ASG管腳焊縫超聲檢測(cè)缺陷定位

賀志清，賈志興

（國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)公司，上海 200233）

在ASG管腳焊縫超聲檢測(cè)中，受探頭、工件結(jié)構(gòu)、焊縫成形等因素影響，會(huì)存在缺陷的定位不準(zhǔn)的困難，進(jìn)而影響檢測(cè)過程及結(jié)果。傳統(tǒng)繪圖法雖然可以解決大部分定位問題，但存在的問題頗多。如傳統(tǒng)繪圖法需要現(xiàn)場(chǎng)大量時(shí)間對(duì)焊縫進(jìn)行取型及測(cè)量，增加了檢測(cè)人員的工作量；傳統(tǒng)繪圖法對(duì)尺寸測(cè)量步驟依賴性大，任一環(huán)節(jié)的疏忽都需要檢測(cè)人員重復(fù)去現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，而在核電廠存在輻射風(fēng)險(xiǎn)的特殊環(huán)境下，檢測(cè)人員無法長時(shí)間在現(xiàn)場(chǎng)工作。筆者在對(duì)國內(nèi)某電廠ASG管腳焊接件（圖1）進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，缺陷在焊縫寬度方向的定位與射線底片存在明顯差異。筆者利用改良的作圖法找出了聲束穿透焊縫的聲程范圍與聲程、探頭所處位置三者之間的關(guān)系，采用圖表形式表示出來，準(zhǔn)確確定了缺陷的位置。

1 檢測(cè)背景及難點(diǎn)

1.1 檢測(cè)背景

核島內(nèi)輔助給水系統(tǒng)（ASG）管道與主給水系統(tǒng)（ARE）管道連接的管嘴焊縫為安放式全焊透管座角焊縫，其現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)型式見圖1。主給水系統(tǒng)和輔助給水系統(tǒng)在核島較為重要，其安全級(jí)別分別為核2級(jí)及核2，3級(jí)。

1.2 檢測(cè)難點(diǎn)

受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無法使用射線及內(nèi)表面超聲檢測(cè)方法對(duì)役前檢測(cè)進(jìn)行跟蹤。筆者在對(duì)ASG管腳焊接件進(jìn)行外表面超聲檢測(cè)時(shí)，探頭對(duì)缺陷的定位在焊縫寬度方向與射線底片之間存在明顯差異。究其原因可能是因焊縫表面余高及試件結(jié)構(gòu)所致（圖2）。受試件結(jié)構(gòu)影響，超聲檢測(cè)只能進(jìn)行外表面檢測(cè)，且現(xiàn)場(chǎng)存在輻射風(fēng)險(xiǎn)，給檢測(cè)工作造成了一定的困難。

圖2 聲程范圍

2 方法的討論

2.1 圖表方法的討論說明

現(xiàn)假設(shè)探頭穿過工件過程中，一次波通過焊縫熔合面所截取的聲程范圍為XA－XB；二次波通過焊縫熔合面所截取的聲程范圍為Xa－Xb（圖2）。如圖所示，當(dāng)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)在 XA－XB、Xa－Xb之內(nèi)時(shí)，那么它即為缺陷信號(hào)。

聲束在焊縫熔合面內(nèi)的傳播不可見，但探頭所處位置的變化可見。而聲束在焊縫熔合面內(nèi)的傳播與探頭位置之間存在一定關(guān)系。管腳焊縫各位置所具焊縫截面圖并不一致，如圖3所示?，F(xiàn)選取90°，270°位置試樣示意圖，如圖3（b）所示。

在對(duì)該管腳焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，所使用探頭的前沿長度L0＝5mm、折射角45°，假設(shè)支管側(cè)焊縫外表面邊緣為P1點(diǎn)，支管側(cè)焊縫根部邊緣為P2點(diǎn)（圖4），則探頭在掃查過程中存在以下幾個(gè)基本狀態(tài)：

（1）位置A 探頭前沿緊鄰焊縫邊緣，超聲波以一次波入射，探頭入射點(diǎn)O與P1點(diǎn)的最小距離為L0。

圖4 掃查狀態(tài)

圖5 90°和270°位置

（2）位置B 超聲波以一次波入射，穿過支管側(cè)母材后到達(dá)P2點(diǎn)。

（3）位置C 超聲波以二次波入射，穿過支管側(cè)母材后到達(dá)P1點(diǎn)。

檢測(cè)過程中，探頭由位置A向遠(yuǎn)離焊縫側(cè)逐步移動(dòng)，探頭入射點(diǎn)O與P1點(diǎn)的距離L也逐步增大，并且：

（1）探頭處于位置A（L＝L0）時(shí)，按照該管腳焊縫截面尺寸，超聲波在焊縫內(nèi)穿過焊縫熔合面的聲程范圍為22.13mm。

（2）探頭遠(yuǎn)離位置A向B移動(dòng)時(shí)，超聲波均以一次波進(jìn)行入射，L0＜L≤LBP1。

（3）探頭遠(yuǎn)離位置B向C移動(dòng)時(shí)，超聲波均以二次波進(jìn)行入射，LBP1＜L≤LCP1。

（4）探頭遠(yuǎn)離位置C以后，超聲波以三次波進(jìn)行入射。

（5）聲束不發(fā)生改變（探頭入射點(diǎn)、入射角度不變）的情況下，L與聲束穿過焊縫熔合面的聲程（如圖2中的 XA－XB，Xa－Xb）存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.2 圖表方法的應(yīng)用

