彎頭內表面應力腐蝕裂紋的超聲檢測

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(1.中廣核核電運營管理有限公司，深圳 518214；2.大亞灣核電運營管理有限責任公司，深圳 518214；3.哈爾濱工業大學威海分校，威海 264200)

某系統管道中大量使用奧氏體不銹鋼彎頭,對于此類彎頭，在設計上已經從材料、制造工藝等方面考慮了防止出現應力腐蝕開裂的問題，因此一些標準規范和國內外反饋都沒有針對彎頭應力腐蝕裂紋方面的檢查。但是，從彎頭出現裂紋的金相分析結果來看，彎頭原材料在彎制的冷加工過程中，有可能產生較大的殘余應力。在役期間彎頭內壁又承受著高溫、高壓含硼水沖刷的作用，受力情況復雜，工況惡劣；在累計運行時間足夠長的情況下，具備了形成應力腐蝕開裂的條件。因此，必須通過超聲檢測等手段檢測彎頭內壁應力腐蝕裂紋發展狀態，并采取維修措施。

目前，國內外對于該類管道的超聲檢測主要集中在熱疲勞裂紋的檢查。但是，該類管道內壁在制造及在役運行等期間形成的應力腐蝕裂紋與熱疲勞導致的裂紋形貌有很大不同。超聲檢測時，被檢管道的幾何形狀尺寸、裂紋缺陷的形貌及方向等對于超聲回波信號的影響都很大。筆者根據管道彎頭結構尺寸、缺陷形貌進行了理論計算，設計了超聲探頭、對比試塊、掃查方式等，確保了超聲檢測的可靠性。

1 彎頭失效機理及案例

1.1 彎頭典型失效機理

1.1.1 冷熱混流熱疲勞

熱疲勞是由管道中介質溫度的周期性變化引起的，而溫度周期性變化則由周期性的冷水流或者熱水流泄漏到管道區域引起。不穩定的熱分層會導致冷熱交替區域的應力交變，從而產生熱疲勞問題。

1.1.2 彎頭應力腐蝕裂紋

彎頭在彎曲成型后未按要求進行固溶處理，致使該類彎頭在長期高溫、高壓含硼水沖刷的服役過程中產生了應力腐蝕裂紋。

1.2 裂紋缺陷位置形貌

1.2.1 熱疲勞裂紋

熱疲勞裂紋常發生在靠近焊縫區域和管道(包含彎頭)上，靠近焊縫部分的一般為周向裂紋，如圖1(a)所示；管道上的裂紋一般為平行于管道軸向的平行裂紋或者龜裂，如圖1(b)所示。

圖1 熱疲勞裂紋外觀

通過金相顯微鏡觀察熱疲勞裂紋，可以清晰看到其萌生于內表面，屬于穿晶裂紋(見圖2)。

圖2 熱疲勞裂紋金相檢驗結果

1.2.2 制造原因引起的應力腐蝕裂紋

國外某核電機組管道彎頭的應力腐蝕裂紋在彎頭上的分布都與彎頭軸線呈一定角度，一般為30°～45°，基本沒有周向裂紋或與軸線平行的裂紋(見圖3，4)。

圖3 國外某核電機組管道彎頭裂紋外觀

圖4 國外某核電機組管道彎頭裂紋金相檢驗結果

在顯微鏡下觀察發現的應力腐蝕裂紋都為沿晶裂紋(晶間裂紋)。

1.3 管道失效案例

熱疲勞導致管道(包含彎頭)失效的統計信息如表1所示，從統計數據可以看出，熱疲勞產生的裂紋主要為軸向、周向裂紋，龜裂等。

表1 熱疲勞導致管道(包含彎頭)失效的統計信息

2 檢測過程

2.1 檢測對象

試驗研究的對象為管道彎頭，參考ASME(美國機械工程師學會)規范和行業標準，對直徑超過254 mm的彎頭可以采用無曲率的試塊，相當于對平面進行檢查。探頭和試塊設計研發時，選取了2″，3″，4″，6″，12″等5種規格編號的彎頭。

