核電細(xì)晶鐵素體鋼管道焊縫相控陣超聲檢測(cè)與傳統(tǒng)射線檢測(cè)的技術(shù)等效性

張曉峰， 嚴(yán) 宇,2，周煒璐，楊會(huì)敏,2，熊 野

(1.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司, 北京 101300;2.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司, 北京 101300)

焊接是核電站建造過程中的重要施工方法，焊接接頭的質(zhì)量對(duì)核設(shè)施的建造和安裝的可靠性有重要影響。為保障其安全運(yùn)行，必須確保核電站各關(guān)鍵部件性能均達(dá)到技術(shù)要求，無損檢測(cè)是保障其焊接質(zhì)量的重要手段。目前，“華龍一號(hào)”核電站主要采用的無損檢測(cè)技術(shù)是射線檢測(cè)(RT)和超聲檢測(cè)(UT)，相對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 20003-2010中的《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分 射線檢測(cè)》和《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測(cè) 第2部分 超聲檢測(cè)》，且射線檢測(cè)應(yīng)用比例相對(duì)較大。然而，射線檢測(cè)也存在一定的局限性，包括面積性缺陷檢出率低、存在輻射安全風(fēng)險(xiǎn)、檢測(cè)效率低、檢測(cè)成本高等，隨著被檢件厚度的增加，射線檢測(cè)的局限性更加突出。

近年來，相控陣超聲檢測(cè)(PAUT)技術(shù)和超聲波衍射時(shí)差檢測(cè)(TOFD)技術(shù)得到了廣泛認(rèn)可，其不僅具有常規(guī)超聲檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，還具有更高的檢測(cè)精度、靈敏度、效率以及更大的檢測(cè)范圍，同時(shí)具有圖像記錄能力，在一定程度上克服了超聲檢測(cè)對(duì)缺陷定性困難的局限性，評(píng)價(jià)更為客觀，為解決上述問題提供了新的思路。針對(duì)壁厚大于12 mm的細(xì)晶鐵素體鋼管道焊縫制定了相應(yīng)的相控陣超聲檢測(cè)工藝，并與傳統(tǒng)射線檢測(cè)的缺陷檢出率、缺陷定位誤差和缺陷定量誤差進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 模擬試塊制作

依據(jù)“華龍一號(hào)”核電站所用NB/T 20003.3-2010標(biāo)準(zhǔn)和DL/T 1718-2017標(biāo)準(zhǔn)，制作了外徑不小于114.3 mm，厚度為12.751.5 mm，帶有裂紋(橫向和縱向)、未熔合(坡口和層間)、未焊透、氣孔和夾渣等缺陷的模擬試塊，且每種缺陷在焊縫近表面、內(nèi)部和根部均有分布，模擬試塊的材料、焊接方法和焊接工藝與“華龍一號(hào)”核電站的一致。其中，氣孔和夾渣缺陷的尺寸遵循NB/T 20003.3-2010射線檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中1級(jí)焊縫的臨界超標(biāo)缺陷尺寸進(jìn)行制作，裂紋、未熔合和未焊透等面積型缺陷遵循DL/T 1718-2017標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量等級(jí)為I級(jí)的臨界超標(biāo)缺陷尺寸進(jìn)行制作。

參考美國ASME標(biāo)準(zhǔn)，共制作了6種規(guī)格的模擬試塊：管外徑為114.3 mm,壁厚為13.49 mm；管外徑為168.3 mm,壁厚為18.26 mm；管外徑為273 mm,壁厚為12.7 mm；管外徑為273 mm,壁厚為28 mm；管外徑為457 mm,壁厚為31.75 mm；平板試塊壁厚51.5 mm。

以管外徑為457 mm,壁厚為31.75 mm的碳鋼管道對(duì)接焊縫模擬試塊為例，其材料為P280GH，焊縫坡口結(jié)構(gòu)如圖1所示，缺陷設(shè)置情況如圖2及表1所示。

圖1 焊縫坡口結(jié)構(gòu)示意

2 射線檢測(cè)及相控陣檢測(cè)工藝

2.1 射線檢測(cè)設(shè)備及參數(shù)

