超聲衍射時差法用于核電站常規(guī)島管道焊縫檢測的可行性

惠維山，鐘　華，穆曉忠

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

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超聲衍射時差法用于核電站常規(guī)島管道焊縫檢測的可行性

惠維山，鐘華，穆曉忠

(中廣核工程有限公司， 深圳 518124)

根據(jù)核電站常規(guī)島管道焊縫施工特點，設計制作了帶有人工缺陷的試塊，對試塊進行了超聲衍射時差法(TOFD)、射線及超聲檢測，并對檢測結果從檢出率、缺陷定位、缺陷定量及缺陷評級等方面進行了對比分析。結果表明，TOFD方法在管道檢測方面具有較高的可靠性。通過在工程現(xiàn)場進行TOFD和射線檢測試驗，表明TOFD方法在核電站常規(guī)島中的應用是可行的。

TOFD；常規(guī)島；應用

超聲衍射時差法(簡稱TOFD)以其檢測效率高、成像直觀、結果易保存、缺陷自身高度測量精度高、安全無輻射等特點，在石油化工壓力容器檢測中得到廣泛應用[1-2]。TOFD方法經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)成為除射線、常規(guī)超聲檢測之外的重要檢測手段，美國、歐洲和中國也相繼頒布了相關檢測法規(guī)和標準[3-6]。但該技術在管道焊縫檢測方面應用較少，在核電站施工領域尚未開始應用。

筆者針對核電站常規(guī)島常用材料焊縫，制作了裂紋、未焊透、未熔合、夾渣等人工缺陷，對TOFD、超聲檢測(UT)及射線檢測(RT)中的缺陷評級、缺陷測長、測深、缺陷自身高度測量等方面內容進行了對比分析，論證了TOFD方法的可靠性，為TOFD方法在核電站常規(guī)島管道焊縫檢測中的應用提供依據(jù)。

1　對比試驗方案

1.1試塊設計與制作

由于金屬材料組織不同，對超聲波的聲學特性有一定影響，為使試驗更接近于工程實際情況，選取核電站常規(guī)島常用的3種材料：20Cr、P22、WB36CN1進行焊接，設計的人工缺陷尺寸模擬常規(guī)島管道常見缺陷，如裂紋、夾渣、未熔合、未焊透、氣孔等。

1.2檢測系統(tǒng)及工藝

為更好地驗證和比較各類檢測方法在核電站常規(guī)島檢測中的適用性，筆者所設計缺陷均來自現(xiàn)場經(jīng)驗，所選檢測工藝均依照現(xiàn)有檢測標準制定。

1.2.1TOFD檢測系統(tǒng)及工藝

根據(jù)NB/T 47013.10-2010《承壓設備無損檢測 第10部分:衍射時差法超聲檢測》標準，對于厚度為15～35 mm的試塊，采用一個檢測分區(qū)，推薦探頭的頻率范圍為5～10 MHz，角度范圍為60°～70°，晶片直徑為2～6 mm。選擇5 MHz(直徑6 mm)和7.5 MHz(直徑3 mm)兩種常見頻率，60°和70°兩種角度，分別檢測厚20,30 mm工件，利用聲學覆蓋分析進行工藝設計，掃查探頭中心間距(PCS)按照標準規(guī)定的聲束覆蓋范圍深度的2/3選取，得到8組工藝參數(shù)，見表1。

表1　檢測工藝及盲區(qū)參數(shù)

1.2.2射線檢測工藝

射線檢測執(zhí)行JB/T 4730.2-2005《承壓設備無損檢測第2部分: 射線檢測》標準，所用儀器型號為X-3005-17，焦點尺寸為2.5 mm×2.5 mm ，焦距為700 mm，電壓為230 kV，曝光量為15 mA·min，增感屏為Pb 0.1/0.1 mm，膠片型號為柯達MX125，顯影溫度20 ℃，顯影時間5 min，定影時間10 min。

1.2.3常規(guī)超聲檢測工藝

超聲檢測執(zhí)行JB/T 4730.3-2005《承壓設備無損檢測第3部分: 超聲檢測》標準，儀器為PXUT-2，試塊型號為CSK-ⅠA和CSK-ⅢA，掃描速度按深度1∶1調節(jié)，掃查范圍大于2.5TK(T為母材厚度;K為探頭K值)，掃查方式為鋸齒形移動和擺動，評定線、定量線和判廢線分別為φ1 mm×6 mm-9 dB、φ1 mm×6 mm-3 dB、φ1 mm×6 mm+5 dB，表面補償4 dB。

