李守彬,夏中杰,孔晨光,范巖成

(1.大亞灣核電運(yùn)營管理有限責(zé)任公司,廣東深圳 518124;2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司,武漢 430000)

0 引言

法國壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則(RCC-M)中規(guī)定，大壁厚管道(單壁厚達(dá)43 mm)可實(shí)施的焊縫內(nèi)部檢測(cè)方法主要有射線探傷、超聲波檢測(cè)，而根據(jù)射線探傷工藝采取雙壁透照的曝光參數(shù)，單個(gè)焊縫(材質(zhì)TU48C，內(nèi)徑?194 mm，厚度41.5 mm/57 mm的不等厚焊縫)完成射線探傷檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)15 h，每臺(tái)核電機(jī)組有21條焊縫，在機(jī)組換料大修期間實(shí)施該項(xiàng)檢查，將給現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)工作帶來極大的放射源外照射風(fēng)險(xiǎn)。

相控陣檢驗(yàn)技術(shù)已在國內(nèi)的球罐焊縫[1]、鋼制對(duì)接接頭焊縫[2]、核級(jí)壓力容器及熱交換器管板焊縫[3-4]等多種設(shè)備和結(jié)構(gòu)的焊縫中得到廣泛應(yīng)用，并針對(duì)奧氏體不銹鋼[5]的粗晶粒焊縫開展了深入研究，提升了無損檢測(cè)技術(shù)的可靠性。

本文為了對(duì)比大壁厚管道不等厚環(huán)焊縫射線探傷和超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，提高焊縫的缺陷檢出率，提出相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用前盲測(cè)對(duì)比試塊的缺陷埋藏方案，設(shè)計(jì)、制作1∶1的人工缺陷模擬件，以進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)的對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，開發(fā)適合該焊縫結(jié)構(gòu)的相控陣超聲檢測(cè)工藝，作為無損檢測(cè)方法的補(bǔ)充。該相控陣超聲檢測(cè)方法相比手動(dòng)超聲檢測(cè)方法可解決部分探頭掃查角度范圍不足的問題，同時(shí)解決不等厚對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)時(shí)的缺陷定位、定量等技術(shù)難題，可在狹窄區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)焊縫全覆蓋掃查。

1 技術(shù)工藝方案

1.1 方案路線

工藝方案的具體步驟如下：(1)針對(duì)該焊縫結(jié)構(gòu)，評(píng)估可能產(chǎn)生的缺陷類型；(2)開展1∶1試驗(yàn)研究試塊的埋藏缺陷設(shè)計(jì)；(3)對(duì)10組埋藏缺陷進(jìn)行對(duì)比研究，并對(duì)試塊分別采用中心曝光、偏心曝光、雙壁單影曝光進(jìn)行射線檢測(cè)(RT)，對(duì)RT可靠性進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)與評(píng)估；(4)根據(jù)不等厚對(duì)接焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開展超聲參數(shù)仿真試驗(yàn)；(5)針對(duì)仿真結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)的工藝參數(shù)；(6)針對(duì)埋藏缺陷，進(jìn)行RT與PAUT的工藝對(duì)比試驗(yàn)；(7)根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，提出針對(duì)10組埋藏缺陷的檢測(cè)注意事項(xiàng)和操作要領(lǐng)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)解析

1.2.1 埋藏缺陷試塊的設(shè)計(jì)及制作

按照1∶1的比例制作模擬試塊，針對(duì)該類焊縫工況下的失效機(jī)理和易產(chǎn)生的焊接缺陷，設(shè)計(jì)試塊中的缺陷并依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)制作的10種人工自然缺陷涉及根部裂紋、近表面及橫向裂紋、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷。1～10號(hào)埋藏缺陷的詳細(xì)設(shè)計(jì)尺寸見表1。

表1 人工埋藏缺陷的設(shè)計(jì)參數(shù)

