鋼制安全殼對接焊縫的超聲波成像檢測

(1.國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233；2.山東核電設(shè)備制造有限公司，海陽 265118)

鋼制安全殼是用來阻擋來自燃料的裂變產(chǎn)物及一回路放射性物質(zhì)進(jìn)入外界環(huán)境的最后一道屏障，對核電站的安全運行至關(guān)重要[1]。三代核電站CAP1400鋼制安全殼，主要采用SA-738Gr.B鋼板拼焊而成，其屬于低合金高強(qiáng)度鋼，焊接性能較好，但由于鋼中含有Cr，Mo等元素，焊接過程中焊接接頭熱影響區(qū)容易出現(xiàn)熱應(yīng)變脆化而產(chǎn)生焊接裂紋[2]，也可能產(chǎn)生夾渣、氣孔、未焊透等常見的焊接缺陷。為了檢測焊接質(zhì)量以及時發(fā)現(xiàn)焊接中的危險性缺陷，設(shè)計文件及ASME第III卷NE分卷《MC級部件》中均要求制造階段對其進(jìn)行100%射線檢測。

鋼制安全殼(其安裝現(xiàn)場如圖1所示)直徑為40 m，高度為66 m，上下封頭壁厚為45.0 mm，第一環(huán)筒體壁厚為55.0 mm，其他筒體壁厚為52.0 mm；故其上的焊縫數(shù)量和尺寸都較大。與常規(guī)A型脈沖超聲檢測技術(shù)相比，射線檢測技術(shù)的優(yōu)點是產(chǎn)生的底片可記錄存儲，可以直觀地顯示缺陷影像，缺點是有射線輻射，受時間窗口限制、檢測效率低，對厚壁焊縫中的微小型面狀缺陷容易漏檢[3]，且需要采用大量的膠片。因此對于制造廠而言，在滿足檢測質(zhì)量的前提下，為了能提高檢測效率和降低檢測成本及安全風(fēng)險，迫切需要找到其他的行之有效的無損檢測技術(shù)手段。

基于此原因，筆者介紹了超聲相控陣檢測技術(shù)和TOFD檢測技術(shù)在鋼制安全殼焊縫檢測中的試驗情況。

圖1 鋼制安全殼安裝現(xiàn)場

1 檢測實施難點分析

超聲檢測受焊縫表面余高影響(焊縫余高高度為2～3 mm，寬度為32 mm)，探頭在掃查過程中移動受限，檢測覆蓋困難，特別是對焊縫近表面缺陷及橫向缺陷的檢出及定量較困難，故為保證覆蓋及不漏檢，必須采用一次反射波檢測焊縫，而這樣會增加探頭移動的距離，給檢測工藝的制定和掃查探頭的布置增加難度。

2 檢測區(qū)域

鋼制安全殼對接焊縫的檢測區(qū)域由焊縫檢測區(qū)寬度和焊縫檢測區(qū)厚度表征。焊縫檢測區(qū)的寬度應(yīng)為焊縫本身加上焊縫熔合線兩側(cè)各10 mm，焊縫檢測區(qū)域的厚度應(yīng)為工件厚度加上焊縫余高，檢測區(qū)域示意如圖2所示。

圖2 焊縫檢測區(qū)域示意

3 試驗方案

3.1 檢測設(shè)備

采用的試驗設(shè)備為美國ZETEC公司的DYNARAY-256相控陣檢測系統(tǒng)。

3.2 檢測探頭

PAUT檢測探頭為5 MHz，32晶片的一維線性陣列探頭，探頭及楔塊的主要參數(shù)如表1所示。

TOFD探頭采用了頻率為5 MHz，晶片尺寸為φ6 mm，折射角度為60°的縱波探頭，探頭中心間距設(shè)置為122 mm[4]。

表1 相控陣探頭及楔塊的主要參數(shù)

3.3 檢測覆蓋

相控陣采用直射波和一次反射體進(jìn)行檢測，直射波覆蓋厚度范圍為3～52 mm，一次反射波覆蓋厚度范圍為0～52 mm，相控陣探頭聲束覆蓋傳播示意如圖3所示。