2　試驗結果分析

2.1檢出率比較

試驗利用三種方法共檢測出38個缺陷，包括圓形缺陷，長條形缺陷、裂紋、未焊透、層間未熔合和坡口未熔合缺陷。缺陷檢出數(shù)如表2所示。

表2　缺陷檢出數(shù)　個

從表2可以看出:采用TOFD、超聲、射線檢測分別對裂紋、層間未熔合、圓形缺陷三類缺陷的檢出率差異較大，其中超聲有1個近表面裂紋未檢出，與超聲波束的取向性較差有關，因此未被檢出。射線有3個裂紋未檢出，射線對裂紋類缺陷的檢測靈敏度低于超聲和TOFD。對層間未熔合等具有一定取向性的小缺陷，超聲和射線的檢出能力都較差，而TOFD可以檢出所有的層間未熔合缺陷，TOFD的回波特征類似圓形缺陷。

圓形缺陷分單個圓形缺陷和密集型氣孔兩類，對于單個氣孔、夾渣和夾鎢，射線和TOFD均全部檢出，而超聲全部漏檢，通過射線檢測結果得到的圓形缺陷尺寸為φ1～φ4 mm，這說明TOFD的檢測靈敏度達到10 mm深度的φ1 mm氣孔。對密集型氣孔，超聲的檢出率較高，但仍有1個缺陷漏檢，而射線和TOFD均全部檢出。對坡口未熔合、未焊透和長條形夾渣等缺陷，三種方法均全部檢出。

從以上分析可以看出，TOFD檢測具有明顯的優(yōu)勢：① TOFD檢測結果與射線檢測結果都是以二維圖像顯示，具有較高的缺陷檢出率。② TOFD對氣孔、夾雜等缺陷具有較高檢出率。③ TOFD所采集的衍射信號與缺陷取向無關，因而對裂紋有較高的檢出率。

2.2缺陷定位比較

定位包括深度、距離焊縫中心的距離和沿焊縫長度三個值。沿焊縫軸線方向的長度主要通過缺陷測長；由于TOFD的非平行掃查存在軸偏移誤差，而無法準確得到距離焊縫中心的距離；只有TOFD和超聲可以測出缺陷深度，故主要分析這兩種方法在深度定位方面的差異。

超聲檢測獲得缺陷最大回波位置深度，而TOFD獲得缺陷上下尖端衍射信號，因此TOFD獲得的缺陷深度值一般小于超聲檢測獲得的深度值，但實際試驗時也存在TOFD測得值大于超聲檢測的情況(見圖1)，由于差異較小，對工程應用無影響。從缺陷種類上來說，分布在工件中部和底面缺陷的深度測量差異較近表面缺陷的要小。對焊縫中部存在的裂紋、未熔合等缺陷，深度測量差異基本在3 mm以內。

圖1　超聲檢測和TOFD檢測試塊缺陷深度比較

2.3缺陷長度測量比較

對于缺陷長度的測量，射線檢測結果一般比較準確，因為射線檢測獲得的是缺陷在檢測平面的投影，可以直接測量得到缺陷長度。常規(guī)超聲檢測常用6 dB法，得到的為指示長度。TOFD在測長方面同樣不具備優(yōu)勢，一般采用拋物線指針對缺陷信號進行測長，但是由于TOFD檢測出缺陷圖像的邊界不易準確識別，因此其測長存在較大的人為誤差。

三種方法測長均存在較大的差異性。對裂紋類缺陷來說，有4個裂紋的TOFD測長與射線測長差異小于5 mm，其他裂紋測長均存在較大差異，所對應的缺陷為橫向裂紋，TOFD對橫向裂紋所檢出的長度為沿焊縫方向，圖像測長一般較小。常規(guī)超聲與射線檢測的差異要大于TOFD。TOFD測長結果大于射線測長的裂紋數(shù),占裂紋總數(shù)的44%，但總體來說，在裂紋測長法中，TOFD與射線相比不具備優(yōu)勢。

對于3個條形夾渣，從TOFD和射線圖像上看到，其具有明顯的長條形缺陷特征，但TOFD測長與UT和射線對比存在約不大于5 mm的誤差。總體來說，對較明顯的條形缺陷，TOFD依然不能保證缺陷測長的準確性和重復性。

對坡口未熔合缺陷來說，TOFD測長與射線檢測結果總體較為接近，且均略低于射線檢測結果，從射線檢測結果可以看到，所制作的未熔合缺陷均為清晰的平行于焊縫的長條形缺陷，因此其測長準確度較高。常規(guī)超聲與射線檢測的差異要大于TOFD。

對于密集型氣孔來說，從射線圖片可以看到，一些密集型氣孔為多個孔無規(guī)則排布在一起，另一些密集型孔為由2～3個氣孔排布為一條近似直線，此時其TOFD圖像有類似長條形缺陷的特征，從圖可以看到，這類缺陷的測長準確率較隨機排布氣孔的高。常規(guī)超聲與射線檢測的差異要大于TOFD。

