(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

反應(yīng)堆壓力容器主管道是保證核電站一回路壓力邊界完整性的關(guān)鍵部件，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)核反應(yīng)堆壓力容器接管焊縫缺陷，我國(guó)核安全法規(guī)要求定期對(duì)接管安全端焊縫進(jìn)行超聲檢查[1-2]。反應(yīng)堆壓力容器接管安全端與主管道對(duì)接接頭屬于奧氏體不銹鋼同種鋼焊縫，受奧氏體不銹鋼晶粒粗大和焊接結(jié)構(gòu)，以及焊縫厚度較大等因素影響，對(duì)其實(shí)施常規(guī)超聲檢測(cè)的難度較大，需要采用多角度、多種聚焦深度的雙晶縱波探頭進(jìn)行分層檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)全范圍覆蓋[3-5]。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是一種先進(jìn)的超聲檢測(cè)技術(shù)，相比常規(guī)超聲檢測(cè)，其可以通過(guò)設(shè)定不同的聚焦法則，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)對(duì)象的多角度、多方位掃查，并將信號(hào)顯示為直觀的圖像，而且相控陣探頭檢測(cè)靈敏度相對(duì)更高。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的檢測(cè)中[6]，如盧威等[7]針對(duì)反應(yīng)堆壓力容器接管安全端異種金屬焊縫開(kāi)展了相控陣檢測(cè)技術(shù)分析和試驗(yàn)研究。謝航等[8]針對(duì)奧氏體不銹鋼環(huán)焊縫的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了研究。嚴(yán)宇等[9]針對(duì)核電站主管道奧氏體不銹鋼焊縫，制定了相控陣超聲檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了相控陣在核電站主管道焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用。

文章針對(duì)反應(yīng)堆壓力容器接管安全端與主管道對(duì)接同種鋼焊縫展開(kāi)相控陣探頭技術(shù)研究，闡述了研究過(guò)程中相控陣探頭的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，相控陣探頭的布置方式及數(shù)據(jù)分析方法，并與常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 接管安全端同種鋼焊縫相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

1.1 相控陣探頭參數(shù)設(shè)計(jì)方法

根據(jù)相控陣探頭晶片參數(shù)及尺寸對(duì)檢測(cè)效果的影響，選用已有的相控陣探頭進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),以確定相控陣探頭的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

(1) 晶片數(shù)量選擇

由于在進(jìn)行實(shí)際掃查時(shí)，要求在聲束相對(duì)的兩個(gè)方向各布置一個(gè)相控陣探頭，而目前內(nèi)表面自動(dòng)超聲檢查主要使用的DYNARAY-Lite型相控陣超聲儀器的通道數(shù)為64/64 PR(發(fā)射/接收)，因此每個(gè)相控陣探頭的最大發(fā)射晶片/接收晶片數(shù)為32片。同時(shí)，考慮到需要預(yù)留部分常規(guī)通道用于其他檢測(cè)需求，故將相控陣探頭主軸晶片數(shù)量設(shè)計(jì)為7片，副軸方向晶片數(shù)量設(shè)計(jì)為4片，以保證二維相控陣探頭有一定的聲束偏轉(zhuǎn)能力，實(shí)現(xiàn)焦距的可調(diào)性。

(2) 主副軸孔徑選擇

選用已有的二維雙晶面陣相控陣探頭，通過(guò)設(shè)置不同的激活孔徑，尋找主管道同種不銹鋼周向標(biāo)定試塊(見(jiàn)圖1)上的底面槽(深1.45 mm)，測(cè)得其信噪比來(lái)設(shè)計(jì)合適的孔徑大小。

圖1 主管道同種不銹鋼周向標(biāo)定試塊結(jié)構(gòu)示意

在主軸激活孔徑為27 mm，副軸激活孔徑為15 mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)槽信號(hào)信噪比約為14 dB；在主軸激活孔徑為18 mm，副軸激活孔徑不變時(shí)，發(fā)現(xiàn)槽信號(hào)信噪比約為9 dB?？梢?jiàn)，主軸孔徑設(shè)計(jì)在18 mm以上時(shí)，均具有較好的信噪比。

