電氣貫穿件對接焊縫超聲波檢測

楊建龍，祁永剛，嚴 宇，王金柱

（1.核工業(yè)工程研究設計有限公司，嘉興 314300；2.河北大學質量技術監(jiān)督學院，保定 071000）

在核電站建設當中，為確保反應堆安全殼內(nèi)電氣設備的供電、控制、保護、核測量、照明、儀表、通訊等信號的傳輸，電纜要求貫穿特設的氣密性的安全殼，電氣貫穿件就是為實現(xiàn)此功能而在安全殼內(nèi)連接外電纜的裝置。在反應堆正常運行和事故條件下（包括地震和失水事故），電氣貫穿件可以維持安全殼壓力邊界的完整性和用電設備的電氣連續(xù)性，防止放射性物質外泄。由于其特殊的結構和應用場合，不適合做射線檢測，只能用超聲波檢測其對接焊縫內(nèi)部缺陷，所以研究其對接焊縫的超聲波檢測方法顯得尤為重要。

核電站中用途較廣的電氣貫穿件規(guī)格為φ273mm×13mm，針對這一規(guī)格制作了3個帶自然缺陷的模擬試件，并依據(jù)核電站無損檢測常用標準RCC－M 《壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則》（2000版＋2002補遺），討論其超聲波檢測方法，采用不同的探頭對自然缺陷的試件進行檢測，對比獲得的缺陷回波信號，為選擇最佳的探頭提供參考。檢測時，焊縫根部的反射回波復雜，給檢測工作帶來困難，因此討論焊縫根部反射特點，具有重要的現(xiàn)實意義［1］。

1 電氣貫穿件對接焊縫的超聲波檢測

1.1 超聲波檢驗儀器［2－3］

依據(jù)RCC－M 標準，要求檢驗儀器配用標稱頻率為1～6MHz的探頭；在示波幅度至少為80%滿屏高范圍內(nèi)，垂直線性誤差不超波示波幅度的5%；在整個示波屏有效寬度內(nèi)的水平線性誤差不超過時間基準的2%。CTS－2020超聲波探傷儀完全符合要求。

1.2 探頭

依據(jù)RCC－M 標準和模擬試件規(guī)格，選用的探頭參數(shù)如表1。

表1 超聲波探頭型號和參數(shù)

探頭的尺寸符合標準中的規(guī)定，但是晶片大小會影響聲壓大小，在橫波聲場中，由于波的干涉存在近場區(qū)和遠場區(qū)，當x≥3N（N為近場長度）時，橫波聲場波束軸線上的聲壓為：

式中：K為系數(shù)；FS為波源面積；λs2為第二介質中的橫波波長；x為軸線上某點至假想波源的距離；β為橫波折射角；α為縱波折射角。

根據(jù)公式（1）可知，橫波聲場中，當x≥3N時，波束軸線上的聲壓與波源面積成正比，與至假想波源的距離成反比。從理論上尺寸大的晶片更容易檢測出缺陷，但是由于被檢件有曲率，所以要考慮晶片與工件的耦合面積，從這個角度說小尺寸更符合要求，基于此矛盾，選擇了同一折射角不同晶片尺寸的探頭做了對比。探頭折射角不同則超聲波在工件中的傳播路徑不同，對同一缺陷測出的位置和當量值也不同，所以選擇同一晶片尺寸不同折射角的探頭進行對比。由于工件表面有余高，直探頭只做輔助檢測。

1.3 標準試塊和對比試塊

選用CSK－ⅠA 標準試塊對超聲波儀器的水平線性和垂直線性進行校核，并對橫波探頭的前沿測定和折射角校驗。

根據(jù)RCC－M 的要求和工件參數(shù)制作對比試塊如圖1所示。

1.4 模擬件的制備

模擬件規(guī)格為φ273mm×13mm，焊縫寬度約為20mm，為了模擬真實工況，未打磨表面和根部余高，余高約為2mm，坡口形式為V 型，模擬件示意圖如圖2所示。

