核電廠管道射線插塞焊縫的無損檢測

邱進杰，覃 磊，蔡家藩，陳海林

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

核電廠一回路、二回路系統管道上分布著大量射線插塞，這些插塞用于對管道焊縫進行定期射線在役檢查，射線檢測前需打磨去除插塞與管座頂部的密封接頭后旋出插塞，插入射線檢測專用工具后，將Ir-192或Co-60放射源通過導源裝置輸送到指定位置實施射線檢測，檢測結束后旋入插塞至底，反向90°擰緊，再對頂部進行密封焊復位。射線插塞也是一回路、二回路系統的高溫高壓核壓力邊界，近年來國內外核電廠已發生多起射線插塞焊縫失效而引發的緊急事件，給核電機組的穩定運行帶來巨大風險。針對插塞失效的情況，對射線插塞結構設計進行了優化，同時對插塞焊縫的無損檢測技術進行分析，探究適用于不同位置，行之有效的無損檢測方法。

1 檢測原理

1.1 射線插塞焊縫結構

射線插塞一般設計為可拆卸式結構，由管座和插塞兩部分組成，插塞管座外徑為42 mm，插塞直徑為29 mm，兩者材料均為P280GH碳素鋼。插塞管座與管道采用螺紋連接后以焊接的方式進行密封，同時為便于插塞的正常開啟，防止螺紋咬死，安裝插塞與管座螺紋時，要求插塞完全擰入管座后要回退1/4圈，再進行密封焊接。該安裝要求必然會導致插塞與管座螺紋配合不緊密，插塞實際處于松動狀態，機組運行期間密封焊縫將承受一定的交變載荷。射線插塞結構及連接方式如圖1所示。

圖1 射線插塞結構及連接方式示意

1.2 無損檢測技術分析

根據設計規范要求，插塞密封焊縫和角焊縫焊后應實施目視檢測和液體滲透檢測，但目視檢測和液體滲透檢測均是表面缺陷檢測方法，其中目視檢測只能對焊縫外觀成型、宏觀缺陷等進行識別判斷，滲透檢測也僅能檢測表面開口缺陷，無法有效檢出焊縫內的氣孔、夾渣、裂紋以及角焊縫與管道母材結合區的未熔合缺陷。

管座外圈與母材間的間隙會在射線底片上形成結構不連續影像，當該影像與焊縫結合處未熔合的影響重疊時，可能難以有效識別缺陷。因此，無法使用射線方法檢測插塞角焊縫內部區域。射線插塞焊縫透照方式如圖2所示。

圖2 射線插塞焊縫透照方式示意

由于各種檢測方法都有其特點和局限性，如果采用單一方法實施檢測，有可能造成特定缺陷的漏檢。因此，對于插塞與管座連接的密封焊縫，應采用液體滲透檢測方法進行定期檢驗，同時應增加焊縫熔池深度，提高焊縫強度。對于連接插塞管座與管道的角焊縫，應采用磁粉檢測方法檢測其表面及近表面區域，采用相控陣超聲技術檢測焊縫及焊縫與管道結合的區域。

2 射線插塞焊縫的無損檢測工藝

2.1 插塞密封焊縫的滲透檢測

插塞密封焊縫的焊接方法為手工氬弧焊，焊縫為平面密封焊縫，共焊接2層，打底層要求控制在較小電流范圍內施焊。電廠一般要求對插塞本體實施3次滲透檢測，第1次為焊接前，第2次為第1層焊好24 h后，第3次為最終焊好24 h后。

2.2 插塞管座角焊縫的相控陣超聲檢測

相控陣超聲技術將A型脈沖信號顯示為直觀的扇掃圖像，并且可有效區分焊縫的缺陷波與結構波，對檢測對象進行多角度、多方位的掃查，從而可降低缺陷漏檢概率，提高檢測可靠性。

2.2.1 相控陣超聲檢測設備及參數

采用Olympus Omniscan MX2型便攜式相控陣超聲檢測儀，匹配兩款線陣相控陣探頭，其中橫波相控陣探頭的檢測參數為：① 晶片數量為32，一次激發32個晶片，頻率為4 MHz，相鄰晶片的中心間距為0.7 mm，單個晶片寬度為0.6 mm，楔塊型號為N45S；② 采用φ1.5 mm橫通孔對基準靈敏度進行校準；③ 檢測目標為插塞角焊縫內的氣孔、裂紋等缺陷。縱波相控陣探頭的檢測參數為：① 晶片數量為16，一次激發16個晶片，頻率為5 MHz，相鄰晶片的中心間距為0.6 mm，單個晶片寬度為0.5 mm，楔塊型號為N0L；② 以管道母材厚度設置基準靈敏度；③ 檢測目標為角焊縫與管道結合區形成的未熔合缺陷。采用基于多軸運動的掃查裝置輔助實現超聲數據采集。