圖2 不銹鋼軸向標(biāo)定試塊結(jié)構(gòu)示意

圖3 不同激活孔徑下的聲場(chǎng)焦距

同時(shí)，采用結(jié)構(gòu)如圖2所示的不銹鋼標(biāo)定試塊上的不同深度孔制作TCG(時(shí)間-增益補(bǔ)償)曲線，測(cè)試主軸激發(fā)孔徑一定時(shí)，兩種不同副軸激活孔徑下[45FD70(為聚焦法則，表示工件中的聲束角度為45°，聚焦深度為70 mm)，下同)全激發(fā)時(shí)副軸激活孔徑為15 mm；激發(fā)兩排副軸時(shí)激活孔徑為10 mm]的聲場(chǎng)焦距，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。兩種激活孔徑下實(shí)測(cè)焦點(diǎn)均為50 mm，雖與理論聚焦深度誤差較大，但遠(yuǎn)離焦點(diǎn)深度的孔的靈敏度最大差值小于4 dB，有效檢測(cè)深度可達(dá)85 mm；副軸孔徑設(shè)計(jì)為15 mm左右，即可滿足焦距的聚焦要求。

為便于機(jī)械安裝、夾持以及考慮表面接觸效果，探頭的總體尺寸不宜過(guò)大，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將相控陣探頭的主軸激活孔徑設(shè)計(jì)為1827 mm，副軸激活孔徑設(shè)計(jì)為15 mm左右，即可滿足實(shí)際的檢測(cè)范圍要求。

(3) 楔塊角度對(duì)偏轉(zhuǎn)角度的聲場(chǎng)影響

依據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，相控陣探頭出現(xiàn)柵瓣的理論大都根據(jù)無(wú)楔塊時(shí)進(jìn)行分析，且針對(duì)一維探頭的推導(dǎo)，對(duì)帶楔塊的矩陣，特別是雙晶矩陣探頭產(chǎn)生柵瓣及其他干擾信號(hào)的相關(guān)研究較少，但楔塊的存在會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)。結(jié)合上述試驗(yàn)探頭，采用仿真技術(shù)，通過(guò)設(shè)置探頭參數(shù)在45FD70法則下，來(lái)改變楔塊角度，觀察和分析聲場(chǎng)聲束，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同楔塊角度時(shí)，45FD70法則下的聲束

圖5 楔塊角度為20°時(shí),70FD10法則下的聲束

由圖4可見(jiàn)，其柵瓣隨著楔塊角度的變大，趨于消失。聚焦法則為70FD10時(shí)其聲場(chǎng)如圖5所示，大角度聲束上也沒(méi)有柵瓣波存在。因此在晶片尺寸大于波長(zhǎng)時(shí)，在一定的楔塊角度及偏轉(zhuǎn)角度下，其柵瓣及干擾信號(hào)不一定存在影響。

綜上所述，最終確定了適合內(nèi)表面水下安全端同種鋼焊縫檢查的專用相控陣探頭參數(shù)。

1.2 相控陣探頭法則和聲場(chǎng)驗(yàn)證

采用仿真試驗(yàn)，對(duì)相控陣探頭參數(shù)進(jìn)行相控陣法則和相控陣聲場(chǎng)驗(yàn)證，結(jié)果如圖6所示。驗(yàn)證結(jié)果表明探頭能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)相控陣法則，同時(shí)相控陣探頭產(chǎn)生的超聲波聲場(chǎng)滿足指標(biāo)要求，其聲場(chǎng)均無(wú)明顯柵瓣，-6 dB焦距深度可覆蓋厚度區(qū)域(見(jiàn)圖7)。

圖6 不同相控陣聚焦法則時(shí)，探頭的聲場(chǎng)模擬信息

圖7 不同相控陣聚焦法則的聲場(chǎng)覆蓋對(duì)比

1.3 相控陣探頭與常規(guī)探頭的檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)

為了確定設(shè)置不同聚焦法則的相控陣探頭，來(lái)替代常規(guī)技術(shù)中37TRL1.5FS80(指工件中聲束角度為37°，收發(fā)式雙晶縱波，頻率為1.5 MHz，聚焦聲程為80 mm，下同)、45TRL1.5FS60、45TRL1FS85、60TRL2FS30和70TRL2FS25型探頭的可行性，對(duì)各相控陣探頭在不同的聚焦法則下與常規(guī)探頭的TCG曲線進(jìn)行實(shí)測(cè)對(duì)比。同時(shí)，為了選取合適的聚焦法則來(lái)替代原常規(guī)探頭，根據(jù)曲線制作情況，另增加幾種聚焦法則來(lái)與常規(guī)探頭充分比較，其中包括用相控陣探頭設(shè)置聚焦法則45FD10和45FD30，來(lái)替代常規(guī)技術(shù)中的45TRL4FS15、45TRL4FS30定量探頭，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)曲線對(duì)比結(jié)果，確定相控陣探頭替代常規(guī)探頭的方案，如表1所示(表中T為被檢件厚度)。