射線檢測(cè)依據(jù)NB/T 20003.3-2010標(biāo)準(zhǔn)，采用Ir192射線源(源強(qiáng)80Ci)，M100(C2)膠片，透照方式為雙壁單影，透照時(shí)間為40 min，焦距為457 mm，鉛增感屏厚度為前后0.2 mm。底片經(jīng)處理后黑度為2.0～4.0，可見像質(zhì)計(jì)絲徑為10號(hào)絲。

2.2 相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備及參數(shù)

相控陣超聲檢測(cè)采用汕頭超聲生產(chǎn)的SyncScan型便攜式相控陣檢測(cè)儀器，匹配Doppler FC02型掃查架以及頻率為5 MHz的32晶片線陣探頭，相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備實(shí)物如圖3所示。

圖3 相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備實(shí)物

相控陣超聲檢測(cè)參數(shù)為：① 相控陣探頭晶片數(shù)量為32，一次激發(fā)全部32個(gè)晶片，頻率為5 MHz，相鄰晶片中心間距為0.5 mm，晶片長度為10 mm；② 聲束在鋼中折射角設(shè)置為60°，產(chǎn)生的扇形掃查范圍為35°73°，采用一、二次波同時(shí)檢測(cè)的方式，聲束覆蓋示意如圖4所示，在此條件下可實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)對(duì)焊縫及其兩側(cè)寬度各為10 mm的熱影響區(qū)的全覆蓋，從聲束覆蓋模擬情況看有一部分聲束未能覆蓋焊縫，這是由于受根部余高形狀及其尺寸影響，部分聲束被反射偏離了原聲束反射路線。但實(shí)際上，熔化焊焊縫的根部余高高度一般小于設(shè)置值，反射聲束偏離原聲束反射路線的情況優(yōu)于模擬情況，實(shí)際聲束是具有一定寬度，因此實(shí)際上聲束對(duì)焊縫仍為全覆蓋；③ 基準(zhǔn)靈敏度為2 mm直徑的橫通孔，φ2 mm-12 dB為判廢線，φ2 mm-18 dB為定量線，φ2 mm-24 dB為評(píng)定線；④ 探頭前沿距焊縫中心距離為58 mm，焦點(diǎn)位于1.5倍板厚(48 mm)處；⑤ 掃查方式為線性掃查，以試件的0點(diǎn)為起點(diǎn)，沿著標(biāo)記方向進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)終點(diǎn)在檢測(cè)起點(diǎn)前方20 mm處；⑥采用相控陣超聲檢測(cè)儀器自帶SuporUp V2.01.00軟件進(jìn)行圖像分析，確定缺陷的檢出情況、定位、定量等信息，檢測(cè)圖像分析界面如圖5所示。

圖4 聲束覆蓋示意

圖5 檢測(cè)圖像分析界面

3 數(shù)據(jù)分析

采用上述相控陣超聲檢測(cè)工藝對(duì)6種規(guī)格的模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)，并與傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)的缺陷檢出率、缺陷定位誤差和缺陷定量誤差進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 缺陷檢出率對(duì)比分析

6種規(guī)格的模擬試塊共設(shè)計(jì)預(yù)埋缺陷126個(gè)，包含66個(gè)面積型缺陷和60個(gè)體積型缺陷。PAUT能夠檢出全部預(yù)埋缺陷，并檢測(cè)出60個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)缺陷(獎(jiǎng)勵(lì)缺陷定義為非預(yù)埋的自然缺陷)，檢出率為100%；RT能夠檢出98個(gè)預(yù)埋缺陷，28個(gè)預(yù)埋缺陷未檢出，但檢測(cè)出26個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)缺陷，檢出率為77.77%。