2.2 檢測區域

對于同一個彎頭，超聲波探頭與其內拱、外拱、上下側面接觸面的貼合情況有明顯不同，對這3個區域需要單獨設計并計算檢測區域。因此將這3個區域分成獨立的區域：Ⅰ區(外拱區)，Ⅱ區(上下側面)，Ⅲ區(內拱區)。彎管掃查分區示意如圖5所示。

圖5 彎管掃查分區示意

3 掃查方式的改進

目前，國內外對該類管道(包含彎頭)通用的掃查方式為“十字形”掃查，其目的是檢查周向裂紋和軸向裂紋。

根據某國外核電機組的管道彎頭應力腐蝕裂紋的UT(超聲檢測)、RT(射線檢測)、VT(目視檢測)結果的對比，在彎頭處發現的裂紋并不是規則的軸向裂紋或者周向裂紋，這樣在周向掃查和軸向掃查時，就無法使超聲波的入射方向與缺陷表面垂直。聲束垂直于缺陷表面時缺陷波最高；但是當聲束與缺陷表面有傾角時，缺陷波高隨入射角的增大而急劇下降，因此缺陷漏檢的可能性很大。

為了提高缺陷的檢出率，改進了超聲檢測工藝，由原來的 “十字形”掃查改為“米字形”掃查(見圖6)。

圖6 彎頭的超聲波掃查方式

考慮到探頭按照“米字形”軌跡在彎頭部位進行掃查時，45°和135°方向的彎頭曲率一直在發生變化，而探頭面的曲率固定，這樣容易造成耦合不好，影響缺陷的檢出率。但是這兩個方向的檢測必須予以保證，因此設計時要將探頭晶片發出聲束的方向與周向掃查形成45°和135°的夾角(見圖7)。這樣探頭運動方向為沿圓周方向，且曲率固定，同時45°和135°聲束保證了“米字形”的4個方向(見圖8)。

圖7 改進后的超聲波探頭聲束方向

圖8 改進后的超聲波探頭在彎頭上掃查聲束的方向

4 探頭理論分析

4.1 超聲波型的選擇

受檢部件的檢測區域為內表面，在晶粒較細的材料中，橫波在端角區域的傳播有較高的端角反射率；相反，縱波在端角區域的傳播過程中，將分離出較強的橫波成分，故端角反射率較低。根據受檢部件的材料特征，超聲探頭應選擇橫波探頭。

4.2 探頭角度的選擇

4.2.1 橫波檢測時角度計算

依據超聲波折射原理，當第二介質(彎頭) 中的縱波折射角等于90°時, 第二介質(彎頭) 中只有折射的橫波而沒有折射的縱波, 即此時的橫波折射角度最小。因此，為了保證使用純橫波檢測, 根據超聲波的折射定律可求出橫波在彎頭中的最小折射角度為33.81°，所以選擇探頭的角度應該不小于33.81°。

選擇合適探頭的同時還必須了解彎頭周向橫波檢測的幾何原理。超聲波束與內壁相切時的聲束路徑示意如圖9所示。

圖9 超聲波束與內壁相切時的聲束路徑示意

如圖9所示，由入射點P向管子內表面的延長波束畫入射線，并由圓心O引垂線與此線相交，折射角θ與θ1的關系為

sinθ1=sinθ/(1-2t/D)

(1)

當超聲波束與內壁相切時，即θ1=90°時，如果θ再增加，則意味著有效波束不能到達管子內壁，不能檢出內壁缺陷。所以將θ1=90°代入式(1)，即得到θ角的最大值。

θ=arcsin(1-2t/D)

(2)

則θ的范圍為33.81°≤θ≤arcsin(1-2t/D)。

由θ的范圍可知，探頭選擇的角度最小值固定，最大值取決于t/D(壁厚與管道直徑比值)。對于核電站一回路輔助管道彎頭，影響t/D的因素主要如下所述。

(1) 檢測對象規格

試驗研究的對象為管道彎頭，包含2″，3″，4″，6″，10″，12″，14″共7種規格編號。各個規格的彎頭都有自己的壁厚，t/D并非定值，因此對于不同規格的彎頭，其θ角最大值arcsin(1-2t/D)并不相同。各種規格彎頭對應的探頭角度如表2所示。

