(中核武漢核電運行技術股份有限公司浙江分公司，海鹽 314300)

為了準確測量核電廠運行過程中工作介質(zhì)的溫度、壓力等參數(shù)，在母管中需接入一定數(shù)量的測量管線，這些測量管線一般設計為安放式接管，接管通過不銹鋼適配器焊接到碳鋼母管上，這種焊縫被稱為異種金屬對接焊縫。異種金屬對接焊縫廣泛應用于核電廠的核級管道中，在長期高溫、高壓、輻照的在役條件下，可能產(chǎn)生疲勞、裂紋等危險類缺陷。某核電廠運行過程中，其主管道小徑管適配器接頭異種金屬對接焊縫熔合線至不銹鋼母材10 mm區(qū)域內(nèi)發(fā)生兩次漏水事件，金相分析后發(fā)現(xiàn)泄漏的原因是裂紋從適配器接頭不銹鋼母材內(nèi)表面產(chǎn)生后逐步延伸到了外表面，這嚴重影響了核電機組的安全穩(wěn)定運行，因而保證適配器接頭不銹鋼母材的完整性顯得尤其重要。由于液體滲透方法無法對適配器接頭不銹鋼母材內(nèi)側(cè)進行檢測，而射線檢測方法對裂紋類缺陷的檢測又存在一定局限性，因此，筆者選擇相控陣超聲檢測方法，針對該小徑管適配器接頭不銹鋼母材的結構特點和易產(chǎn)生缺陷的位置，確定了合適的檢測工藝，對適配器接頭不銹鋼母材進行檢測，取得了較好的檢測效果。

1 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測的核心是基于惠更斯原理的相位控制。相控陣探頭由多個壓電晶片按一定的規(guī)律分布排列，激發(fā)時按預先設定的延遲時間分別激發(fā)各個晶片，所有晶片發(fā)射的超聲波形成一個整體波陣面，能有效地控制發(fā)射超聲束的形狀和方向，實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦[1]。其為確定不連續(xù)性的形狀、大小和方向提供了比單個或多個探頭系統(tǒng)更大的能力。相控陣超聲檢測技術具有獨特的優(yōu)點，可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)焦點位置和尺寸的動態(tài)可調(diào)，可以保證在整個聲程范圍內(nèi)獲得較為一致的檢測分辨力，并提高檢測速度；相控陣超聲檢測技術采用機械掃描和電子掃描相結合的方法來實現(xiàn)圖像成像，掃查圖形以A，B，C，S視圖等多種形式呈現(xiàn)，顯示更直觀，給實際檢測提供了極大的便利。相控陣掃查示意及其成像圖如圖1所示。

圖1 相控陣超聲掃查示意與成像圖

2 檢測對象

檢測對象為某核電廠主管道小徑管適配器接頭焊縫，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ26.5 mm×4 mm，檢測范圍為不銹鋼側(cè)焊縫熔合線至不銹鋼母材10 mm區(qū)域，如圖2中方框區(qū)域。

圖2 檢測對象實物與檢測區(qū)域示意

3 檢測工藝的確定

3.1 超聲波檢測儀

小徑管適配器接頭不銹鋼母材檢測面的管壁薄，管徑很小,在檢測時往往產(chǎn)生很多干擾波，所以小徑管適配器接頭在廠房里面分布的位置較廣，故宜選擇具有較高分辨率和較窄始脈沖寬度，且輕巧便攜、屏幕光亮度好、操作系統(tǒng)簡便的儀器。同時為了便于信號的分析和處理，要選擇能儲存和記錄超聲波信號的超聲波檢測儀。試驗采用滿足上述要求的Omniscan MX2型便攜式相控陣超聲檢測儀，其不僅具有高采集速率，而且有多種強大的軟件功能，可更有效地進行手動檢測。