圖3 PAUT探頭聲束傳播示意

在探頭中心間距為122 mm時，TOFD探頭聲束焦點位于2/3厚度處，其聲束傳播示意如圖4所示。

圖4 TOFD探頭聲束傳播示意

3.4 掃查方式

為了發(fā)現(xiàn)平行于焊縫的縱向缺陷和垂直于焊縫的橫向缺陷，試驗主要采用縱向缺陷掃查布置和橫向缺陷掃查布置兩種方式進(jìn)行掃查,如圖5所示(圖中PA表示相控陣探頭)。

圖5 縱向缺陷和橫向缺陷的掃查布置示意

4 能力驗證模擬缺陷試塊

為了驗證超聲相控陣和TOFD自動檢測技術(shù)的可行性，依據(jù)ASME 第Ⅲ卷NE分卷、第Ⅴ卷《無損檢測》中的關(guān)于鋼制安全殼對接焊縫檢測及驗收的相關(guān)要求，參考第Ⅺ卷中強(qiáng)制性附錄Ⅷ《超聲檢測系統(tǒng)的性能驗證》中對容器焊縫的性能驗證的規(guī)定，制作了3件厚度為52 mm的能力驗證焊接試塊，坡口結(jié)構(gòu)示意如圖6所示，能力驗證試塊中共預(yù)埋了12個模擬自然缺陷，包括裂紋、夾渣、坡口未熔合、未焊透、氣孔等，分布于近外表面、中上部、中部、根部等區(qū)域。試塊中的缺陷信息如表2所示，試塊樣式如圖7所示。

圖6 筒體縱縫坡口型式結(jié)構(gòu)示意

圖7 能力驗證試塊樣式

表2 能力驗證試塊中的缺陷信息 mm

5 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果主要是基于超聲相控陣和TOFD技術(shù)對試塊正面和反面自動采集的數(shù)據(jù)，下面從缺陷的實際檢出率、位置、長度以及缺陷的高度等方面與設(shè)計值進(jìn)行對比分析。

5.1 缺陷檢出率分析

表3為各方法對缺陷的檢出結(jié)果統(tǒng)計，圖8為各方法對缺陷的檢出率統(tǒng)計。由表3和圖8可以看出，采用超聲相控陣技術(shù)無論從正面還是從反面的任意一側(cè)進(jìn)行掃查，缺陷的檢出率均為100%。

TOFD檢測受焊縫內(nèi)外表面余高的影響，試塊近內(nèi)外表面盲區(qū)較大，對設(shè)計在距焊縫內(nèi)外表面8 mm以內(nèi)的缺陷均無法檢出。從正面掃查時，缺陷的檢出率為83.3%，反面檢出率也為83.3%。

射線檢測時，4#和12#未熔合缺陷未檢出，射線檢測的檢出率為83.3%。

表3 各檢測方法的缺陷檢出結(jié)果統(tǒng)計表 mm

圖8 各檢測方法的缺陷檢出率統(tǒng)計

5.2 缺陷定位分析

缺陷的定位偏差統(tǒng)計如圖9所示，圖中x為缺陷中心沿焊縫長度方向的位置，y為缺陷中心距離焊縫中心線的位置。由圖9可以看出，與缺陷設(shè)計值相比，缺陷在x方向的最大定位偏差為±2 mm；y方向的最大正偏差為1.2 mm，最大負(fù)偏差為-1 mm。

圖9 缺陷定位偏差統(tǒng)計

5.3 缺陷長度測量分析

由缺陷長度偏差圖(見圖10)可以看出，采用PAUT從正面和反面檢測時，缺陷的測長最大正偏差為3 mm，最大負(fù)偏差為-3.5 mm。例如:2#缺陷屬于近表面裂紋缺陷，PAUT正面檢測時測長偏差為0，反面檢測時測長偏差為3 mm；4#缺陷為近表面的坡口未熔合缺陷，PAUT正面檢測時缺陷測長偏差為-3 mm，反面檢測時測長偏差為0 mm；10#缺陷為近表面的橫向裂紋，PAUT正面檢測時誤差為-2 mm，反面檢測時誤差為-3.5 mm。PAUT和TOFD測長信號示例見圖11，12。

圖10 缺陷測長偏差統(tǒng)計

圖11 4#缺陷的PAUT正面檢測長度測量信號 (長12.0 mm)

圖12 4#缺陷的TOFD正面檢測長度測量信號 (長8.0 mm)

