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(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215026)

核電廠主回路系統(tǒng)和二三級(jí)部件中使用了大量的安放式BOSS頭焊縫，該類焊縫承受著和主管相同的溫度和壓力，易出現(xiàn)缺陷。BOSS頭焊縫的失效泄漏，將會(huì)影響機(jī)組的運(yùn)行和安全；特別是回路系統(tǒng)中還包含著放射性介質(zhì)，并且放射性介質(zhì)泄漏后的維修難度大，沾污風(fēng)險(xiǎn)高，會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組大修整體工期。

目前核電站支管角焊縫采用的無損檢測(cè)方法主要有射線[1]和滲透檢測(cè)法，但由于檢測(cè)對(duì)象的馬鞍形幾何特性，射線探傷易出現(xiàn)部分區(qū)域不可達(dá)的問題，并且存在需要使用射線源、工作過程繁瑣、有輻照風(fēng)險(xiǎn)、工期長(zhǎng)等局限性；而滲透檢測(cè)無法對(duì)管座角焊縫的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。而相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)[2]具有可多角度掃查、不同深度聚焦等特點(diǎn)，特別適合于核電站支管角焊縫掃查區(qū)域狹小、聲波衰減嚴(yán)重的場(chǎng)合。

筆者針對(duì)核電廠典型的BOSS頭焊縫的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)，開展了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的研究，主要內(nèi)容包括相控陣探頭設(shè)計(jì)、檢測(cè)工藝方案設(shè)計(jì)和人工缺陷驗(yàn)證，以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，并將檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 檢測(cè)方案

1.1 被檢對(duì)象分析

核電廠BOSS頭焊縫主要為手工焊接的安放式管座角焊縫，其基體金屬為奧氏體不銹鋼材料Z2CN18.10或Z2CND18.12N，填充金屬均為ER316L+E316L，焊縫坡口形式多樣。筆者選取兩種典型BOSS頭焊縫進(jìn)行分析，焊縫坡口形式如圖1所示，具體規(guī)格尺寸等參數(shù)見表1。

BOSS頭為工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)手工焊接，焊接完成后根據(jù)支管尺寸進(jìn)行鉆孔，再對(duì)焊縫表面進(jìn)行修磨，以保證表面圓滑過渡，避免出現(xiàn)焊接應(yīng)力集中問題，完成后進(jìn)行表面滲透檢測(cè)。但是由于現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)境、焊縫位置和人員狀態(tài)等因素影響，同種BOSS頭焊縫焊接成形的坡口角度、焊縫寬度和表面狀態(tài)等存在許多差異。

表1 核電廠典型BOSS頭焊縫的基本參數(shù) mm

圖1 核電廠典型BOSS頭焊縫坡口形式

1.2 相控陣探頭

核電廠BOSS頭焊縫材料為奧氏體不銹鋼，具有晶粒粗大和各項(xiàng)異性特征。粗晶會(huì)引起聲波衰減、信噪比下降問題，且會(huì)造成超聲聲束能量衰減大、在晶界發(fā)生散射以及波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象；各向異性特征會(huì)引起聲束彎曲，造成顯示定位不準(zhǔn)的問題；并且由于BOSS管座的尺寸限制，較小尺寸的探頭能量低，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力受到限制，但是大尺寸探頭耦合效果差，探頭可貼合范圍小。

針對(duì)上述難點(diǎn)，在相控陣探頭類型、頻率和晶片等參數(shù)選擇時(shí)考慮以下原則。

(1) 探頭類型：由于BOSS頭支管尺寸較小，相比于雙晶探頭,單晶線陣探頭的尺寸要小得多，更利于貼合BOSS表面，有利于缺陷檢出?？紤]工件小曲率的特點(diǎn)，采用弧面晶片探頭，為了提高探頭耦合度，將探頭表面加工成與接觸表面相同的弧度。

(2) 探頭頻率：以獲得最佳信噪比的原則選擇探頭頻率。通常，頻率范圍為1.5～3.5 MHz的超聲波在不銹鋼材料中具有較強(qiáng)的穿透性并可兼顧一定的分辨力。

(3) 探頭晶片：BOSS頭焊縫厚壁均小于28 mm，選用較大晶片探頭能夠獲得較大的能量，在滿足穿透能力前提下，盡量選擇小晶片探頭。

針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，利用專業(yè)超聲仿真軟件CIVA進(jìn)行仿真，依據(jù)仿真結(jié)果選擇了一維線陣探頭，其頻率為2.25 MHz,孔徑為8 mm×10 mm(主軸×次軸),晶片數(shù)量為16，楔塊類型為AOD42、101。所選相控陣探頭在兩種典型BOSS頭焊縫中的扇形掃查聚焦法則所產(chǎn)生的聲場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 相控陣探頭扇掃在BOSS頭中的聲場(chǎng)分布