對于圓形缺陷來說(單個氣孔或夾渣)，超聲均未檢出，因此通過對比TOFD和射線檢測結果可以看出，基本上TOFD測長值要大于缺陷實際值，這也驗證了TOFD檢測易將良性缺陷判定為不合格的問題。2.4長條形缺陷高度測量與質量評級

三種檢測方法在現(xiàn)行標準中均規(guī)定不允許存在裂紋、未熔合、未焊透等缺陷；而點狀、線狀缺陷無法測高，因此質量評級標準以條形缺陷測高為主。對試驗中可測的條狀缺陷進行平行掃查，由于設計的3個條形缺陷長度較長，高度較高，射線評定為Ⅳ級,TOFD和常規(guī)UT評定為Ⅲ級,均為最高級。在較大尺寸缺陷的評級方面,三種方法均能有效檢出,評定級別相當。

3　現(xiàn)場應用試驗

為進一步驗證試驗結果的可靠性，在現(xiàn)場選取了12條焊縫，拍攝42張射線底片進行了對比分析，通過統(tǒng)計得出的缺陷檢出數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　現(xiàn)場試驗缺陷檢出數(shù)比較

現(xiàn)場試驗表明，TOFD在常規(guī)島現(xiàn)場管道焊縫具備使用環(huán)境，國家質檢總局針對TOFD檢測人員有專門的培訓考核項目。射線檢測在現(xiàn)場采用雙壁單影透照方式進行，因透照厚度大，曝光時間長，而使得焊縫內小圓形缺陷不易檢出，TOFD則可以避免此類情況發(fā)生。在評級方面，TOFD個別評級較射線寬松，但總體結論均合格，不影響焊接質量的評判。

4　結論

(1) TOFD檢測技術已廣泛應用于國內外民用制造行業(yè)，并已形成完善的標準體系和人員培訓考核體系。TOFD檢測為一維掃查，檢測速度較常規(guī)超聲和射線有較大幅度提高，特別是不涉及輻射防護，為安裝、調試節(jié)省大量時間，利于確保工程進度。

(2) 在缺陷檢出率方面，超聲、射線和TOFD的檢出率分別為71%,87%和100%，超聲易漏檢氣孔、夾渣等圓形缺陷，射線易漏檢裂紋等面積型缺陷。

(3) 在缺陷深度測量方面，超聲和TOFD的深度測量差異小于3 mm。

(4) 在缺陷測長方面，TOFD與射線測長根據(jù)缺陷類型不同，存在不同程度差異，對于較為規(guī)則長條形缺陷，兩種方法測長差異均小于5 mm。

(5) 針對長條形缺陷，TOFD與射線檢測在缺陷長度方面的質量評級規(guī)定相同，但TOFD還對缺陷高度做出要求，TOFD的評價標準較射線嚴格。

綜合分析認為，在核電常規(guī)島安裝工程中厚壁管道焊縫檢測中,TOFD代替射線檢測是可行的。

[1]CARVALHO A A, REBELLO J M A, SOUZA M P V, et al. Reliability of nondestructive test techniques in the inspection of pipelines used in the oil industry[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping,2008, 85(11):745-751.

[2]韓相勇，姜自安，韓曙光.超聲TOED技術在管道環(huán)焊縫檢測中的應用[J].無損檢測，2008,30(1):61-63.

[3]鄭暉，胡斌，林樹青.國外TOFD檢測標準分析和比較[J].無損檢測，2007, 29(3): 150-154.

[4]BS 7706:1993 Guide to calibration and setting-up of the ultrasonic time of flight diffraction (TOFD) technictue for defect detection[S].

[5]ENV 583-6:2000 Nondestructive testing-ultrasonic examination-Part6:Time-of-flight diffraction technique as a method for detection and part sizing of discontinuities[S].[6]ASME Code Case 2235-9. Use of ultrasonic examination in lieu of radiography section I and section Ⅶ，division 1 and 2[S].

The Feasibility of TOFD Detection in Nuclear Power Conventional Island Pipeline Weld

HUI Wei-shan, ZHONG Hua, MU Xiao-zhong

(China Nuclear Power Engineer Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

According to the construction features of conventional island of nuclear power plant, test blocks with artificial defects were designed and manufactured. The TOFD, X-ray and conventional ultrasonic detection on the test block were performed. The detection results from the detection rate, defect location and quantification of defects and defect rating were compared and analyzed. Results show that the TOFD technique in pipeline detection is of high detection reliability. By means of TOFD and radiographic testing in engineering, the application of TOFD technology in conventional island of nuclear power plant is feasible.

TOFD; Conventional island; Application

2016-01-29

惠維山(1975-)，男，高級工程師，主要從事核電站建設期間的材料、焊接的無損檢測技術和質量管理工作。

惠維山, E-mail: huiweishan@cgnpc.com.cn。

10.11973/wsjc201609010

TG115.28；TL4

A

1000-6656(2016)09-0037-03