TOFD檢測除了4#近表面坡口未熔合缺陷的正面測長偏差為-7 mm，反面測長偏差為-3 mm以外，其余缺陷測長偏差均在±2 mm范圍內(nèi)。TOFD偏差較大的原因主要是受近表面盲區(qū)的影響，缺陷在長度方向上不能夠完全被檢出。

5.4 缺陷高度測量分析

PAUT和TOFD檢測技術(shù)均采用端點衍射法來測量缺陷的高度。

缺陷測高偏差統(tǒng)計結(jié)果如圖13所示，可見PAUT正面和反面檢測時，除了8#氣孔類缺陷高度測量偏差大于1.5 mm以外，其余缺陷測高偏差均小于1.5 mm；TOFD正面檢測時，4#缺陷測高誤差為2.47 mm，其余正面和反面檢測時的缺陷高度測量偏差均小于1.5 mm。

圖13 缺陷測高偏差統(tǒng)計

圖14 3#缺陷的PAUT檢測高度測量信號 (高2.63 mm)

PAUT對未焊透、未熔合及裂紋等面狀缺陷的高度測量都比較精確，誤差在±1.5 mm范圍之內(nèi)。其中，典型的裂紋類缺陷PAUT檢測高度測量信號如圖14所示，TOFD超聲檢測高度測量信號如圖15所示。

圖15 3#缺陷的TOFD檢測高度測量信號 (高2.88 mm)

PAUT對氣孔類體積性缺陷的高度測量存在較大偏差，這主要是因為氣孔類缺陷外形呈球狀，超聲波聲束發(fā)散而沒有明顯的上下端點衍射信號，信號主要呈現(xiàn)為點狀(見圖16)。而TOFD超聲檢測技術(shù)的時差衍射特征，對8#氣孔類缺陷也同樣具有較為明顯的上下端點衍射信號特征(見圖17)，高度測量誤差幾乎為零，比較精準(zhǔn)。

圖16 8#氣孔缺陷的PAUT檢測高度測量信號 (高2.37 mm)

圖17 8#氣孔缺陷的TOFD檢測高度測量信號 (高6.10 mm)

6 結(jié)論

(1) 采用的檢測工藝能同時完成PAUT和TOFD自動檢測，可顯示A掃、B掃、S掃、C掃和D掃數(shù)據(jù)影像，檢測數(shù)據(jù)可永久保存，可供多人同時離線分析，數(shù)據(jù)使用方便快捷。

(2) 對3件模擬焊縫試塊上共12個缺陷進(jìn)行檢測，缺陷的最大定位偏差不大于2 mm，滿足ASME第Ⅺ卷附錄Ⅷ中對缺陷綜合定位偏差為±5 mm的要求。

(3) PAUT對缺陷的檢出幾乎不受焊縫余高的影響，能100%檢出能力驗證試塊上的12個不同位置和性質(zhì)的缺陷，而TOFD檢測受焊縫表面余高影響，部分近內(nèi)外表面的缺陷未檢出或檢出效果不佳，所以現(xiàn)場缺陷檢測時應(yīng)以PAUT為主，采用TOFD技術(shù)現(xiàn)場檢測時應(yīng)考慮近內(nèi)外表面盲區(qū)的影響。

(4) 在缺陷測長方面，PAUT長度偏差最大為-3.5 mm，TOFD檢測受表面余高的影響，對于一些盲區(qū)附近的缺陷測長偏差較大；所以缺陷測長時，應(yīng)綜合考慮PAUT和TOFD的檢測結(jié)果。

(5) 在缺陷測高方面，PAUT對氣孔類缺陷的測高不敏感，S掃影像上通常顯示為一個反射點，沒有明顯的上下端點信號，而對面狀類缺陷的測高較準(zhǔn)確，測高誤差小于1.5 mm；TOFD檢測對缺陷的測高不受缺陷性質(zhì)的影響，端點衍射信號明顯，測量誤差較?。凰詫τ隗w積類缺陷的測高，應(yīng)重點關(guān)注TOFD的檢測結(jié)果。

綜上所述，相控陣和衍射時差法超聲檢測技術(shù)對焊接缺陷具有較高的檢出率及定位定量精度，是可靠、高效及經(jīng)濟(jì)的檢測手段。