許遠歡，葛 亮，付千發(fā)，聶 勇

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223）

核電站主設備在設計時考慮到耐腐蝕等特殊要求，其母材為低合金鋼，內表面一般有6～8mm 左右的不銹鋼堆焊層，某些不銹鋼堆焊層可以達到12mm厚。如反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等，其材料一般采用16MND5或508－III，其堆焊通常采用帶極雙層堆焊［1］，局部區(qū)域采用多層堆焊。堆焊的第一層為309L 不銹鋼過渡層，第二層及以上為308L不銹鋼。

在制造期間，主設備要求從設備內外兩側進行全體積的超聲檢測，在運行期間，某些主設備（如反應堆壓力容器）要求從內部實施超聲檢測。從內側不銹鋼堆焊層側實施超聲檢測時，由于堆焊層粗大的柱狀晶粒和堆焊層特殊的加工工藝，對超聲檢測產(chǎn)生比較大的影響。

1 不銹鋼堆焊層對超聲檢測的影響

制造期間從內側對反應堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等焊縫進行超聲檢測，以及役前和在役檢查從內側對反應堆壓力容器實施超聲檢測時，均由于堆焊層的影響，給超聲檢測帶來一定的困難。實際經(jīng)驗表明，不論是手動超聲檢測還是自動超聲檢測，堆焊層對超聲波檢測均存在不同程度的影響。

從堆焊層側進行超聲檢測時，不銹鋼堆焊層對超聲檢測的影響主要包括：

（1）不銹鋼堆焊層為粗大的柱狀晶粒，超聲波衰減較大，會造成檢測靈敏度下降。

（2）超聲波在堆焊層內部和結合面上會發(fā)生聲束偏轉，造成缺陷定位偏差。

（3）由于堆焊層的影響，容易形成偽缺陷顯示。

因此從堆焊層側進行全體積的超聲檢測時，需要找出影響的主要因素，并采取相應措施克服堆焊層對超聲檢測的影響，從而提高堆焊層側實施超聲檢測的可靠性和有效性。

2 有／無堆焊層的靈敏度對比試驗

奧氏體不銹鋼堆焊層呈柱狀晶分布，晶粒粗大，故超聲波傳播存在較大衰減。如果用同樣的超聲波探頭分別從有堆焊層和無堆焊層試塊上，對同樣直徑大小的長橫孔進行掃查，則兩者回波幅度會有比較明顯的差異。

試驗用CTS－2000型超聲檢測儀。試驗用探頭：單晶橫波45°，頻率2.0 MHz。試件材料508－III鋼，試件單側堆焊層，反射體為φ2 mm 橫孔，其深度間隔為30mm。

將超聲探頭分別在有、無堆焊層試塊面進行掃查，將φ2mm 橫孔的最大回波幅度調整到80%滿屏高（FSH），分別記錄各橫孔的回波增益值。

試驗測試后各橫波回波增益見圖1，可以看出有、無堆焊層時靈敏度平均相差約11dB。其它類型探頭也有類似的影響，只是靈敏度差異有所不同。

圖1 有／無堆焊層φ2mm 橫孔靈敏度對比測試結果

為了克服堆焊層對檢測靈敏度影響，如果從堆焊層實施超聲檢測，所用的對比試塊必須采用與被檢工件相似的堆焊工藝和表面狀況。如果被檢工件是自動堆焊，而試塊不能采用自動堆焊時，試塊則可以采用手工堆焊。

3 堆焊層引起的聲束偏轉造成定位偏差

不銹鋼堆焊層和母材（低合金鋼）的超聲波聲速存在差異，使得在堆焊層表面掃查時探頭角度與無堆焊層低合金鋼表面的探頭角度存在一定的差異，從而造成缺陷定位時出現(xiàn)偏差。

