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（國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

圖1 安放式管座角焊縫坡口結(jié)構(gòu)圖

核電站核島內(nèi)輔助給水系統(tǒng)（ASG）管道與主給水系統(tǒng)（ARE）管道連接的管嘴焊縫為安放式全焊透管座角焊縫（焊縫坡口結(jié)構(gòu)見圖1）。焊縫中的一些常見缺陷（如未焊透、未熔合、裂紋等）如果漏檢或未能有效控制，在核電站運行過程中由于壓力、腐蝕、運行工況等諸多因素會不斷惡化，甚至導(dǎo)致破損和斷裂。這種安放式管座角焊縫由于結(jié)構(gòu)影響，不便于施行射線檢測，所以對于焊縫內(nèi)部情況主要采用超聲波檢測。核電站在役檢查大綱中也規(guī)定，該焊縫需要進行超聲波檢測。

鑒于主給水系統(tǒng)（核2級）和輔助給水系統(tǒng)（核2，3級）的安全級別，以及ASG管嘴焊縫結(jié)構(gòu)的特殊性，有必要針對該結(jié)構(gòu)的焊縫設(shè)計制作相對應(yīng)的全尺寸對比試塊，進行超聲波檢測方法試驗，并編制專門的超聲波檢測工藝。

1 研究內(nèi)容

1.1 全尺寸對比試塊的設(shè)計、制作

（1）調(diào)研ASG管嘴焊縫坡口結(jié)構(gòu)及焊接工藝。

（2）制作與被檢焊縫材質(zhì)和內(nèi)外部結(jié)構(gòu)基本一致的1∶1焊接試件。

（3）根據(jù)RCC－M標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，制作相應(yīng)的對比試塊。擬選取0°和90°兩處在結(jié)構(gòu)上最有代表性的區(qū)域來制作對比試塊［1]。

1.2 ASG管嘴焊縫檢測工藝研究

（1）根據(jù)RCC－M標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇合適的檢測方法和檢測探頭。

（2）確定超聲檢測掃查方式、掃查部位。

2 ASG管嘴焊縫對比試塊制作

ARE和ASG管道的外徑分別為406，156 mm；制作與被檢焊縫材質(zhì)和內(nèi)外部結(jié)構(gòu)基本一致的1∶1焊接試件；根據(jù)RCC－M標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定，制作相應(yīng)的對比試塊。選取0°和90°兩處在結(jié)構(gòu)上最有代表性的區(qū)域來制作對比試塊。試塊示意圖如圖2和3所示。根據(jù)RCC－M標(biāo)準(zhǔn)中的要求，焊縫檢測用對比試塊上的人工反射體為直徑2 mm的長橫孔。同時，為了證明最終的檢測工藝能夠覆蓋整個焊縫區(qū)域，兩塊試塊中的長橫孔分別位于焊縫中心及焊縫熔合線附近，并且在對比試塊的根部還布置有一個高度為2 mm，長度為10 mm的人工切槽。

3 檢測方法理論分析

RCC－M標(biāo)準(zhǔn)第Ⅲ冊 MC 2634.2中規(guī)定，在可達性和幾何結(jié)構(gòu)條件允許的情況下，盡量使超聲波檢測能夠覆蓋整個焊縫區(qū)域，焊縫區(qū)域應(yīng)包含焊縫本體及其兩側(cè)熱影響區(qū)。第Ⅰ冊S 7722中規(guī)定，壁厚≤30 mm的角接焊縫中熱影響區(qū)為焊縫兩側(cè)各5 mm；壁厚＞30 mm的角接焊縫中熱影響區(qū)為焊縫兩側(cè)各10 mm。因此，在選擇檢測工藝時，需要根據(jù)焊縫的幾何尺寸及外形結(jié)構(gòu)來選擇折射角［1]。

以往的現(xiàn)場工作中，主要采用2Z8×9A45和2Z8×9 A60橫波斜探頭進行該焊縫的現(xiàn)場檢測，但現(xiàn)場檢測時發(fā)現(xiàn)在焊縫局部存在反射幅度很高的信號。通過理論分析，發(fā)現(xiàn)該信號是60°探頭固有的結(jié)構(gòu)信號。另外，理論分析還發(fā)現(xiàn)這兩種角度探頭并不能完全覆蓋整個焊縫厚度范圍，詳見圖4和5。因此，考慮增加更小角度的探頭來加強焊縫近表面區(qū)域的檢測。