2.2.2 相控陣超聲檢測工藝

以扇形掃查的方式從管道側采用一次反射波對射線插塞角焊縫實施檢測。其中橫波扇形掃查檢測角焊縫的內部區域，扇掃角度為40°～55°,相控陣探頭前端距角焊縫邊緣約150200 mm，檢測時繞射線插塞運動整圈；縱波扇形掃查檢測角焊縫與管道母材結合區，扇掃角度為-15°0°，相控陣探頭前端距角焊縫邊緣約10 mm，檢測時繞射線插塞運動整圈。兩種扇形掃查方式的聲束覆蓋范圍如圖3所示。

圖3 兩種扇形掃查方式的聲束覆蓋示意

2.2.3 相控陣探頭運動軌跡

相控陣探頭運動時貼合在管道母材上7聲束一直指向射線插塞中心，其運動軌跡為橢圓形;探頭掃查面與管道母材形成的軌跡為馬鞍面，此時要保證探頭接觸面更小或者采用雙曲面探頭才能保證有效貼合。相控陣探頭運動軌跡如圖4所示，相控陣超聲檢測現場如圖5所示。應用軌跡金屬圈很好地控制相控陣探頭的移動方向及距離。

圖4 相控陣探頭運動軌跡示意

圖5 相控陣超聲檢測現場

2.3 插塞管座角焊縫的磁粉檢測

磁粉檢測采用XCEY-III型便攜式交叉電磁軛，其提升力不小于118 N，采用單相220 V，50 Hz工頻交流電產生磁場，通過移相實現(90°±5)°的電流相位差。磁軛間距為50100 mm時，該磁軛至少應具有135 N的提升力；間距為100150 mm時，至少應具有225 N的提升力。磁化時，令交叉磁軛中心線與射線插塞中心線重合，保證管座焊縫在交叉磁軛產生的旋轉磁場內。

3 射線插塞焊縫的無損檢測試驗

3.1 模擬試件

模擬試件的材料、規格與實際管道一致，射線插塞的規格及焊接工藝也與實際的一致。缺陷主要包括橫孔、未熔合、裂紋等，模擬試件缺陷信息如表1所示。

表1 模擬試件缺陷信息

3.2 缺陷的檢出

相控陣超聲可以檢測出模擬試件中所有的裂紋、未熔合及橫孔缺陷，磁粉檢測可以檢出所有的裂紋以及部分未熔合缺陷，詳細缺陷檢出情況如圖6所示。

圖6 模擬試件的詳細缺陷檢出情況

相控陣超聲檢測未熔合缺陷的平均信噪比為20.8 dB，檢測橫孔缺陷的平均信噪比為17.8 dB，檢測裂紋缺陷的平均信噪比為8.6 dB，所有缺陷的信噪比均大于6 dB。裂紋、未熔合缺陷的相控陣超聲檢測信號如圖7所示。

圖7 裂紋、未熔合缺陷的相控陣超聲檢測信號

磁粉檢測對呈樹枝發散狀的裂紋缺陷具有較好的檢測效果。對于未熔合類缺陷，磁粉檢測無法進行完全有效的判定，但可以結合超聲檢測情況進行綜合判定。裂紋、未熔合缺陷的磁粉檢測結果如圖8所示。

圖8 裂紋、未熔合缺陷的磁粉檢測結果

3.3 現場應用

在國內某核電廠大修期間，采用該無損檢測技術對二回路管道射線插塞的密封焊縫實施了滲透檢測，對角焊縫實施了磁粉檢測和相控陣超聲檢測。角焊縫采用Omniscan MX2型相控陣超聲檢測儀、OmniPC采集軟件以及半自動掃查器進行數據采集，現場插塞角焊縫的相控陣超聲檢測信號如圖9所示，插塞管座螺紋區信號在扇形圖像中呈垂直分布，與實際工件中保持一致。

圖9 現場插塞角焊縫的相控陣超聲檢測信號

4 結語

相控陣技術可以檢出射線插塞焊縫中的未熔合、裂紋等缺陷。磁粉檢測技術可以檢出射線插塞焊縫中的裂紋缺陷，對未熔合缺陷易產生漏檢，但可結合超聲檢測情況進行綜合判定。

對射線插塞角焊縫及密封焊縫采用單一方法實施檢測均有可能造成特定缺陷的漏檢，因此，對密封焊縫應采用液體滲透檢測，對角焊縫應采用相控陣超聲與磁粉檢測相結合的方式實施檢測。

本文獲“奧林巴斯杯2021超聲檢測技術優秀論文評選”活動優秀獎。