表2 各種規格彎頭對應探頭角度

(2) 掃查方式

因為增加了偏轉45°和偏轉135°的探頭聲束方向，這樣聲束與其在彎頭周向上的投影面就是一個復雜的略呈橢圓的型面，相當于壁厚和外徑都在變化，因此這兩個方向上的探頭理論計算部分非常繁瑣。探頭折射角由于受工件曲率的影響，并不能完全覆蓋整個壁厚區域，所以可以通過CAD軟件的角度計算和CIVA軟件模擬兩種方式選擇合理的角度。

圖10 橫波探頭端角反射范圍

4.2.2 端角反射時角度計算

橫波在端角處的聲壓反射率隨聲波入射角度的不同而變化(見圖10)，通常當聲波入射角度在35°～55°范圍內有較強的聲壓反射率。而根據sinθ1=sinθ/(1-2t/D)可知，θ1>θ,比如對于14″彎頭，當θ為45°時，θ1為65°，所以需要計算各個規格彎頭的θ值以保證端角反射，進而發現內壁處的裂紋。

4.2.3 探頭角度綜合選擇

根據上述探頭理論計算的結果，并且通過CIVA軟件模擬計算，聲波周向偏轉135°探頭選擇參數如表3所示。

表3 聲波周向偏轉135°探頭選擇參數

4.2.4 超聲探頭頻率的選擇

一般來說頻率越高，發射強度越高，分辨率也越高，但是頻率越高波長也越短。由于奧氏體不銹鋼材料晶粒組織較為粗大，對超聲波具有強烈的衰減作用，故采用橫波檢測時靈敏度變化較大。由于波長越短，衰減越大，所以對于壁厚薄的工件選擇4 MHz探頭，對于壁厚較厚的工件選擇2 MHz探頭。

4.2.5 耦合方式

為了提高耦合效果，探頭接觸面應盡量加工成與工件輪廓相吻合的弧面。但是為了利于探頭擺動掃查，在不影響耦合的情況下將接觸面加工為平面，如規格編號為12″和14″的彎頭。

4.3 試塊設計

4.3.1 標準試塊設計

標準試塊用于檢測超聲波探頭的主要性能參數，如探頭角度、頻率、前沿等，包括軸向和周向探頭性能測試兩種類型試塊。試塊的材料與被檢測對象相同，試塊上的人工反射體為長橫孔和圓弧面。

4.3.2 對比試塊設計

對比試塊主要用于基準靈敏度的確定，試塊的材料與被檢測對象相同，試塊上的人工反射體為長橫孔和內外表面矩形槽(見表4)。

表4 對比試塊規格

4.3.3 驗證試塊設計

驗證試塊主要用于確定檢驗靈敏度，具體的設計如表5所示。

表5 試驗驗證試塊規格

5 試驗過程

5.1 明測試驗

以對比試塊1 mm 深槽為基準靈敏度，規格編號為2″，3″，4″，6″，12″彎頭對應的試驗驗證試塊上長度為10 mm，深度為1 mm的管道軸向、周向和偏轉45°或135°的周向槽都能被檢出。

對2″彎頭驗證試塊采取6種探頭，從左偏、右偏及內外拱進行檢測，對6″彎頭驗證試塊采取多種探頭從周向及軸向、正反方向進行檢測，驗證了該探頭工藝方案的可靠性。

5.2 盲測試驗

按照彎管超聲檢測方法，對更換后的有真實裂紋缺陷的彎頭進行盲測，共發現3個區域的缺陷，具體檢測結果如下所述。

(1) 偏轉 45°探頭在彎頭母材上發現一個長150 mm，寬150 mm的區域,在此區域共有4處缺陷顯示，并進行了定量檢測。

(2) 偏轉 135°探頭在彎頭母材上發現一個長150 mm，寬150 mm的區域,在此區域共有4處缺陷顯示，并進行了定量檢測。

(3) 偏轉 45°探頭在熱影響區發現一處長度小于10 mm 的缺陷顯示，并進行了定量檢測。

將盲測結果與之前彎頭更換后進行的內表面目視、滲透檢測結果進行比對，確定檢測結果一致。

6 結語

對管道彎頭的結構尺寸、缺陷形貌進行了理論計算，設計了超聲探頭、對比試塊、掃查方式等，通過對比分析和試驗研究，確保了對核電站彎頭的超聲檢測的靈敏度和分辨力。