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(中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

無損檢測技術能力驗證是指對無損檢測所采用的技術進行綜合評價與驗證，以驗證其是否滿足技術規(guī)格書的要求。目前，核電站無損檢測技術能力驗證在國際上以美國ASME(美國機械工程師協(xié)會)規(guī)范第XI卷附錄VIII和歐洲ENIQ驗證體系為代表[1]，在國內，我國核安全監(jiān)管當局也已經(jīng)摸索出一條特有的無損檢驗技術能力驗證體系。能力驗證的重點主要集中在驗證無損檢測技術的檢測能力和定量能力上，既要驗證對缺陷的檢測能力，也要驗證對缺陷的準確測長和測高能力。能力驗證是通過在驗證試塊上進行檢測并實施的，進而給出檢測結果，再由驗證機構對檢測結果進行綜合分析，從而判定檢測技術是否滿足要求。

在針對奧氏體不銹鋼管道焊縫進行超聲檢測技術能力的驗證過程中，發(fā)現(xiàn)對于同一外表面軸向缺陷，當分別從內側和外側進行超聲檢測時，缺陷長度測量結果差異較大。針對這一異?，F(xiàn)象，通過與驗證試件制作方進行技術溝通，同時開展理論分析和模擬試驗，最終找出該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，并得出了相應結論。

1 被檢對象

被檢對象為奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫，管道外徑為952.5 mm，壁厚為82.5 mm，其母材材料為316LN奧氏體不銹鋼。根據(jù)ASME規(guī)范和驗證技術規(guī)格書的要求，受檢焊縫的檢驗區(qū)域為焊縫以及焊縫兩側各6 mm的母材區(qū)域。

根據(jù)ASME規(guī)范，對于奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的超聲檢測，要求從垂直于焊縫方向和平行于焊縫方向兩個方向進行掃查。因此，在驗證試件中一般設計有縱向缺陷和橫向缺陷，縱向缺陷和橫向缺陷位置示意如圖1所示?？v向缺陷的長度方向平行于焊縫方向，缺陷位置一般設計在內表面、外表面和內部；橫向缺陷的長度方向垂直于焊縫方向，缺陷位置一般設計在內表面和外表面。

圖1 縱向缺陷和橫向缺陷位置示意

2 案例分析

由于奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，超聲能量會產(chǎn)生較大的衰減[2]，縱波波長比橫波波長長，縱波在奧氏體中衰減小，因此在對奧氏體不銹鋼管道焊縫進行超聲檢測時，采用雙晶縱波探頭，近表面區(qū)域采用45°，60°淺焦距探頭，中、遠部區(qū)域采用45°，37°深焦距探頭[3]。對于體積缺陷，采用缺陷最高回波-6 dB法測量缺陷長度；對于面狀缺陷，采用缺陷最高回波-12 dB法測量長度[4]。

在針對某核電站開展超聲檢測驗證試驗時，使用的試件為不銹鋼管道焊縫超聲檢測能力驗證試件，其尺寸示意如圖2所示。試件長度為1 000 mm，材料為SA376/TP316LN，焊縫材料為SA182F316LN，焊縫厚度為82.5 mm,管道外徑為952.5 mm。

圖2 試驗試件尺寸示意

使用的周向掃查超聲探頭參數(shù)如表1所示。

對不銹鋼管道焊縫能力驗證試件進行掃查，發(fā)現(xiàn)從管道外側和內側對同一個外表面橫向表面缺陷進行長度測量時，存在測量結果差異較大的現(xiàn)象，其具體特征如下所述。

表1 周向掃查超聲探頭參數(shù)

(1) 從管道外側進行掃查時，采用淺焦距探頭對缺陷長度進行測量，其長度測量值與設計值吻合，誤差較小。

(2) 從管道內側進行掃查時，采用深焦距探頭對缺陷長度進行測量，其長度測量值與設計值的誤差較大。

(3) ASME規(guī)范在奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫超聲檢測技術驗證的要求中指出，缺陷長度測量值與方均根誤差不超過19 mm[2]。

缺陷長度測量結果對比見表2。

3 缺陷制作工藝與超聲檢測分析

3.1 缺陷制作工藝分析

采用植入式方法制作驗證試件的缺陷。制作橫向缺陷時，先在試件上缺陷預埋位置處垂直于焊縫的方向上挖出一個植入坑，然后將制作好的包含有缺陷的植入體放入該植入坑，并采用與管道焊縫材料一致的焊材將缺陷植入體、植入坑和母材焊接為一體，最后通過手工打磨方式將植入坑區(qū)域打磨至與試件外形尺寸一致。含缺陷試件的結構示意如圖3所示。

