林 莉

(1.大連理工大學無損檢測研究所，大連 116085；2.核工業工程研究設計有限公司，北京 101300)

BOSS焊縫是用于核電站中核輔助系統主管和支管連接的管座焊縫，在功能上既是承壓焊縫也是密封焊縫，是核一級壓力容器的邊界[1-2]，一旦發生泄漏，將對系統的安全穩定運行造成巨大影響。因此，選擇合適的無損檢測方法，對其進行缺陷識別和定量檢測十分必要。

目前，一般采取滲透和射線方法檢測BOSS焊縫缺陷。通常對焊接過程中的根部焊道和完工焊縫表面進行滲透檢測，但該方法只能檢測表面缺陷，無法覆蓋焊縫內部區域。射線檢測的缺陷檢出率相對較高，如孫彪等[3]對核電站冷凝罐中69個BOSS焊縫進行射線檢測抽查，發現5處層間未熔合、2處氣孔和3處根部未焊透。然而，BOSS焊縫射線檢測時底片布置困難，檢出缺陷畸變嚴重，且面積型缺陷檢測能力相對較弱，難以進行缺陷深度定位。與之相比，超聲檢測具有速度快、成本低、靈敏度高等優勢，得到了廣泛應用。BOSS焊縫幾何結構復雜，導致常規超聲檢測時信號識別困難，制約了缺陷檢出率[4-6]，而相控陣超聲檢測(PAUT)技術可靈活控制陣元延遲時間以實現聲束偏轉和聚焦，提高了缺陷檢測能力[7-8]，為BOSS焊縫的檢測提供了可能。唐亮等[9]針對核電站典型不銹鋼BOSS焊縫，利用CIA仿真軟件建立模型并進行PAUT檢測，實現了未熔合、裂紋和氣孔等不同類型缺陷的有效識別，且缺陷檢出率高于射線檢測。楊建幫等[10]將PAUT探頭布置在BOSS焊縫支管上，有效檢出了高度為3 mm的內壁槽和φ2 mm橫孔缺陷。

文章以SKETCH14規格BOSS焊縫為例，根據其結構特征進行相控陣超聲探頭選擇和檢測方案設計；然后選取適配的探頭和楔塊，實現待檢測區域的聲束覆蓋；最后，在BOSS焊縫試塊中加工不同位置和深度的面積型和體積型缺陷，進行定量檢測和試驗驗證。

1 BOSS焊縫檢測方案

PAUT主要基于亥姆霍茲聲壓積分定理和惠更斯原理[11]，利用陣列排布的相控陣超聲探頭實施檢測。探頭各陣元等間隔線性排列，具有獨立的發射與接收電路，通過控制發射時間可實現激勵聲束的偏轉和聚焦。使用扇形掃描時，PAUT的多角度掃查可以減少探頭的移動[12]，提高檢測靈敏度并改變聲束覆蓋范圍[13]，大大縮小檢測盲區。在此基礎上，配合斜楔塊及多種模式波可實現更大范圍內的缺陷檢測。

文章以核電站SKETCH14規格BOSS焊縫為例開展PAUT檢測研究，焊縫結構如圖1所示，其主管壁厚度為17.0 mm，外徑為166.5 mm；支管壁厚為33.5 mm，外徑為84.0 mm。待檢測范圍包括焊縫上下熔合線之間區域及熱影響區，其材料為奧氏體不銹鋼，晶粒相對粗大且具有彈性各向異性，聲傳播時存在散射和衰減[14]，檢測時應選用相對低頻(如中心頻率為2.25 MHz)的相控陣超聲探頭進行整體檢測。現有研究多將探頭置于焊縫或支管上[10]，但僅使用一種檢測方式不利于焊縫區域的聲能全覆蓋，會造成部分缺陷漏檢。為解決上述問題，筆者將探頭布置在主管上，采用二次波對焊縫下熔合線及附近區域進行檢測。同時，將探頭布置在BOSS焊縫正上方，采用直入射方式檢測焊縫上熔合線及附近區域。此外，考慮到低頻探頭的近表面盲區范圍相對較大，會造成焊縫近表面區域缺陷的漏檢，需配合高頻(如中心頻率為7.5 MHz)探頭，通過斜入射檢測焊縫上熔合線近表面區域。為提高檢測分辨力和靈敏度，斜入射檢測時采用橫波楔塊，直入射檢測采用0°縱波楔塊。

圖1 SKETCH14規格BOSS焊縫結構示意

根據以上分析，試驗中選用OLYMPUS 2.25L32-A11型(中心頻率為2.25 MHz，32陣元)和7.5L16-A15型(中心頻率為7.5 MHz，16陣元)相控陣探頭進行PAUT檢測，具體檢測方案如表1所示。參考標準NB/T47013.15-2021《承壓設備無損檢測 第15部分：相控陣超聲檢測》，將主聲束±20°偏轉范圍作為有效覆蓋范圍，BOSS焊縫不同位置的PAUT檢測聲束覆蓋如圖2所示，可見該方法可實現BOSS焊縫及熱影響區的全覆蓋檢測。

