核設(shè)備不銹鋼堆焊層對(duì)超聲檢測(cè)的影響

許遠(yuǎn)歡，葛 亮，付千發(fā)，聶 勇

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

核電站主設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到耐腐蝕等特殊要求，其母材為低合金鋼，內(nèi)表面一般有6～8mm 左右的不銹鋼堆焊層，某些不銹鋼堆焊層可以達(dá)到12mm厚。如反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器等，其材料一般采用16MND5或508－III，其堆焊通常采用帶極雙層堆焊［1］，局部區(qū)域采用多層堆焊。堆焊的第一層為309L 不銹鋼過(guò)渡層，第二層及以上為308L不銹鋼。

在制造期間，主設(shè)備要求從設(shè)備內(nèi)外兩側(cè)進(jìn)行全體積的超聲檢測(cè)，在運(yùn)行期間，某些主設(shè)備（如反應(yīng)堆壓力容器）要求從內(nèi)部實(shí)施超聲檢測(cè)。從內(nèi)側(cè)不銹鋼堆焊層側(cè)實(shí)施超聲檢測(cè)時(shí)，由于堆焊層粗大的柱狀晶粒和堆焊層特殊的加工工藝，對(duì)超聲檢測(cè)產(chǎn)生比較大的影響。

1 不銹鋼堆焊層對(duì)超聲檢測(cè)的影響

制造期間從內(nèi)側(cè)對(duì)反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)，以及役前和在役檢查從內(nèi)側(cè)對(duì)反應(yīng)堆壓力容器實(shí)施超聲檢測(cè)時(shí)，均由于堆焊層的影響，給超聲檢測(cè)帶來(lái)一定的困難。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，不論是手動(dòng)超聲檢測(cè)還是自動(dòng)超聲檢測(cè)，堆焊層對(duì)超聲波檢測(cè)均存在不同程度的影響。

從堆焊層側(cè)進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，不銹鋼堆焊層對(duì)超聲檢測(cè)的影響主要包括：

（1）不銹鋼堆焊層為粗大的柱狀晶粒，超聲波衰減較大，會(huì)造成檢測(cè)靈敏度下降。

（2）超聲波在堆焊層內(nèi)部和結(jié)合面上會(huì)發(fā)生聲束偏轉(zhuǎn)，造成缺陷定位偏差。

（3）由于堆焊層的影響，容易形成偽缺陷顯示。

因此從堆焊層側(cè)進(jìn)行全體積的超聲檢測(cè)時(shí)，需要找出影響的主要因素，并采取相應(yīng)措施克服堆焊層對(duì)超聲檢測(cè)的影響，從而提高堆焊層側(cè)實(shí)施超聲檢測(cè)的可靠性和有效性。

2 有／無(wú)堆焊層的靈敏度對(duì)比試驗(yàn)

奧氏體不銹鋼堆焊層呈柱狀晶分布，晶粒粗大，故超聲波傳播存在較大衰減。如果用同樣的超聲波探頭分別從有堆焊層和無(wú)堆焊層試塊上，對(duì)同樣直徑大小的長(zhǎng)橫孔進(jìn)行掃查，則兩者回波幅度會(huì)有比較明顯的差異。

試驗(yàn)用CTS－2000型超聲檢測(cè)儀。試驗(yàn)用探頭：?jiǎn)尉M波45°，頻率2.0 MHz。試件材料508－III鋼，試件單側(cè)堆焊層，反射體為φ2 mm 橫孔，其深度間隔為30mm。

將超聲探頭分別在有、無(wú)堆焊層試塊面進(jìn)行掃查，將φ2mm 橫孔的最大回波幅度調(diào)整到80%滿屏高（FSH），分別記錄各橫孔的回波增益值。

試驗(yàn)測(cè)試后各橫波回波增益見(jiàn)圖1，可以看出有、無(wú)堆焊層時(shí)靈敏度平均相差約11dB。其它類型探頭也有類似的影響，只是靈敏度差異有所不同。

圖1 有／無(wú)堆焊層φ2mm 橫孔靈敏度對(duì)比測(cè)試結(jié)果

為了克服堆焊層對(duì)檢測(cè)靈敏度影響，如果從堆焊層實(shí)施超聲檢測(cè)，所用的對(duì)比試塊必須采用與被檢工件相似的堆焊工藝和表面狀況。如果被檢工件是自動(dòng)堆焊，而試塊不能采用自動(dòng)堆焊時(shí)，試塊則可以采用手工堆焊。

3 堆焊層引起的聲束偏轉(zhuǎn)造成定位偏差

不銹鋼堆焊層和母材（低合金鋼）的超聲波聲速存在差異，使得在堆焊層表面掃查時(shí)探頭角度與無(wú)堆焊層低合金鋼表面的探頭角度存在一定的差異，從而造成缺陷定位時(shí)出現(xiàn)偏差。