工藝驗(yàn)證試塊設(shè)計(jì)原則如下：

(1)參照ASME標(biāo)準(zhǔn)Ⅺ卷中的表IWB3514和壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則(RSEM)附錄5.2中表V 1.3進(jìn)行缺陷設(shè)計(jì)；根據(jù)ASME Ⅺ卷強(qiáng)制性附錄Ⅷ中鐵素體管道焊縫超聲檢測(cè)檢定要求中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行缺陷設(shè)計(jì)(10個(gè)缺陷，其中1個(gè)為軸向缺陷，其余為周向缺陷)；

(2)將被檢部件分成了3段(上表面1/3，中表面1/3，下表面1/3)，使缺陷盡量地均勻分布；

(3)考慮到探頭只能從閥側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)缺陷在管側(cè)時(shí)較難探測(cè)，故靠近閥側(cè)的缺陷設(shè)計(jì)了3個(gè)，其余的在焊縫中心或靠近管側(cè)；

(4)設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)滿足ASME標(biāo)準(zhǔn) Ⅺ卷的表IWB3514和RSEM 附錄5.2的表V 1.3中的缺陷，來驗(yàn)證超聲檢測(cè)能力。

1.2.2 RT檢測(cè)工藝可靠性試驗(yàn)研究

針對(duì)該特殊結(jié)構(gòu)焊縫埋藏的10組缺陷分別開展中心曝光、偏心曝光、雙壁單影曝光3種方式(見圖1)的RT可靠性試驗(yàn)研究，主要包括：(1)各曝光方法的埋藏缺陷檢出率與可靠性對(duì)比；(2)在幾何不清晰度不滿足的情況下，中心曝光和偏心曝光方式對(duì)各埋藏缺陷的檢出率。研究結(jié)果將為確定中心曝光可否作為一種曝光方式用于現(xiàn)場(chǎng)輔助檢測(cè)提供依據(jù)。

圖1 對(duì)試件進(jìn)行RT檢測(cè)的不同曝光方式實(shí)物照片

3種RT曝光方式對(duì)埋藏缺陷的檢出結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，根據(jù)此類結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，中心曝光或偏心曝光方式可以作為后續(xù)伴隨閥門解體實(shí)施的一種輔助在役檢測(cè)方法，用于缺陷檢測(cè)及確認(rèn)；對(duì)于D01根部裂紋及接近根部坡口處的D08,D09未熔合缺陷，原有的雙壁單影曝光方式由于透照厚度及方向等原因均無法檢出。

表2 不同RT曝光方式的缺陷檢出結(jié)果對(duì)比

1.2.3 結(jié)合超聲仿真制定PAUT檢測(cè)工藝

依據(jù)仿真結(jié)果、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要素及該焊縫結(jié)構(gòu)的超聲聲束覆蓋計(jì)算[6]，結(jié)果如圖2所示。

圖2 手動(dòng)超聲聲束覆蓋計(jì)算結(jié)果

確定如下PAUT參數(shù)：采用一維相控陣超聲波探頭，即頻率為5 MHz或4 MHz，晶片數(shù)量為32片，相鄰晶片的中心間距P=0.5 mm，單個(gè)晶片的寬度e=0.4 mm，晶片間隙g=0.1 mm，楔塊角度為36°(折射角為55°)[7]；或者是頻率為5 MHz 或4 MHz，晶片數(shù)量為16片，P=0.5 mm，e=0.4 mm，g=0.1 mm，楔塊角度為36°。