由聲場(chǎng)的仿真計(jì)算結(jié)果可知，相控陣探頭聲場(chǎng)的-6 dB聚焦深度覆蓋范圍大于28.6 mm，可有效覆蓋典型BOSS頭焊縫的全壁厚范圍。

1.3 超聲工藝

針對(duì)這兩種 BOSS頭焊縫模型,采用1∶1比例繪制3D圖紙，導(dǎo)入CIVA仿真軟件，對(duì)超聲相控陣檢測(cè)工藝進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并對(duì)模擬缺陷檢出效果進(jìn)行仿真，驗(yàn)證工藝的可行性。對(duì)于第一種BOSS頭，可貼合探頭的直管段長(zhǎng)度僅為18 mm，而探頭本身長(zhǎng)16 mm，寬22 mm，前沿為8 mm，所以探頭只能貼在直管段檢測(cè)，可移動(dòng)范圍小于2 mm。由于直管段內(nèi)壁平整無螺紋結(jié)構(gòu)干擾，壁厚較薄，可利用一次波和二次波進(jìn)行檢測(cè)，仿真結(jié)果見圖3。

圖3 第一種BOSS頭相控陣超聲檢測(cè)工藝仿真

對(duì)于第二種BOSS頭，探頭可以貼合在斜管段(長(zhǎng)度約40mm)和焊縫上，可移動(dòng)范圍較大，具體移動(dòng)范圍受焊縫表面打磨情況影響。由于斜管段壁厚較大，且厚度是變化的，優(yōu)先考慮利用一次波進(jìn)行檢測(cè)，仿真結(jié)果見圖4。

圖4 第二種BOSS頭相控陣超聲檢測(cè)工藝仿真

超聲檢測(cè)能力的仿真研究工作主要針對(duì)危害性最大的裂紋缺陷。一般采用矩形缺陷來模擬裂紋和未熔合，筆者采用的缺陷尺寸高3 mm，長(zhǎng)5mm，用φ3 mm球型缺陷來模擬氣孔。使用相控陣探頭對(duì)典型BOSS頭焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，以其檢測(cè)深度φ2 mm橫通孔所獲得的A掃最高值為100%滿屏作為參考值，以此作為探頭掃查時(shí)的基準(zhǔn)靈敏度0 dB。設(shè)置的人工缺陷分別為焊縫根部裂紋和中部氣孔。

第一種BOSS頭根部裂紋和中部氣孔的缺陷回波幅值分別為DAC+4.6 dB和DAC-8.9 dB，仿真結(jié)果如圖5所示。第二種BOSS頭根部裂紋和中部氣孔的缺陷回波幅值分別為DAC+9.0 dB和DAC-9.4 dB，仿真結(jié)果如圖6所示。缺陷模擬仿真檢測(cè)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的檢測(cè)工藝可有效檢出焊縫中下部的體積和非體積性缺陷。

圖5 第一種BOSS頭相控陣超聲檢測(cè)仿真結(jié)果

圖6 第二種BOSS頭相控陣超聲檢測(cè)仿真結(jié)果

1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為實(shí)際驗(yàn)證設(shè)計(jì)的相控陣檢測(cè)工藝的檢測(cè)效果，按照兩種BOSS頭焊縫的設(shè)計(jì)圖紙和焊接工藝分別加工了兩個(gè)驗(yàn)證試塊，試塊的材料和熱處理狀態(tài)與核電廠BOSS頭的相同，試塊表面無任何凸起、氧化皮、焊渣以及其他妨礙探頭自由移動(dòng)的物質(zhì)，試塊表面粗糙度不超過6.3 μm，其實(shí)物外觀如圖7所示。

圖7 兩種BOSS頭驗(yàn)證試塊外觀

驗(yàn)證試塊中分別加工了3 mm內(nèi)壁刻槽和φ2 mm橫孔模擬缺陷，測(cè)試結(jié)果表明所開發(fā)的相控陣超聲檢測(cè)工藝能有效檢出內(nèi)壁3 mm刻槽和橫孔缺陷，兩種驗(yàn)證試塊的檢測(cè)結(jié)果分別如圖8,9所示。