考慮到兩種不同角度的探頭最好能夠相差15°以上，所以在最初的檢測方案設(shè)計中選擇30°的探頭，但試塊加工完成后，發(fā)現(xiàn)焊道寬度對探頭移動的影響很大，通過聲束傳播路徑模擬研究，發(fā)現(xiàn)采用30°探頭檢測根部人工槽的效果不好。選用35°探頭可以利用擴散角檢測人工槽，而30°探頭的主聲束角度與檢測所需的41°聲束之間的夾角太大，此時能量已經(jīng)很弱。基于上述考慮，擬采用35°探頭取代30°探頭。

4 檢測工藝試驗

選擇檢測用探頭時，主要從以下幾方面考慮：

（1）焊縫表面寬度大，需要選用前沿盡量小的探頭進行檢測。

（2）實際檢測時探頭的掃查軌跡是一個馬鞍形，為了獲得良好的耦合效果，探頭與工件的接觸表面應(yīng)盡量小，所以在達到合適的靈敏度的前提下，探頭晶片尺寸應(yīng)較小。

（3）需要使用一次反射波進行檢測，因此可選用頻率稍高的探頭，以提高超聲波束的指向性，有利于信號的分辨。

原檢測工藝中采用60°探頭進行檢測，但通過試驗發(fā)現(xiàn)，60°探頭的實際檢測效果不佳，故決定取消60°探頭，理由主要有三點：一是60°探頭的聲束擴散過于明顯，導(dǎo)致經(jīng)過底面一次反射后，人工缺陷的回波能量低，信號不易辨認；二是此時的結(jié)構(gòu)反射信號過于強烈，干擾缺陷信號的判別；三是在原設(shè)計方案中，60°探頭主要用于檢測焊縫根部缺陷，但35°和45°探頭已經(jīng)能清晰地發(fā)現(xiàn)根部人工槽的信號，這說明60°探頭預(yù)計的檢測區(qū)域已經(jīng)得到了有效覆蓋?；谏鲜鋈c考慮，實際檢測工藝中取消了60°探頭。為驗證35°探頭和45°探頭的檢測覆蓋能力，對兩種角度探頭在半擴散角范圍內(nèi)的覆蓋范圍進行了理論模擬。根據(jù)橫波斜探頭半擴散角的計算公式，頻率為5 MHz，晶片尺寸為4 mm×6 mm的探頭，其半擴散角為6°。根據(jù)探頭半擴散角理論計算結(jié)果，分別對35°探頭和45°探頭在0°試塊位置和90°試塊位置的覆蓋范圍進行了理論模擬，詳見圖6和7。

從理論模擬分析圖中可以看出，在半擴散角范圍內(nèi)，35°探頭在0°位置焊縫表面余高處存在一小塊深度約為1 mm的未覆蓋區(qū)域，在焊縫根部則存在一塊深度約為6 mm的未覆蓋區(qū)，而45°探頭能覆蓋所有的焊縫根部區(qū)域，但在焊縫表面的未覆蓋區(qū)域則大于35°探頭。綜合兩種角度探頭的覆蓋區(qū)域可以知道，0°位置焊縫表面余高處存在一小塊深度約為1 mm的未覆蓋區(qū)域，建議此處可采用磁粉檢測方法進行補充檢測；90°位置處，在半擴散角范圍內(nèi)，35°探頭和45°探頭均能覆蓋所有的焊縫區(qū)域，此處采用這兩種角度探頭檢測時無盲區(qū)。

工藝試驗時所有探頭都是小晶片、短前沿探頭，探頭清單見表1。

表1 探頭工藝試驗參數(shù)

采用表1中所列探頭分別從ASG管嘴外表面、ARE管道外表面對試塊進行掃查，并將發(fā)現(xiàn)的信號進行記錄和整理，部分反射體信號見圖8～11。由此可見，60°探頭只能采用一次波從管嘴側(cè)發(fā)現(xiàn)孔1和孔2的反射信號。從ARE管側(cè)檢測時，由于探頭擴散的原因，各反射體信號難以清晰分辨。35°探頭和45°探頭分別從管嘴側(cè)和ARE管側(cè)進行檢測時，能夠檢出所有的人工反射體。

5 結(jié)論

（1）加工制作了1∶1的0°和90°ASG超聲波對比試塊。

（2）試驗中所采用的改進后的超聲波檢測技術(shù)能有效檢測出試塊上的人工缺陷，且滿足RCC－M標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）通過試驗，了解了ASG/ARE管嘴焊縫的一些結(jié)構(gòu)特點、焊接工藝和聲學(xué)特性。

［1]RCC－M MC 2000—2004 壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造法則 合金鋼［S].

［2]鄭暉.超聲檢測［M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.