總的來說，PAUT能夠檢出RT檢出的全部缺陷，且PAUT比RT多發(fā)現(xiàn)62個(gè)缺陷(含獎(jiǎng)勵(lì)缺陷)，多發(fā)現(xiàn)的缺陷種類及數(shù)量分布情況如圖6所示，多為點(diǎn)狀缺陷和裂紋，可能由于部分裂紋高度較小且?guī)缀鯙殚]合狀態(tài)，射線對(duì)此類裂紋的檢測(cè)靈敏度較低，但PAUT的缺點(diǎn)是2 mm以下的點(diǎn)狀缺陷的檢測(cè)回波高度不大。姚子龍等[1]也得到類似的結(jié)論，相控陣超聲很容易發(fā)現(xiàn)射線檢測(cè)無法檢出的面積型缺陷，但是對(duì)于氣孔類缺陷，相控陣超聲檢測(cè)靈敏度不及射線檢測(cè)的。同時(shí)，相控陣超聲檢測(cè)定性時(shí)對(duì)評(píng)圖人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高，因而部分缺陷的相控陣超聲檢測(cè)定性結(jié)果與射線檢測(cè)定性結(jié)果存在一定差異(見表2)，但PAUT的定性結(jié)果均嚴(yán)于或等同于射線檢測(cè)的結(jié)果。趙曉鑫等[2]提出，相控陣檢測(cè)與射線檢測(cè)相比，顯示方式多樣化、實(shí)現(xiàn)了圖像存儲(chǔ)數(shù)字化，可以從不同方向觀察缺陷的走向，實(shí)現(xiàn)缺陷的三維定位和定量，并據(jù)此可初步判斷缺陷的性質(zhì)。

表2 部分PAUT與RT定性結(jié)果存在差異的缺陷 mm

圖6 PAUT比RT多發(fā)現(xiàn)的缺陷種類及數(shù)量分布

3.2 缺陷定量情況對(duì)比分析

射線檢測(cè)僅可對(duì)缺陷長度進(jìn)行定量和評(píng)判，而相控陣超聲檢測(cè)除了缺陷長度外還可對(duì)缺陷高度進(jìn)行定量，筆者僅針對(duì)射線檢測(cè)和相控陣超聲檢測(cè)的缺陷穩(wěn)定量情況進(jìn)行對(duì)比分析。其中，面積型缺陷采用-6 dB法進(jìn)行測(cè)長；體積型缺陷若采用-6 dB法測(cè)長后測(cè)得缺陷長度大于6 mm，則采用-6 dB法測(cè)長；體積型缺陷若采用-6 dB法測(cè)長后測(cè)得缺陷長度不大于6 mm，則采用-3 dB法測(cè)長。

針對(duì)體積型缺陷制定上述測(cè)量方法，這是因?yàn)槟M試塊中制作的體積型模擬缺陷多為較小的點(diǎn)狀缺陷(缺陷尺寸小于聲束寬度)，采用-6 dB法測(cè)長時(shí)，測(cè)量結(jié)果受聲束直徑寬度的影響較大(測(cè)量結(jié)果與聲束寬度相當(dāng))，王雪等[3]在對(duì)管道環(huán)焊縫采用-6 dB測(cè)高法進(jìn)行缺陷高度定量時(shí)，得到的結(jié)果誤差較大(所得缺陷尺寸普遍偏大，離散程度較大)，因此定量方法仍需改進(jìn)；采用當(dāng)量法測(cè)長時(shí)，測(cè)量結(jié)果受缺陷本身粗糙度和性質(zhì)的影響，誤差比較大(小于缺陷尺寸)；采用-3 dB法測(cè)長時(shí)，測(cè)量結(jié)果受聲束直徑寬度影響，誤差比-6 dB法測(cè)長的小(與聲束直徑寬度2/3相當(dāng))。

以管外徑為457 mm，壁厚為31.75 mm的碳鋼管對(duì)接焊縫模擬試塊為例，采用2.2節(jié)所用探頭和楔塊進(jìn)行-6 dB和-3 dB聲束寬度仿真模擬，得到的結(jié)果如表3所示，其聲束寬度在一定程度上反映了所用探頭楔塊可檢測(cè)缺陷的最小尺寸情況。

同時(shí)，對(duì)管道對(duì)接焊縫，缺陷實(shí)際長度I按式(1)計(jì)算。

I=L×(R-H)/R

(1)

式中：L為測(cè)定的缺陷指示長度;R為管子外徑;H為缺陷距外表面深度。

管外徑為457 mm，壁厚為31.75 mm的碳鋼管道對(duì)接焊縫模擬試塊缺陷的PAUT與RT檢測(cè)結(jié)果如表4所示。由表4可知：采用上述測(cè)量方法，除序號(hào)9和序號(hào)21的缺陷外，其余缺陷的定量誤差均為-0.14～+2.86 mm，且序號(hào)9和序號(hào)21的缺陷測(cè)量誤差均為正偏差，PAUT測(cè)長結(jié)果嚴(yán)于RT檢測(cè)的。PAUT所測(cè)缺陷長度較大，這可能是由于裂紋和未熔合等面積型缺陷具有方向性，多數(shù)情況下缺陷取向不垂直于射線照射方向，且部分區(qū)域閉合使得底片對(duì)比度較差而無法顯示[4]，導(dǎo)致RT所測(cè)長度小于缺陷的實(shí)際長度，陳文虎等[5]也提出結(jié)合使用相控陣超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)技術(shù)能夠有效提高未熔合的檢出率。