表1 BOSS焊縫檢測方案

圖2 BOSS焊縫不同位置的PAUT檢測聲束覆蓋示意

2 檢測試驗

圖3 BOSS焊縫試塊實物

在SKETCH14規格BOSS焊縫試塊中加工缺陷，并進行PAUT檢測。考慮到BOSS焊縫主管和支管的連接特點，可按不同軸面剖分為腹部試塊和肩部試塊，BOSS焊縫試塊實物如圖3所示。實際加工2個腹部試塊和2個肩部試塊，并沿其上、下熔合線設計不同位置和深度的φ2 mm橫通孔和高度為3 mm的內壁槽，以模擬體積型和面積型缺陷。每個試塊中加工2個橫通孔和1個內壁槽，共計12個模擬缺陷，具體參數如表2所示。

表2 BOSS焊縫試塊模擬缺陷參數

根據表1所示的BOSS焊縫PAUT檢測方案，采用Omniscan X3型設備進行信號采集和扇形掃查成像。其中，下熔合線及附近區域使用二次橫波斜入射進行檢測；上熔合線及附近較深處區域使用縱波直入射進行檢測；上熔合線及附近淺層區域使用橫波斜入射進行檢測。BOSS焊縫部分典型缺陷的PAUT扇形掃查圖像如圖4所示。

圖4 BOSS焊縫部分典型缺陷的PAUT扇形掃查圖像

PAUT扇形掃查圖像的信噪比主要受材料和缺陷兩方面因素影響。一方面，待檢BOSS焊縫材料為奧氏體不銹鋼，粗大的晶粒會引起較明顯的結構噪聲；另一方面，隨著缺陷深度增加，超聲聲束傳播距離變大，衰減會導致缺陷回波幅值下降。SKETCH14規格BOSS焊縫不同缺陷的檢測信號信噪比如圖5所示，依據缺陷深度和類型對12個缺陷進行重新排序，則信噪比整體上隨缺陷深度增加而逐漸下降。其中，上熔合線及附近區域缺陷采用一次波檢測，信噪比為15.3～25.0 dB。例如，缺陷1、缺陷10和缺陷6的深度分別為4.9,15.6,34.2 mm，對應檢測信噪比分別為25.0,17.8,15.8 dB。下熔合線及附近區域缺陷采用二次波檢測，聲程相對較長，信噪比有所降低，約為12.9～14.0 dB。

圖5 BOSS焊縫不同缺陷的檢測信號信噪比

基于PAUT扇形掃查圖像，選擇缺陷所在角度線上的A掃描信號，識別缺陷回波并讀取最高波峰位置，進行缺陷深度定量。SKETCH14規格BOSS焊縫不同缺陷的檢測相對誤差如圖6所示，可見8個橫通孔與4個內壁槽的深度定量誤差均不超過6.9%，反映了制定的PAUT檢測方案的有效性。

圖6 BOSS焊縫不同缺陷的檢測相對誤差

缺陷深度定量誤差主要與待測缺陷類型和BOSS結構曲率有關，并受焊縫表面狀態等因素影響。首先，內壁槽為面積型缺陷，檢測時利用探頭到槽端點的直達波或二次波實施缺陷定量。與之相比，橫通孔是具有弧形面的體積型缺陷，會使得入射波沿孔表面發生繞射后到達缺陷下端點。此時，實際聲束傳播距離略大于探頭至橫通孔端點的直線距離，使得缺陷定量誤差增加。如圖6所示，橫通孔定量誤差整體略高于槽的定量誤差。如缺陷1與缺陷2(孔)的定量誤差分別約為4.1%和6.0%，而缺陷3(槽)的定量誤差約為1.9%。

其次，對BOSS焊縫肩部試塊進行檢測時，探頭主動軸方向與主管母線在同一平面內，結構對聲束傳播與聚焦法則的影響較小，聲能聚焦效果相對較好。相比之下，對腹部試塊進行檢測時，探頭主動軸方向與主管母線正交，入射波與二次波受主管內外壁彎曲弧面影響，傳播聲程改變且聚焦效果減弱，對缺陷深度定量產生影響。如圖6所示，對于深度相近的同類型缺陷，腹部試塊中缺陷的深度定量誤差整體上略高于肩部試塊中缺陷。如缺陷1(肩部試塊中)和缺陷7(腹部試塊中)的深度分別為4.9 mm與5.0 mm，深度定量誤差分別約為4.1%和6.0%。

需要指出的是，PAUT檢測圖像中仍然存在偽像干擾，這是因為，BOSS焊縫的晶粒散射會產生結構噪聲，以及焊縫形狀不規則導致，內部端角處發生波型轉換。實際檢測時有必要結合待測工件的結構特征加以區分。最后值得注意的是，BOSS焊縫表面均為曲面且形狀不規則，使用商售硬質楔塊時的耦合效果一致性難以保證，后續研究中可考慮采用柔性耦合方式，優化BOSS焊縫的PAUT檢測方案，以改善成像效果，進一步提升PAUT檢測定量精度。

3 結語

以SKETCH14規格BOSS焊縫為例，開展了PAUT檢測研究。結合BOSS焊縫材料和結構特征設計檢測方案，通過選擇2種PAUT探頭和3種楔塊，實現了待檢測區域的聲場覆蓋。在BOSS焊縫試塊內部，沿上、下熔合線加工不同位置和深度的12個缺陷(包含8個橫通孔和4個內壁槽)，并進行PAUT檢測試驗。試驗結果表明，所有缺陷均能有效檢出，信噪比范圍為12.9～25.0 dB，且缺陷深度定量誤差均不超過6.9%。