3.1 探頭前沿和折射角測(cè)量方法

在超聲檢測(cè)時(shí)，通常有三種方法測(cè)量探頭前沿和折射角。

①方法一：在CSK－IA 試塊上直接測(cè)量前沿和折射角，見(jiàn)圖2（a）。

②方法二：在CSK－IA 試塊測(cè)量探頭的前沿，然后在對(duì)比試塊上用適當(dāng)深度的橫孔測(cè)量探頭折射角，見(jiàn)圖2（b）。

③方法三：在對(duì)比試塊上選取兩個(gè)不同深度的孔，測(cè)量探頭折射角和前沿，見(jiàn)圖2（c）。

圖2 探頭前沿和折射角測(cè)量示意

圖中α為探頭入射角；θ為探頭折射角；L為探頭前沿。

上述三種探頭折射角的測(cè)量方法中，方法一完全沒(méi)有考慮堆焊層，在帶堆焊層側(cè)實(shí)施超聲檢測(cè)時(shí)，一般不適合；方法二考慮了堆焊層的影響，對(duì)缺陷定位的影響較??；方法三比較接近實(shí)際情況，用測(cè)量出的探頭前沿和折射角來(lái)進(jìn)行缺陷定位，其定位誤差較小。

3.2 探頭角度和前沿測(cè)量試驗(yàn)和分析

采用三種方法進(jìn)行探頭角度和前沿的測(cè)量，其中，對(duì)比試塊的反射體均為φ2mm 橫孔，不銹鋼堆焊層厚度約為6mm，其測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

探頭的入射點(diǎn)是固定的，但是當(dāng)從堆焊層側(cè)實(shí)施超聲檢測(cè)時(shí)，探頭前沿的測(cè)定會(huì)由于方法的不同而得出不同的結(jié)果，從而會(huì)導(dǎo)致缺陷定位存在不同大小的誤差。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)堆焊層低合金鋼材料上測(cè)量時(shí)，后兩種方法（方法二和方法三）測(cè)得的探頭前沿／折射角與方法一所測(cè)值相差很小。而在有不銹鋼堆焊層低合金鋼材料上測(cè)量時(shí)，后兩種方法（方法二和方法三）的測(cè)量值與方法一測(cè)得的值有很大的差異，角度偏差約減少了1.5°左右，測(cè)量出的前沿值增加了3～4mm，這種變化是不銹鋼堆焊層影響所導(dǎo)致的。

表1 2 MHz橫波探頭前沿和折射角測(cè)量結(jié)果

3.3 缺陷定位試驗(yàn)和分析

利用探頭折射角和前沿三種不同測(cè)量方法的測(cè)試結(jié)果，分別在測(cè)試試塊上進(jìn)行反射體定位試驗(yàn)。測(cè)試試塊為一列φ2mm 橫孔，孔深分別為56，106，156，206，256，306 mm，橫孔中心離試塊邊緣130mm，其中堆焊層厚度約為6mm，測(cè)試試塊示意圖見(jiàn)圖3。用45°和60°兩種橫波探頭（晶片尺寸20mm×20mm），進(jìn)行反射體定位試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。圖中①②③分別代表探頭前沿和折射角測(cè)量方法一、方法二和方法三；橫坐標(biāo)表示反射體在位置深度方向；縱坐標(biāo)表示深度或水平定位偏差。

圖3 折射角與前沿測(cè)試試塊示意

45°橫波探頭的定位偏差圖中，利用方法二和方法三所測(cè)量的角度對(duì)反射體定位偏差較小，深度定位偏差在±2mm 以內(nèi)，水平定位偏差在±4mm 以內(nèi)。另外，從60°橫波探頭定位偏差看出，反射體深度在150mm 范圍內(nèi)時(shí)，定位偏差在±10mm 以內(nèi)，隨深度增加，定位偏差也增大。用“方法一”所測(cè)量的角度對(duì)人工反射體進(jìn)行定位，其定位偏差較大（水平或深度），大于±10mm，故此方法不適用于實(shí)際的超聲檢測(cè)。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，從堆焊層側(cè)實(shí)施超聲檢測(cè)時(shí)，方法二和方法三可用于探頭折射角和前沿的測(cè)量，45°探頭定位較為準(zhǔn)確，而對(duì)于60°探頭發(fā)現(xiàn)的深度較深的缺陷，需要用45°探頭進(jìn)行定位核實(shí)。

4 堆焊層引起的偽缺陷顯示

4.1 偽缺陷的表現(xiàn)形式

采用橫波探頭從堆焊層側(cè)進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，在某些深度位置往往會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)的反射回波信號(hào)，一般情況下這種回波信號(hào)較弱。但當(dāng)在某些特殊位置，如：堆焊層表面出現(xiàn)較大的凹坑，或者兩條堆焊層焊帶交接處熔合較差處，在B－掃圖上往往會(huì)出現(xiàn)極像缺陷信號(hào)的偽缺陷回波信號(hào)顯示，這種顯示的回波幅度一般會(huì)超過(guò)記錄閾值，在超聲波信號(hào)分析過(guò)程中，容易造成誤判，如圖5所示。