自然缺陷主要為：夾渣，未焊透，未熔合，裂紋等。試件全部經(jīng)過射線檢測，便于與超聲波檢測對比，預制缺陷結果見表2。

表2 試件內(nèi)部缺陷記錄1）

2 超聲波試驗及結果

2.1 超聲波檢測靈敏度

以圖1中的φ2mm 橫通孔為檢測靈敏度，制作DAC曲線，表面耦合補償2～4dB，掃查靈敏度為φ2mm＋6dB。

2.2 試驗結果比對

對3個自然缺陷的模擬試件進行超聲波盲測，即在不知道試件內(nèi)部缺陷的情況下進行超聲波檢測，并記錄缺陷。對于部分射線檢測不出的缺陷而超聲波檢測出的缺陷數(shù)據(jù)也列于表內(nèi)，表3為晶片尺寸不同的探頭檢測數(shù)據(jù)，表4為折射角不同的探頭的檢測的數(shù)據(jù)。

表3 不同晶片尺寸探頭的超聲波檢測及射線檢測試件缺陷的結果2）

3 試驗結果分析與焊縫根部缺陷回波特點討論

3.1 試驗結果分析

（1）從表3中可以看出，不同晶片尺寸探頭在測定缺陷深度上大致相同，在測定缺陷長度上部分差別較大，但是在缺陷回波波幅上，2.5P13×13K1探頭要明顯優(yōu)于2.5P10×10K1探頭，即此種規(guī)格的試件優(yōu)先選用晶片尺寸13mm×13mm 的探頭。

（2）從表4中可以看出，折射角不同的探頭在測定缺陷深度時有明顯差異，這是由超聲波波束在工件中傳輸路徑不同引起的，對不規(guī)則的缺陷，K1探頭可能由二次波從缺陷下部得到最強回波，而K2探頭則通過一次波從缺陷上部探出最高回波，示意圖如圖3所示。另外，K1探頭的靈敏度要高于K2探頭，對于部分缺陷K1探頭可以檢出，而K2探頭則較難檢出。

（3）超聲波檢測面積型缺陷很容易檢出，例如裂紋，未焊透等，對于氣孔等點狀缺陷較難檢出；而射線對于面積型缺陷不容易檢出，對氣孔，夾渣很容易檢出。

3.2 焊縫根部回波信號討論

對于此規(guī)格的對接環(huán)焊縫［4－5］超聲波檢驗，采用的是單面雙側掃查，焊縫根部的反射波比較多而且復雜，例如產(chǎn)生未焊透、未熔合、裂紋、內(nèi)凹、錯邊等缺陷回波，同時在掃查中也會遇到焊縫根部余高產(chǎn)生的幾何反射回波，給檢測帶來干擾。這些回波千變?nèi)f化，但是也呈現(xiàn)出一些特征，總結歸納這些特征為實際檢測提供參考。

3.2.1 未焊透

根部未焊透的超聲回波速度較快，波幅較高，這是由于焊縫根部有較規(guī)則的鈍邊。探測時有很強的端角反射回波，探頭前后移動時，波形較穩(wěn)定，轉動探頭時，波形消失較快。在焊縫兩側進行探測，都會有波幅較高的反射波顯示，探頭沿著焊道方向移動時，波幅變化不大?？梢圆捎萌鐖D所示的方法進行輔助識別，焊縫兩側探測時水平距離定位落點有一定間距，約等于對口間隙，示意圖見圖4。

圖4 超聲波檢測未焊透示意圖

3.2.2 未熔合

對于根部未熔合反射波探測時，在缺陷側有一個波幅較高的反射波，有時在非缺陷側反射波幅更明顯，但是隨著未熔合面與入射聲束角度的不同，有時反射波幅較小，甚至無反射信號，這是因為缺陷的指向性，聲束反射無法傳播到探頭；應進行準確的測厚分析，對缺陷進行深度定位，根部未熔合多出現(xiàn)在水平的仰焊位置、垂直固定的上坡口位置、焊接接頭的根部位置。探測時注意用不同角度的探頭進行探測，以防漏檢。