表2 缺陷長度測量結果對比

圖3 含缺陷試件的結構示意

3.2 超聲波理論及試驗結果分析

整個植入坑中除去植入體的區(qū)域均填充了焊接的焊縫材料，由于焊縫材料與母材材料在晶粒結構和尺寸上不同，因此植入坑焊縫和母材交界面形成了聲阻抗不同的界面。

對于深焦距探頭，當超聲波聲束入射到植入坑焊縫與母材的界面上時會發(fā)生端角反射現(xiàn)象(見圖4)，產(chǎn)生端角反射回波信號。該非缺陷引起的端角反射回波信號幅值高于正常底面回波信號幅值，同時又與缺陷反射回波幅值相近，無法區(qū)分缺陷信號，使得測量長度約為L0+L1+L2(L0為缺陷設計長度，L1和L2為非缺陷反射回波影響帶來的測量長度)，深焦探頭長度測量原理示意如圖5所示，深焦探頭長度測量信號如圖6所示，深焦探頭的缺陷測量長度遠大于設計長度。

圖4 深焦探頭界面端角反射示意

圖5 深焦探頭長度測量原理示意

圖6 深焦探頭長度測量信號

圖7 淺焦探頭界面反射示意

對于淺焦距探頭，當超聲波聲束入射到本側植入坑焊縫與母材的界面上時，不會發(fā)生端角反射現(xiàn)象(見圖7)，界面反射回波遠弱于缺陷引起的反射回波。因為沒有干擾長度測量信號的存在(見圖8)，所以淺焦探頭對掃查面?zhèn)热毕葸M行長度測量時，缺陷的測量長度與設計長度偏差較小。

圖8 淺焦探頭長度測量信號

4 模擬試驗

為了對理論分析的結果進行確認，使用CIVA模擬軟件開展模擬試驗，并對試驗結果進行分析。

4.1 模擬試驗模型

為了確認缺陷制作加工時的植入坑對缺陷長度測量的影響，根據(jù)CIVA軟件本身的功能特點，采用平面工件這種簡化模型進行聲場模擬試驗?；灸Ｐ蛥?shù)設置如下所述。

(1) 工件：材料為奧氏體不銹鋼，厚度為82.6 mm，長度為1 000 mm，寬度為500 mm。

(2) 植入坑：高度為32 mm，長度方向貫穿整個工件，填充材料為不銹鋼焊縫材料，其聲阻抗與母材材料不同。

(3) 缺陷：半橢圓平面型缺陷，長度為40 mm，高度為26 mm，表面開口。

(4) 探頭：探頭模型參數(shù)見表2。

表2 探頭模型參數(shù)

(5) 掃查方式

① 采用模型參數(shù)如表2所示的深焦探頭，從缺陷對側實施模擬周向掃查，深焦探頭內側掃查模型如圖9所示。

圖9 深焦探頭內側掃查模型

② 采用模型參數(shù)如表2的淺焦探頭從缺陷所在的一側實施模擬周向掃查，淺焦探頭外側掃查模型如圖10所示。

圖10 淺焦探頭外側掃查模型

4.2 模擬試驗結果

(1) 當采用淺焦探頭從外側掃查時，植入坑焊縫與母材界面回波信號幅值遠弱于缺陷回波信號幅值(弱12 dB以上)，淺焦探頭掃查模擬結果如圖11所示。當采用缺陷最高幅值-12 dB法對缺陷測長時，植入坑焊縫與母材界面回波信號將對長度測量結果無影響。

圖11 淺焦探頭掃查模擬結果

(2) 當采用深焦探頭從內側進行掃查時，植入坑焊縫和母材界面回波信號幅值與缺陷回波信號幅值相當(差異不大于3 dB)，深焦探頭掃查模擬結果如圖12所示。當采用缺陷最高幅值-12 dB法對缺陷測長時，植入坑焊縫與母材界面回波信號將對長度測量結果產(chǎn)生影響。

圖12 深焦探頭掃查模擬結果

5 結論

(1) 在橫向缺陷制作加工過程中，由于植入坑焊縫與母材材料聲阻抗不同，沿植入坑長度方向，在植入坑兩側產(chǎn)生了聲阻抗不同的異質界面。

(2) 淺焦距超聲探頭在缺陷側掃查時，在該異質界面產(chǎn)生的反射回波遠弱于缺陷自身的反射回波，未對缺陷的長度測量產(chǎn)生干擾，缺陷測量長度與設計長度吻合。

(3) 深焦超聲探頭在缺陷對側掃查時，在該異質界面上產(chǎn)生的反射回波較強，與缺陷反射回波幅值相近，對缺陷的長度測量產(chǎn)生干擾，造成缺陷測量長度與設計長度的誤差較大。

(4) 長度測量異?，F(xiàn)象是由埋置缺陷后的材料差異引起的，這種材料差異使得端角反射回波信號與缺陷回波信號混合在一起，無法分辨區(qū)分。

(5) 在不銹鋼管道焊縫超聲驗證試塊的制作過程中，需要設計優(yōu)化的缺陷植入方法，減小植入坑材料與母材之間的聲阻抗差異，以避免材料差異造成的缺陷長度測量異常現(xiàn)象。