4.2 偽缺陷形成原因

由于堆焊層是不銹鋼粗晶材料，而母材是低合金鋼的細(xì)晶材料。如果采用橫波探頭，當(dāng)橫波聲束通過(guò)此不銹鋼和低合金鋼的界面時(shí)，少量的聲波會(huì)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)，沿著幾乎垂直于底面?zhèn)鞑ァＴ诠潭ㄉ疃任恢?，?huì)形成幅度較高的偽缺陷信號(hào)，如圖6所示。

圖6 聲束傳播示意

4.2.1 理論計(jì)算

橫波從O偏轉(zhuǎn)后，沿著幾乎垂直（S）的方向到達(dá)底面，其經(jīng)過(guò)的聲程P與母材厚度T幾乎接近。偏轉(zhuǎn)橫波S在B－掃圖中的深度位置近似計(jì)算如下：

式中：β為探頭在堆焊層中的折射角；θ為探頭在母材中的折射角。

4.2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)上述理論進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)所用試塊為一堆焊層厚度t＝6mm，母材厚度T＝205mm 的壓力容器筒體環(huán)焊縫；儀器采用多通道數(shù)字自動(dòng)采集系統(tǒng)，采用橫波45°，頻率為2 MHz（探頭實(shí)測(cè)折射角為43.8°）和60°，頻率為2 MHz（探頭實(shí)測(cè)折射角為58.0°）兩種類型探頭。檢查方向?yàn)檩S向掃查。

在對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，橫波45°，頻率為2MHz和60°，頻率為2MHz均出現(xiàn)固定深度的斷續(xù)一條線的顯示信號(hào)圖5（a）、圖5（b），個(gè)別區(qū)域有較高幅度的顯示。

分別對(duì)兩個(gè)橫波探頭出現(xiàn)的顯示信號(hào)深度進(jìn)行測(cè)量。圖5（a）中，分布的斷續(xù)一條線的偽缺陷顯示信號(hào)的深度為156.6mm。圖5（b）中顯示信號(hào)的深度為115.5mm。

假設(shè)顯示信號(hào)為偏轉(zhuǎn)橫波在工件外表面形成的反射回波。將厚度T＝205 mm，t＝6 mm，橫波45°，頻率為2 MHz的實(shí)際折射角α＝43.8°代入深度公式：

與圖5（a）中，顯示信號(hào)的深度156.6mm 相近，同理，計(jì)算得到60°，頻率F 為2 MHz橫波探頭的偽缺陷信號(hào)深度應(yīng)為114.6mm，與圖5（b）中顯示信號(hào)的深度115.5mm 相近。

可見(jiàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)值與理論計(jì)算基本相符。但是，近似理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量?jī)烧呱疃任恢么嬖谝欢ú町?，是由于超聲波在堆焊層?nèi)部的傳播時(shí)，本身還存在聲束偏轉(zhuǎn)的情況，而在近似理論計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮這類情況引起的深度差。

4.3 偽缺陷辨別方法

通過(guò)大量試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于偏轉(zhuǎn)橫波沿幾乎垂直方向射到底面而產(chǎn)生的偽缺陷信號(hào)的辨別方法有：

（1）偽缺陷信號(hào)處于固定深度位置，通過(guò)探頭角度可計(jì)算出發(fā)現(xiàn)的偽缺陷的聲程值與被檢部件厚度基本相同。

（2）較高幅度的偽缺陷信號(hào)，通過(guò)改變探頭的掃查方向或者更換其他類型（不同角度和不同波型）的探頭核實(shí)時(shí)，原有的偽缺陷顯示會(huì)消失或者不在原來(lái)的同一位置出現(xiàn)顯示信號(hào)。

（3）發(fā)現(xiàn)較高幅度偽缺陷信號(hào)時(shí)，探頭往往處于堆焊層焊帶結(jié)合處或者探頭所處位置有凹坑。

綜上所述，采用橫波探頭從堆焊層側(cè)進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，由于堆焊層的影響，會(huì)在固定深度位置出現(xiàn)變形波信號(hào)，影響缺陷分析。但是根據(jù)這種偽缺陷顯示信號(hào)的特征，是可以區(qū)分和判斷的。

5 結(jié)論

由于不銹鋼堆焊層特殊的聲學(xué)特性，當(dāng)從堆焊層側(cè)進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，不銹鋼堆焊層對(duì)超聲檢測(cè)存在一定程度的影響。采用下列三種方式，可有效克服不銹鋼堆焊層對(duì)超聲檢測(cè)的影響。

（1）采用與被檢工件相似的堆焊工藝和表面狀況的對(duì)比試塊，以克服不銹鋼堆焊層對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響。

（2）采用筆者提到的方法二和方法三可用于探頭折射角測(cè)量；45°探頭對(duì)反射體定位偏差在±2 mm 內(nèi)；當(dāng)60°探頭發(fā)現(xiàn)較深的缺陷時(shí)，需要用45°探頭進(jìn)行核實(shí)。

（3）通過(guò)偽缺陷的深度位置計(jì)算核實(shí)，以及采用多種探頭核實(shí)和被檢工件表面狀況觀察等方法，可有效剔除堆焊層引起的偽缺陷信號(hào)。

［1］ 李家偉，陳積懋.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.