考慮到楔塊和檢測(cè)面接觸會(huì)有影響，由于最佳檢測(cè)面在圖2探頭1的位置(即不等厚焊縫閥門側(cè)臺(tái)階上)，臺(tái)階處外徑?308 mm，在檢驗(yàn)前加工了帶弧度AOD308 mm的楔塊以保證楔塊與檢測(cè)面充分貼合。輔助檢測(cè)面探頭2和探頭3位置，也加工帶弧度的楔塊保證楔塊與檢測(cè)面貼合。主檢測(cè)面探頭1處設(shè)置：采用二次波進(jìn)行檢驗(yàn)，扇掃角度35°～75°，角度分辨率1°，聚焦法則采用投影聚焦，聚焦線在焊縫中心線上。探頭2和探頭3掃查面參數(shù)設(shè)置：扇掃角度40°～75°，角度分辨率1°，聚焦法則采用深度聚焦FD=45 mm。

2 相控陣超聲檢測(cè)工藝

2.1 工藝參數(shù)選擇

(1)相控陣探頭晶片參數(shù)：頻率為5 MHz或4 MHz，晶片數(shù)量為32片或16片，P=0.5 mm，e=0.4 mm，g=0.1 mm，楔塊角度為36°，根據(jù)CIVA仿真結(jié)果以及后續(xù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)時(shí)優(yōu)先采用4 MHz L32的探頭。

(2)繪制距離-波幅曲線(即DAC或TCG)和角度增益補(bǔ)償曲線：①繪制對(duì)比試塊的距離-波幅曲線，確定基準(zhǔn)靈敏度；②繪制對(duì)比試塊的角度增益補(bǔ)償曲線；③采用一次波和二次波分開設(shè)置進(jìn)行檢測(cè)。

(3)檢測(cè)面及探頭位置：①檢測(cè)面及探頭位置如圖2所示，探頭1的位置為主要檢測(cè)面，探頭2和探頭3的位置為輔助檢測(cè)面，相控陣扇形掃查角度范圍為35°～70°；②探頭1距焊縫邊緣51 mm，探頭2距焊縫邊緣18 mm，探頭3距焊縫邊緣5 mm。

(4)掃查方式及掃查速度：①采用手動(dòng)掃查時(shí)，掃查速度不得大于150 mm/s；②采用編碼器掃查時(shí)，掃查速度不得大于20 mm/s，采用編碼器掃查時(shí)需要一個(gè)掃查裝置。

(5)掃查結(jié)果保存：①采用手動(dòng)掃查時(shí)，掃查結(jié)果保存為A掃查和扇形掃查圖像；②采用編碼器掃查時(shí)，掃查結(jié)果保存為A掃查、扇形掃查、B掃查及C掃查圖像，即采用三視圖形式保存結(jié)果。

2.2 試塊

(1)標(biāo)準(zhǔn)試塊：采用國產(chǎn)的CSK-IA試塊或MC2000標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試塊。

(2)對(duì)比試塊：①在被檢工件延長(zhǎng)部分截取；②材料和熱處理狀態(tài)均與被檢工件相同或相近(一般為加工所留的邊角料)；③采用聲學(xué)性能與被檢工件相同或相似的材料。

對(duì)比試塊的制作方法：(1)人工反射體采用直徑為2 mm的橫通孔；(2)對(duì)比試塊的厚度與被檢工件相同，寬度為30 mm，長(zhǎng)度應(yīng)至少能滿足一次反射波扇形掃查角度范圍的移動(dòng)空間要求，對(duì)比試塊的形狀應(yīng)與被檢工件具有相同或相近的曲率半徑；(3)第1個(gè)人工反射體位于表面下10 mm，第2個(gè)人工反射體位于厚度的1/2位置，第3個(gè)人工反射體位于厚度的3/4位置，并注意控制3個(gè)反射體之間的間隔。

3 對(duì)缺陷的定量分析

按照深度位置，該不等厚對(duì)接焊縫缺陷分為近外表面、埋藏、內(nèi)表面缺陷，在測(cè)試試塊所設(shè)計(jì)的10個(gè)缺陷均通過PAUT實(shí)現(xiàn)檢出，在缺陷定量方面，由于焊縫結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致超聲掃查面較窄，同時(shí)由于掃查面的厚度與焊縫實(shí)際厚度不一致，在缺陷定量上增加了檢測(cè)的難度，不能采用常規(guī)定量方法進(jìn)行[8]。