3.1 探頭前沿和折射角測量方法

在超聲檢測時，通常有三種方法測量探頭前沿和折射角。

①方法一：在CSK－IA 試塊上直接測量前沿和折射角，見圖2（a）。

②方法二：在CSK－IA 試塊測量探頭的前沿，然后在對比試塊上用適當深度的橫孔測量探頭折射角，見圖2（b）。

③方法三：在對比試塊上選取兩個不同深度的孔，測量探頭折射角和前沿，見圖2（c）。

圖2 探頭前沿和折射角測量示意

圖中α為探頭入射角；θ為探頭折射角；L為探頭前沿。

上述三種探頭折射角的測量方法中，方法一完全沒有考慮堆焊層，在帶堆焊層側實施超聲檢測時，一般不適合；方法二考慮了堆焊層的影響，對缺陷定位的影響較小；方法三比較接近實際情況，用測量出的探頭前沿和折射角來進行缺陷定位，其定位誤差較小。

3.2 探頭角度和前沿測量試驗和分析

采用三種方法進行探頭角度和前沿的測量，其中，對比試塊的反射體均為φ2mm 橫孔，不銹鋼堆焊層厚度約為6mm，其測試結果見表1。

探頭的入射點是固定的，但是當從堆焊層側實施超聲檢測時，探頭前沿的測定會由于方法的不同而得出不同的結果，從而會導致缺陷定位存在不同大小的誤差。從試驗結果可以看出，無堆焊層低合金鋼材料上測量時，后兩種方法（方法二和方法三）測得的探頭前沿／折射角與方法一所測值相差很小。而在有不銹鋼堆焊層低合金鋼材料上測量時，后兩種方法（方法二和方法三）的測量值與方法一測得的值有很大的差異，角度偏差約減少了1.5°左右，測量出的前沿值增加了3～4mm，這種變化是不銹鋼堆焊層影響所導致的。

表1 2 MHz橫波探頭前沿和折射角測量結果

3.3 缺陷定位試驗和分析

利用探頭折射角和前沿三種不同測量方法的測試結果，分別在測試試塊上進行反射體定位試驗。測試試塊為一列φ2mm 橫孔，孔深分別為56，106，156，206，256，306 mm，橫孔中心離試塊邊緣130mm，其中堆焊層厚度約為6mm，測試試塊示意圖見圖3。用45°和60°兩種橫波探頭（晶片尺寸20mm×20mm），進行反射體定位試驗，其試驗結果見圖4。圖中①②③分別代表探頭前沿和折射角測量方法一、方法二和方法三；橫坐標表示反射體在位置深度方向；縱坐標表示深度或水平定位偏差。

圖3 折射角與前沿測試試塊示意

45°橫波探頭的定位偏差圖中，利用方法二和方法三所測量的角度對反射體定位偏差較小，深度定位偏差在±2mm 以內，水平定位偏差在±4mm 以內。另外，從60°橫波探頭定位偏差看出，反射體深度在150mm 范圍內時，定位偏差在±10mm 以內，隨深度增加，定位偏差也增大。用“方法一”所測量的角度對人工反射體進行定位，其定位偏差較大（水平或深度），大于±10mm，故此方法不適用于實際的超聲檢測。

從試驗結果來看，從堆焊層側實施超聲檢測時，方法二和方法三可用于探頭折射角和前沿的測量，45°探頭定位較為準確，而對于60°探頭發(fā)現(xiàn)的深度較深的缺陷，需要用45°探頭進行定位核實。

4 堆焊層引起的偽缺陷顯示

4.1 偽缺陷的表現(xiàn)形式

采用橫波探頭從堆焊層側進行超聲檢測時，在某些深度位置往往會出現(xiàn)斷續(xù)的反射回波信號，一般情況下這種回波信號較弱。但當在某些特殊位置，如：堆焊層表面出現(xiàn)較大的凹坑，或者兩條堆焊層焊帶交接處熔合較差處，在B－掃圖上往往會出現(xiàn)極像缺陷信號的偽缺陷回波信號顯示，這種顯示的回波幅度一般會超過記錄閾值，在超聲波信號分析過程中，容易造成誤判，如圖5所示。

4.2 偽缺陷形成原因

由于堆焊層是不銹鋼粗晶材料，而母材是低合金鋼的細晶材料。如果采用橫波探頭，當橫波聲束通過此不銹鋼和低合金鋼的界面時，少量的聲波會發(fā)生較大的偏轉，沿著幾乎垂直于底面?zhèn)鞑?。在固定深度位置，會形成幅度較高的偽缺陷信號，如圖6所示。