表4 外徑457 mm、壁厚31.75 mm管對(duì)接焊縫的PAUT與RT檢測(cè)結(jié)果 mm

此外，對(duì)于筆者制作試塊中的密集氣孔缺陷，PAUT和RT均能有效檢出，PAUT定量誤差為0.41 mm。馮云國等[6]也對(duì)密集氣孔使用X射線、常規(guī)超聲、TOFD和相控陣超聲等4種檢測(cè)方法進(jìn)行了檢測(cè)分析。對(duì)于RT檢測(cè)，在觀片燈下可以清晰地觀察到密集氣孔位于焊縫中心線附近，同時(shí)缺陷的定性、定量也非常準(zhǔn)確，分辨率也較高，但其在深度的測(cè)量上存在困難。相控陣超聲掃查過程中，通過儀器模式的切換，可觀察到試件俯視圖、側(cè)視圖、扇形掃查圖中均有缺陷存在，結(jié)合各種掃查成像圖，可以判斷缺陷性質(zhì)為密集氣孔，但與射線檢測(cè)相比，其在定量和分辨率上還存在一定差距。

3.3 缺陷定位情況對(duì)比分析

射線檢測(cè)僅可對(duì)缺陷的水平方向進(jìn)行定位，而相控陣超聲檢測(cè)除缺陷水平方向的定位外還可對(duì)缺陷的深度進(jìn)行定量，文章僅針對(duì)射線檢測(cè)和PAUT檢測(cè)的缺陷水平方向的定位情況進(jìn)行對(duì)比分析。由于RT的定位結(jié)果受編碼帶、影像放大等因素的影響較大，對(duì)PAUT和RT定位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比不具有建設(shè)性意義，PAUT與RT的定位偏差約為±10 mm，故可以將PAUT的定位數(shù)據(jù)與廠家出廠檢測(cè)(UT)的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者定位偏差不超過±3 mm。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)制作了6種外徑不小于114.3 mm、厚度為12.7～51.5 mm，包含不同體積型和面積型自然缺陷的模擬試塊，制定了相控陣超聲檢測(cè)工藝，并與傳統(tǒng)射線檢測(cè)技術(shù)的缺陷檢出率、缺陷定位誤差和缺陷定量誤差進(jìn)行對(duì)比分析，得出了以下結(jié)論。

(1) PAUT能夠檢出RT所檢出的全部缺陷，且PAUT比RT多發(fā)現(xiàn)62個(gè)缺陷(多數(shù)為點(diǎn)狀缺陷和裂紋)，但PAUT檢測(cè)2 mm以下的點(diǎn)狀缺陷時(shí)回波高度不大，效果不理想。同時(shí)，相控陣超聲檢測(cè)定性時(shí)對(duì)評(píng)圖人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高，因而部分缺陷的相控陣超聲檢測(cè)定性結(jié)果與射線檢測(cè)的定性結(jié)果存在一定差異，但PAUT的定性結(jié)果均嚴(yán)于或等同于射線檢測(cè)。

(2) 射線檢測(cè)僅可對(duì)缺陷的水平方向進(jìn)行定位，而相控陣超聲檢測(cè)除缺陷水平方向的定位外還可對(duì)缺陷的深度和自身高度進(jìn)行定量，PAUT的定位數(shù)據(jù)與廠家出廠檢測(cè)的定位數(shù)據(jù)相比偏差不超過±3 mm。

(3) 通過選擇合適的檢測(cè)系統(tǒng)和制定專用的檢測(cè)工藝，對(duì)核電厚壁碳鋼管道對(duì)接焊縫，相控陣超聲檢測(cè)能夠達(dá)到甚至優(yōu)于傳統(tǒng)射線檢測(cè)的檢出能力，具備工程應(yīng)用的技術(shù)條件，具有廣闊的應(yīng)用前景。