3.2 探頭和楔塊

與所有傳感器系統(tǒng)一樣，相控陣超聲檢測系統(tǒng)的核心是探頭。相控陣超聲探頭需使用不同形狀的多陣元換能器來滿足構件檢測的需求。探頭的頻率對檢測有較大的影響，頻率越高，靈敏度和分辨力越高，對檢測越有利；但頻率越高，衰減越大，又對檢測不利。超聲檢測用的探頭頻率主要取決于被測材料晶粒粗細及工件厚度等，文中采用橫波檢測，頻率為5 MHz。相控陣超聲探頭一般有16到128個晶片，隨著晶片數(shù)量的增多，聲波聚焦與電子偏轉(zhuǎn)的能力會增強，同時檢測所覆蓋的區(qū)域也會擴大，然而探頭的成本也會增加，文中要求在較小的檢測對象中進行多角度的檢測，因此探頭設計不需要太多的晶片和太大的孔徑[2]。相控陣探頭組合件除了陣列探頭本身，還包括4個塑料楔塊，該楔塊曲率與適配器接頭母材的曲率一致。制定工藝中的相控陣超聲探頭具體參數(shù)為：探頭型號,5S16-0.5×10;頻率,5.0 MHz;晶片間距,0.5 mm;晶片寬度,10 mm;晶片數(shù)量,16;標稱角度,50°;波型為橫波，楔塊用途如表1所示。

表1 楔塊用途

3.3 參考試塊

根據(jù)被檢對象規(guī)格制定了合適的參考試塊，主要用于基準靈敏度的設置，在試塊上刻傷，共3個槽，槽深0.4 mm，槽寬0.1 mm，槽長5 mm，均為內(nèi)表面槽。參考試塊槽1為軸向槽，徑向方向，槽一端的端點離管口2 mm；槽2為周向槽，圓周方向，槽中心離管口2 mm；槽3為斜45°槽，沿周向(或徑向)偏轉(zhuǎn)45°，槽一端的端點離管口2 mm。參考試塊的刻傷圖紙如圖3所示。

圖3 參考試塊刻傷圖紙

3.4 耦合劑

所用的耦合劑對受檢部件不能有腐蝕作用，且工作結束后易清除。文中選用吳江宏達探傷器材有限公司生產(chǎn)的CG-08型核工業(yè)專用耦合劑。

4 檢測步驟

4.1 聲束覆蓋范圍設置

對小管徑適配器接頭不銹鋼母材進行相控陣超聲扇形掃查時，應正確選擇探頭前沿至焊縫熔合線的距離，保證扇形掃查中大角度聲束(一次波)覆蓋母材內(nèi)表面，小角度聲束(二次波)覆蓋母材外表面，以達到對適配器接頭母材100%的檢測[3]。進行檢測時，用超聲軟件UltraVision 3.3R4模擬聲束的覆蓋范圍，該工具軟件能模擬顯示母材截面及不同角度的波束覆蓋情況。通過模擬效果找到適當?shù)牟ㄊ嵌确秶?確定采用35°～70°。軸向檢測和周向檢測的模擬聲束如圖4所示。

圖4 軸向檢測和周向檢測的模擬聲束

4.2 延遲和角度補償

雖然在儀器初始設置過程中輸入了探頭與楔塊等相關參數(shù)，但是輸入的參數(shù)與實際參數(shù)的誤差、楔塊磨損、掃查角度、耦合劑等因素都會影響實際的延遲數(shù)值，因此在靈敏度設置前進行了探頭延遲補償。探頭延遲的測量方法是首先在聲速固定的情況下，移動探頭尋找相應試塊圓弧面的最大反射波幅，相控陣軟件記錄最大反射波幅，對整個角度范圍進行延遲補償。角度補償過程中，移動探頭獲得某一固定標準反射體的回波包絡，儀器將自動實現(xiàn)角度增益補償標定。

4.3 基準靈敏度設置

對于相控陣探頭和楔塊組合，選擇折射角為45°，將參考試塊中的對應內(nèi)表面槽信號的幅值調(diào)整至屏幕高度的80%左右，此時的儀器增益值即為基準靈敏度。