圖6 聲束傳播示意

4.2.1 理論計算

橫波從O偏轉后，沿著幾乎垂直（S）的方向到達底面，其經(jīng)過的聲程P與母材厚度T幾乎接近。偏轉橫波S在B－掃圖中的深度位置近似計算如下：

式中：β為探頭在堆焊層中的折射角；θ為探頭在母材中的折射角。

4.2.2 試驗驗證

通過試驗對上述理論進行驗證。試驗所用試塊為一堆焊層厚度t＝6mm，母材厚度T＝205mm 的壓力容器筒體環(huán)焊縫；儀器采用多通道數(shù)字自動采集系統(tǒng)，采用橫波45°，頻率為2 MHz（探頭實測折射角為43.8°）和60°，頻率為2 MHz（探頭實測折射角為58.0°）兩種類型探頭。檢查方向為軸向掃查。

在對采集的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，橫波45°，頻率為2MHz和60°，頻率為2MHz均出現(xiàn)固定深度的斷續(xù)一條線的顯示信號圖5（a）、圖5（b），個別區(qū)域有較高幅度的顯示。

分別對兩個橫波探頭出現(xiàn)的顯示信號深度進行測量。圖5（a）中，分布的斷續(xù)一條線的偽缺陷顯示信號的深度為156.6mm。圖5（b）中顯示信號的深度為115.5mm。

假設顯示信號為偏轉橫波在工件外表面形成的反射回波。將厚度T＝205 mm，t＝6 mm，橫波45°，頻率為2 MHz的實際折射角α＝43.8°代入深度公式：

與圖5（a）中，顯示信號的深度156.6mm 相近，同理，計算得到60°，頻率F 為2 MHz橫波探頭的偽缺陷信號深度應為114.6mm，與圖5（b）中顯示信號的深度115.5mm 相近。

可見，試驗數(shù)據(jù)值與理論計算基本相符。但是，近似理論計算和實際測量兩者深度位置存在一定差異，是由于超聲波在堆焊層內部的傳播時，本身還存在聲束偏轉的情況，而在近似理論計算時沒有考慮這類情況引起的深度差。

4.3 偽缺陷辨別方法

通過大量試驗和現(xiàn)場實際檢測發(fā)現(xiàn)，由于偏轉橫波沿幾乎垂直方向射到底面而產(chǎn)生的偽缺陷信號的辨別方法有：

（1）偽缺陷信號處于固定深度位置，通過探頭角度可計算出發(fā)現(xiàn)的偽缺陷的聲程值與被檢部件厚度基本相同。

（2）較高幅度的偽缺陷信號，通過改變探頭的掃查方向或者更換其他類型（不同角度和不同波型）的探頭核實時，原有的偽缺陷顯示會消失或者不在原來的同一位置出現(xiàn)顯示信號。

（3）發(fā)現(xiàn)較高幅度偽缺陷信號時，探頭往往處于堆焊層焊帶結合處或者探頭所處位置有凹坑。

綜上所述，采用橫波探頭從堆焊層側進行超聲檢測時，由于堆焊層的影響，會在固定深度位置出現(xiàn)變形波信號，影響缺陷分析。但是根據(jù)這種偽缺陷顯示信號的特征，是可以區(qū)分和判斷的。

5 結論

由于不銹鋼堆焊層特殊的聲學特性，當從堆焊層側進行超聲檢測時，不銹鋼堆焊層對超聲檢測存在一定程度的影響。采用下列三種方式，可有效克服不銹鋼堆焊層對超聲檢測的影響。

（1）采用與被檢工件相似的堆焊工藝和表面狀況的對比試塊，以克服不銹鋼堆焊層對檢測靈敏度的影響。

（2）采用筆者提到的方法二和方法三可用于探頭折射角測量；45°探頭對反射體定位偏差在±2 mm 內；當60°探頭發(fā)現(xiàn)較深的缺陷時，需要用45°探頭進行核實。

（3）通過偽缺陷的深度位置計算核實，以及采用多種探頭核實和被檢工件表面狀況觀察等方法，可有效剔除堆焊層引起的偽缺陷信號。

［1］ 李家偉，陳積懋.無損檢測手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.