3.2.3 裂紋

裂紋最具危害性，探測時反射波強烈，有陡峭的前沿，因裂紋表面曲折，沒有光滑的界面，反射波底部較寬，且波峰常出現(xiàn)多峰現(xiàn)象。探頭平行移動時，波峰此起彼伏，擺動或轉動探頭時，波峰下降很快，波形沒有未焊透缺陷的波形穩(wěn)定，從焊口兩側探測時，波形有較好的相似性。波形特點：波形單一，波幅寬，反射波高度較大，呈鋸齒狀，有多峰，探頭移動時，時起時伏，包絡面幅度變化較大。

3.2.4 內(nèi)凹

內(nèi)凹出現(xiàn)在水平固定焊口的仰焊或仰焊爬坡部位，內(nèi)凹是一個近似圓弧型的曲面，對于聲束入射的界面其是一個凸面，反射波是發(fā)散的，波幅較低，波形位置出現(xiàn)在根部一次波位置前一點，其反射波的深度顯示值一般略小于母材厚度，兩側探測時，水平距離定位點不交叉，其包絡波形較圓滑。

3.2.5 錯邊

焊接時焊偏等因素會造成焊縫的錯位。錯邊的反射波幅較高，焊縫兩側的反射波幅有明顯的不同，很可能出現(xiàn)一側有較強反射波而另一側沒有反射波?？梢酝ㄟ^測厚加以輔助判斷。由于錯邊凸凹的不確定性，反射波的波峰上有小峰，探頭左右移動時波幅的高度變化不大。包絡波形范圍較寬，波形比較單一，變化不復雜。

3.2.6 幾何反射回波

焊縫根部余高產(chǎn)生較多干擾信號，波幅較高且不容易與根部缺陷信號區(qū)分，其產(chǎn)生原因可能是由聲束傳播在根部余高內(nèi)匯聚后返回至探頭，基于此種分析，可采用圖5的方法來區(qū)分根部余高反射回波。回波信號顯示深度約為焊縫壁厚T的情況下，觀察兩側水平距離定位點，如果兩個標記有交叉部分，則可判定為余高回波。但是本方法在使用中也有局限性，例如遇到根部焊瘤的情況時，兩個定位點也可能交叉，此時應慎重對待，觀察波形和聲程等進行綜合判斷。采用缺陷波形識別與分析方法，可以比較準確地判斷根部的缺陷類型，達到定性目的。但是，焊縫根部出現(xiàn)的反射波很多，單憑缺陷波的某些特征來判定其性質是比較片面的，還必須在探測前了解焊接接頭坡口形式、焊接工藝、熱處理狀態(tài)，加以綜合分析判定。

圖5 超聲波檢測焊縫根部余高示意圖

4 結論

（1）對于此種電氣貫穿件，超聲波檢測可以替代射線檢測。

（2）不同規(guī)格的試件檢測，要求在儀器，試塊，探頭方面進行全面篩選，并找出最佳組合，試驗中選用T2，T3，L1探頭組合更為合理。

（3）對焊縫根部缺陷回波信號進行分析，總結了不同缺陷類型的回波波形特征，嘗試找出判定缺陷的方法。在核工業(yè)無損檢測中，超聲波檢測起著舉足輕重的作用，深入閱讀標準和大量模擬練習、尋找最優(yōu)化的檢測工藝是提高檢測技術的有效途徑。

［1］ 陳志強，李小亭，張萬嶺.焊縫根部缺陷的綜合檢測［J］.無損檢測，2010，32（4）：286－288.

［2］ RCC－M（2000版＋2002補遺） 壓水堆核島機械設備設計和建造規(guī)則［S］.

［3］ 鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008：65－66.

［4］ 曹剛，朱思民.焊縫超聲波檢測回波信號分析［J］.無損檢測，2004，26（10）：533－536.

［5］ 張文科.超聲波探傷中缺陷波和偽缺陷波的判別［J］.無損檢測，2005，27（1）：47－54.