2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

2.1 設(shè)備及試塊

采用DYNARAY(64/256PR)和DYNARAY-Lite(64/64PR)型相控陣超聲儀進(jìn)行試驗(yàn)，試塊為帶有設(shè)計(jì)缺陷的不銹鋼主管道同種焊縫試塊，尺寸(直徑×壁厚)為952.5 mmX82.5 mm，試塊上不同尺寸和位置的缺陷信息如表2所示。

表1 二維相控陣探頭替代常規(guī)探頭的對(duì)應(yīng)信息

2.2 試驗(yàn)方法

使用不同聚焦法則的相控陣探頭來(lái)替代文中常規(guī)技術(shù)使用的探頭，在參考試塊上制作好TCG曲線，設(shè)置相應(yīng)掃查靈敏度后在包含缺陷的試塊上進(jìn)行柵格掃查，掃查方式如圖9所示。在圖9(a)中，聲束角度為60°/70°雙晶縱波， 45°雙晶縱波，37°雙晶縱波；聲束方向?yàn)榇怪焙缚p；掃查方向?yàn)榇怪焙缚p，掃查軸分辨率為1 mm；步進(jìn)方向?yàn)槠叫泻缚p，步進(jìn)值為4 mm。圖9(b)中，采用固定角度法則；聲束角度為60°/70°雙晶縱波，45°雙晶縱波，37°雙晶縱波；聲束方向?yàn)槠叫泻缚p；掃查方向?yàn)槠叫泻缚p，掃查軸分辨率為1 mm；步進(jìn)方向?yàn)榇怪焙缚p，步進(jìn)值為4 mm。

表2 試塊中人工缺陷的設(shè)計(jì)參數(shù)

圖9 探頭掃查方式

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不銹鋼主管道同種焊縫試塊進(jìn)行相控陣檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷后，采用-6 dB法進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)，端點(diǎn)衍射法或端部最大回波法進(jìn)行測(cè)高，典型的信號(hào)顯示如圖10所示。為了對(duì)比檢查結(jié)果，將相控陣的檢查結(jié)果同常規(guī)超聲的檢查結(jié)果，以及缺陷的設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。試塊的超聲檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)表面開(kāi)口平面型缺陷、埋藏缺陷和外表面開(kāi)口缺陷的檢測(cè)，相控陣探頭和楔塊能夠?qū)崿F(xiàn)聲波對(duì)被檢管道的全體積覆蓋。采用相關(guān)公式計(jì)算缺陷自身高度和長(zhǎng)度的均方根誤差，結(jié)果分別為：相控陣技術(shù)得到的缺陷自身高度均方根誤差為1.1 mm，缺陷長(zhǎng)度均方根誤差為5.2 mm；常規(guī)超聲技術(shù)得到的缺陷自身高度均方根誤差為1.4 mm，缺陷長(zhǎng)度均方根誤差為6.9 mm，均滿足ASME規(guī)范XI卷 《核電廠部件在役檢查規(guī)則》 中的高度均方根誤差小于3 mm，長(zhǎng)度均方根誤差小于19 mm的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)反應(yīng)堆壓力容器接管安全端同種鋼焊縫的檢測(cè)，提出采用內(nèi)表面相控陣自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)替代常規(guī)自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)。選用二維雙晶面陣探頭，通過(guò)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)置的焦距法則45FD70、37FD70(周向)、45FD50、60FD15、70FD10、45FD30、45FD10可以有效代替常規(guī)檢測(cè)探頭，設(shè)計(jì)的相控陣檢測(cè)技術(shù)方案的缺陷長(zhǎng)度定量均方根誤差為5.2 mm，缺陷高度定量均方根誤差為1.1 mm，定量結(jié)果滿足ASME規(guī)范要求，檢測(cè)及定量能力均優(yōu)于常規(guī)探頭，并能有效減少現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)間。通過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，該技術(shù)可以推廣到反應(yīng)堆壓力容器接管安全端異種鋼焊縫的檢測(cè)中。

表3 試塊中人工缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖10 相控陣檢測(cè)典型缺陷信號(hào)示例