表3 缺陷設(shè)計(jì)尺寸與試驗(yàn)定量尺寸

由于縱波探頭無法進(jìn)行二次波檢查，采用橫波探頭及其二次波，并利用不同角度對(duì)焊縫進(jìn)行超聲檢查，按缺陷所在側(cè)(接管側(cè)或管道側(cè))坡口平面進(jìn)行計(jì)算，以此來對(duì)缺陷進(jìn)行更加準(zhǔn)確的定量[6，9]，若發(fā)現(xiàn)缺陷，也便于對(duì)缺陷位置實(shí)施返修[10-12]，針對(duì)缺陷的精確定量方法，本文以D08缺陷作為案例進(jìn)行計(jì)算說明，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的具體定量分析。

D08缺陷設(shè)計(jì)尺寸與試驗(yàn)定量尺寸如表3所示。長(zhǎng)度測(cè)量方法按最大幅值-12dB法進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。如圖3所示，找到D08缺陷的最大波幅，將最大波幅高度調(diào)整至80%滿屏，將最大波幅下降至20%滿屏的位置作為缺陷長(zhǎng)度的左右端點(diǎn)，分別為255.6°和268.5°，缺陷的長(zhǎng)度范圍為兩者差值12.9°。

圖3 缺陷長(zhǎng)度測(cè)量方法

位置計(jì)算方法為取長(zhǎng)度范圍的中心為缺陷位置。由長(zhǎng)度測(cè)量方法可知，D08缺陷的長(zhǎng)度范圍為255.6°～ 268.5°，中心位置約為262.1°。高度測(cè)量方法按上下端點(diǎn)讀取值相對(duì)高度計(jì)算。如圖4所示，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào)，D08上端點(diǎn)讀數(shù)D1為33.2 mm，下端點(diǎn)讀數(shù)D2為47.8 mm，兩者差值14.6 mm，即為該缺陷高度。

(a)D08上端點(diǎn) (b)D08下端點(diǎn)

深度計(jì)算方法由于該平面為非規(guī)則面，缺陷的深度信息需根據(jù)缺陷測(cè)量高度和坡口幾何尺寸信息計(jì)算得出，D08缺陷在閥側(cè)，如圖5,6所示，則其實(shí)際深度(以閥側(cè)坡口水平面為基準(zhǔn)面)應(yīng)為D1-(D-X1)=23.9 mm，即缺陷實(shí)際深度為23.9 mm。

圖5 埋藏缺陷分布及尺寸

圖6 掃查方式及裝置示意

4 結(jié)語

對(duì)該系統(tǒng)不等厚對(duì)接焊縫試塊的試驗(yàn)結(jié)果表明，為該相控陣工藝所設(shè)計(jì)制作的自動(dòng)掃查裝置及工藝可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的檢出，對(duì)于個(gè)別缺陷的再次核實(shí)，輔助以手動(dòng)PAUT進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，實(shí)測(cè)缺陷長(zhǎng)度的均方根誤差為10.30 mm，實(shí)測(cè)缺陷高度均方根誤差為1.56 mm，滿足ASME Ⅺ卷附錄Ⅷ規(guī)定的驗(yàn)證要求,

相對(duì)于傳統(tǒng)的射線檢測(cè)和手動(dòng)超聲檢測(cè)，相控陣超聲檢測(cè)因其所需掃查范圍小、檢測(cè)效率高、直觀、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)而越來越受到重視。值得注意的是，在針對(duì)某種特殊結(jié)構(gòu)焊縫實(shí)施新的檢測(cè)工藝之前，有必要先制作各類有針對(duì)性的埋藏缺陷，并經(jīng)過詳細(xì)地試驗(yàn)驗(yàn)證，以此作為采用新檢測(cè)工藝的前提。