圖8 第一種BOSS頭焊縫中缺陷的相控陣檢測(cè)結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

在某核電現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了若干BOSS頭焊縫的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片如圖10所示。在現(xiàn)場(chǎng)，大部分BOSS頭表面狀況滿足檢測(cè)要求，但是由于部分BOSS頭表面凹凸不平和堆焊情況各異，探頭無法貼合，部分BOSS頭或者部分區(qū)域不可檢。后續(xù)可考慮進(jìn)行表面處理后再檢測(cè)，或者增加高端柔性相控陣探頭進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)。

部分現(xiàn)場(chǎng)BOSS頭的檢測(cè)結(jié)果，以及與射線檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比見表2，從表2中可以看出相控陣檢測(cè)的結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果基本吻合，在缺陷的長(zhǎng)度和數(shù)量上稍有區(qū)別，相控陣檢測(cè)在缺陷定量和定性上不如射線檢測(cè)直觀。但是對(duì)于射線所檢出的大缺陷，均能檢出。其中第5和6號(hào)BOSS頭射線檢測(cè)出最長(zhǎng)5 mm的體積性夾雜缺陷，判定合格可接受，而相控陣檢測(cè)可能由于表面耦合或者結(jié)構(gòu)原因未發(fā)現(xiàn)明顯可記錄顯示，亦判定為合格。對(duì)于8號(hào)BOSS頭焊縫進(jìn)行相控陣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在9點(diǎn)～10點(diǎn)鐘方向，深度14.3 mm的地方有1個(gè)可記錄顯示，缺陷長(zhǎng)度15 mm，相控陣檢測(cè)結(jié)果和射線檢測(cè)結(jié)果見圖11。

圖9 第二種BOSS頭焊縫中缺陷的相控陣檢測(cè)結(jié)果

圖10 核電現(xiàn)場(chǎng)BOSS頭焊縫檢測(cè)

圖11 8號(hào)BOSS頭焊縫相控陣和射線檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

序號(hào)主管尺寸接管類型熔敷厚度/mmBOSS外徑/mm相控陣檢測(cè)缺陷數(shù)量相控陣檢測(cè)缺陷長(zhǎng)度/mmRT排查結(jié)果112″1/2″17.7445可記錄顯示1個(gè)8最長(zhǎng)長(zhǎng)度為15 mm(沿坡口)未熔合212″3/4″22.7455可記錄顯示1個(gè)7最長(zhǎng)長(zhǎng)度為5 mm,氣孔36″1/2″17.7445可記錄顯示2個(gè)7,5最長(zhǎng)長(zhǎng)度為20 mm,夾渣46″3/4″22.7455可記錄顯示1個(gè)15最長(zhǎng)長(zhǎng)度為15 mm×2夾渣,?4 mm氣孔512″1/2″17.7445無明顯可記錄顯示-最長(zhǎng)長(zhǎng)度為5 mm,夾渣612″1/2″17.7445無明顯可記錄顯示-長(zhǎng)度為5 mm,夾渣712″1/2″17.7445可記錄顯示1個(gè)20長(zhǎng)度為10 mm,未熔合83″3/4″12.2540可記錄顯示1個(gè)15長(zhǎng)度為20 mm,夾雜

相比于射線檢測(cè)，相控陣超聲檢測(cè)可在不移動(dòng)或者少移動(dòng)的情況下，進(jìn)行多角度和多方向掃查，檢測(cè)效率高，僅需兩人即可實(shí)施檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間短，不影響大修期間周邊其他作業(yè)，無輻照風(fēng)險(xiǎn)，可用于代替部分射線檢測(cè)，節(jié)省大修工期。

3 結(jié)語

針對(duì)BOSS頭焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和奧氏體不銹鋼的材料特點(diǎn)，開發(fā)了核電廠典型BOSS頭焊縫相控陣檢測(cè)工藝，并在模擬缺陷試塊和核電現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證和應(yīng)用。結(jié)果表明，所開發(fā)的相控陣超聲檢測(cè)工藝能夠有效檢出核電廠BOSS焊縫內(nèi)表面缺陷，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的檢測(cè)結(jié)果與射線檢測(cè)結(jié)果有一定區(qū)別，但對(duì)較大缺陷均能檢出；相控陣超聲檢測(cè)效率高于射線檢測(cè)，可對(duì)大修期間部分表面狀況良好的BOSS頭改用相控陣檢測(cè)替代射線檢測(cè)，還可對(duì)因空間結(jié)構(gòu)受限而無法實(shí)施射線檢測(cè)的BOSS頭焊縫實(shí)施補(bǔ)充相控陣檢測(cè)，以提高BOSS頭排查效率和覆蓋率，節(jié)約大修檢測(cè)工期。