4.4 表面條件準備

受檢表面不得有油漆、氧化皮、干耦合介質(zhì)以及可能妨礙探頭自由移動、影響超聲波在工件中的良好傳播或引起判斷錯誤的任何其他雜物以及表面的不平整情況。

4.5 掃查

用相控陣超聲探頭，配合相應的楔塊在管道外表面焊縫不銹鋼側(cè)對檢測區(qū)域進行軸向、周向和偏轉(zhuǎn)掃查，掃查速度不能超過75 mm·s-1，如果耦合條件不佳時，需降低掃查速度。測長和測高時，掃查速度不能超過25 mm·s-1。

4.6 記錄

對于超過記錄閾值的缺陷顯示應予以分析，記錄所發(fā)現(xiàn)平面狀特征顯示的最大回波信號幅值，測量并記錄發(fā)現(xiàn)顯示信號時的探頭空間位置，在三維結構圖紙中標記探頭位置；從扇掃圖中讀取顯示信號所處的相對空間位置(聲束角度以及距離)，結合三維圖最終獲得相應的顯示信號位置。

5 檢測試驗

為了有效驗證上述檢測系統(tǒng)的可靠性，采用上述工藝對模擬試件進行檢測。模擬試塊采用核電廠運行使用過的適配器接頭不銹鋼母材，在母材內(nèi)表面刻有3個不同方向的深0.2 mm的槽，模擬試件如圖5所示。對模擬試塊進行檢測，結果顯示槽1，2，3反射的波形均十分明顯，完全能夠分辨出來，其對應的顯示信號如圖6～8所示。

圖5 適配器接頭不銹鋼母材模擬試件

圖6 模擬試件中槽1對應的相控陣超聲檢測信號

圖7 模擬試件中槽2對應的相控陣超聲檢測信號

圖8 模擬試件中槽3對應的相控陣超聲檢測信號

6 現(xiàn)場實際應用

在某核電機組停堆大修中，采用上述工藝對廠房內(nèi)6處小徑管適配器接頭焊縫不銹鋼母材及9個預制件實施了相控陣超聲檢測，檢驗區(qū)域為適配器側(cè)焊縫熔合線至不銹鋼母材10 mm區(qū)域。檢測結果如下：在A適配器接頭焊縫不銹鋼母材上發(fā)現(xiàn)2處軸向顯示，在B適配器接頭焊縫不銹鋼母材上發(fā)現(xiàn)1處周向顯示, 其余4條適配器接頭焊縫不銹鋼母材及預制件上未發(fā)現(xiàn)可記錄顯示，缺陷數(shù)據(jù)見表2(表中x表示周向位置，y表示軸向位置，D表示深度)。A適配器接頭焊縫不銹鋼母材上的顯示見圖9和圖10，缺陷位置見圖11；B適配器接頭焊縫不銹鋼母材上的顯示見圖12，缺陷位置見圖13。核電廠維修部門對發(fā)現(xiàn)顯示的兩個適配器進行了處理，用檢測合格的預制件對其進行了更換。新更換的適配器接頭不銹鋼母材應用效果良好，運行1年多未發(fā)生開裂現(xiàn)象。

圖9 A適配器接頭焊縫不銹鋼母材上編號為D01的缺陷顯示

圖10 A適配器接頭焊縫不銹鋼母材上編號為D02的缺陷顯示

圖11 A適配器接頭焊縫不銹鋼母材缺陷位置示意

圖12 B適配器接頭焊縫不銹鋼母材上編號為D01的缺陷顯示

圖13 B適配器接頭焊縫不銹鋼母材缺陷位置示意

表2 適配器接頭焊縫不銹鋼母材缺陷數(shù)據(jù)

7 結論

根據(jù)小管徑適配器接頭焊縫不銹鋼母材的結構特點，通過對相控陣超聲的原理分析確定了其相控陣超聲檢測工藝，包括檢測波形、探頭頻率、角度、晶片尺寸等。對模擬試件的檢測以及現(xiàn)場實際應用結果表明，采用的工藝基本能夠滿足質(zhì)量檢測的要求。