現(xiàn)仍采用前沿長度L0＝5mm，角度為45°探頭，以試件90°，270°位置試樣為例。如圖5，當(dāng)入射點(diǎn)為A時(shí)，記下探頭入射點(diǎn)位置L＝L0＝5mm，探頭入射點(diǎn)至a1的聲程表示為O－a1＝16.73mm，則O－a2＝38.86mm；當(dāng)入射點(diǎn)為B 時(shí)，L＝14.96mm，O－b1＝50.06mm，O－b2＝54.0mm；當(dāng)入射點(diǎn)為 C 時(shí)，L＝70.81mm，O－c1＝100.12mm，O－c2＝118.92mm。以L為橫坐標(biāo)，探頭入射點(diǎn)至焊縫熔合面的聲程（設(shè)為X）為縱坐標(biāo)，制作曲線如圖6。

以L－X 曲線為依據(jù)，假設(shè)發(fā)現(xiàn)一處異常信號(hào)，通過測(cè)量入射點(diǎn)距離焊縫邊緣的距離L，在坐標(biāo)軸中找到相應(yīng)的L位置，向上垂直畫線，交曲線于A，B兩點(diǎn)，找出對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)數(shù)值X1，X2，再讀取儀器顯示聲程值，如聲程值在X1－X2之間則為缺陷信號(hào)。同時(shí)根據(jù)缺陷聲程值所在X1至X2之間的位置，確定缺陷在焊縫中的位置是偏向主管道側(cè)還是偏向支管側(cè)，或是熔合區(qū)中間的缺陷，同樣也可判斷是否為熱影響區(qū)的缺陷。缺陷最大回波處的深度也較易得出。使用該方法可減少現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間，方便而直觀地給缺陷定位。

2.3 公式法的討論說明

通過圖6可以得知，在一次波和二次波的聲程范圍中，L與聲束穿過焊縫熔合面的聲程X分別存在函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。分別畫出該探頭一次波及二次波的聲程截面圖，如圖7。

現(xiàn)繼續(xù)選用45°探頭，通過圖7（a）可得L／sina＝S0－1／sinb?，F(xiàn)已知坡口角度，通過計(jì)算得a＝15°，b＝120°；故可得S0－1＝L·sinb／sina＝3.346L。S1－2＝S0－2－S0－1，S0－2為檢測(cè)中已知，故聲束穿過焊縫熔合面的聲程X（S1－2）＝S0－2－3.346L。即單純?yōu)?X與L的關(guān)系。在一次波狀態(tài)下，就可以采用該公式方便地判斷缺陷位置。

繼續(xù)選用45°探頭，已知坡口角度及支管厚度為35mm，同樣通過圖7（b）可得S0－2＝S0－F＋SF－1＋S1－2；已 知 S0－F＝49.5mm，由 三 角 函 數(shù) 得 SF－1／sin30°＝ （35＋L－35／tan30°）／sin105°，則 SF－1＝（0.5L－12.8）／0.965。S1－2＝S0－2－S0－F－SF－1，在S0－2－S0－F已知的情況下，同樣可以確定聲束穿過焊縫熔合面的聲程X與L的關(guān)系。

圖6 5P6×6的45°探頭圖表

上述兩種方法在實(shí)際操作中方便簡單，但同樣存在不足，該方法中公式及圖表僅針對(duì)單個(gè)角度探頭，如需多種角度檢測(cè)，前期準(zhǔn)備較為繁瑣。計(jì)算法受數(shù)值精度影響同樣會(huì)產(chǎn)生誤差。對(duì)于檢測(cè)試件也僅限于對(duì)固定角度（以上僅針對(duì)270°，90°）位置試件，一般僅對(duì)幾處典型角度位置試件進(jìn)行如上曲線制作。其它幾處角度與角度之間的缺陷位置坐標(biāo)圖校正則需要大量試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)語

缺陷定位對(duì)ASG管腳焊縫的評(píng)定很重要，以上方法僅限于固定角度位置試件檢測(cè)，而角度與角度之間的缺陷位置坐標(biāo)圖校正需要大量試驗(yàn)驗(yàn)證。以上方法都是建立在缺陷的最高回波為探頭中心聲束上，而在實(shí)際工作中受缺陷取向等原因影響，缺陷的最大反射波不一定為探頭中心聲束所經(jīng)過，故仍存在超聲檢測(cè)的方法誤差。