核電廠BOSS頭焊縫相控陣超聲檢測技術

，， ，，

(中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215026)

核電廠主回路系統和二三級部件中使用了大量的安放式BOSS頭焊縫，該類焊縫承受著和主管相同的溫度和壓力，易出現缺陷。BOSS頭焊縫的失效泄漏，將會影響機組的運行和安全；特別是回路系統中還包含著放射性介質，并且放射性介質泄漏后的維修難度大，沾污風險高，會嚴重影響機組大修整體工期。

目前核電站支管角焊縫采用的無損檢測方法主要有射線[1]和滲透檢測法，但由于檢測對象的馬鞍形幾何特性，射線探傷易出現部分區域不可達的問題，并且存在需要使用射線源、工作過程繁瑣、有輻照風險、工期長等局限性；而滲透檢測無法對管座角焊縫的內部缺陷進行檢測。而相控陣超聲檢測技術[2]具有可多角度掃查、不同深度聚焦等特點，特別適合于核電站支管角焊縫掃查區域狹小、聲波衰減嚴重的場合。

筆者針對核電廠典型的BOSS頭焊縫的結構形式和特點，開展了相控陣超聲檢測技術的研究，主要內容包括相控陣探頭設計、檢測工藝方案設計和人工缺陷驗證，以及現場檢測試驗，并將檢測結果與射線檢測結果進行了對比。

1 檢測方案

1.1 被檢對象分析

核電廠BOSS頭焊縫主要為手工焊接的安放式管座角焊縫，其基體金屬為奧氏體不銹鋼材料Z2CN18.10或Z2CND18.12N，填充金屬均為ER316L+E316L，焊縫坡口形式多樣。筆者選取兩種典型BOSS頭焊縫進行分析，焊縫坡口形式如圖1所示，具體規格尺寸等參數見表1。

BOSS頭為工廠預制，現場手工焊接，焊接完成后根據支管尺寸進行鉆孔，再對焊縫表面進行修磨，以保證表面圓滑過渡，避免出現焊接應力集中問題，完成后進行表面滲透檢測。但是由于現場焊接環境、焊縫位置和人員狀態等因素影響，同種BOSS頭焊縫焊接成形的坡口角度、焊縫寬度和表面狀態等存在許多差異。

表1 核電廠典型BOSS頭焊縫的基本參數 mm

圖1 核電廠典型BOSS頭焊縫坡口形式

1.2 相控陣探頭

核電廠BOSS頭焊縫材料為奧氏體不銹鋼，具有晶粒粗大和各項異性特征。粗晶會引起聲波衰減、信噪比下降問題，且會造成超聲聲束能量衰減大、在晶界發生散射以及波形轉換現象；各向異性特征會引起聲束彎曲，造成顯示定位不準的問題；并且由于BOSS管座的尺寸限制，較小尺寸的探頭能量低，發現缺陷的能力受到限制，但是大尺寸探頭耦合效果差，探頭可貼合范圍小。

針對上述難點，在相控陣探頭類型、頻率和晶片等參數選擇時考慮以下原則。

(1) 探頭類型：由于BOSS頭支管尺寸較小，相比于雙晶探頭,單晶線陣探頭的尺寸要小得多，更利于貼合BOSS表面，有利于缺陷檢出。考慮工件小曲率的特點，采用弧面晶片探頭，為了提高探頭耦合度，將探頭表面加工成與接觸表面相同的弧度。

(2) 探頭頻率：以獲得最佳信噪比的原則選擇探頭頻率。通常，頻率范圍為1.5～3.5 MHz的超聲波在不銹鋼材料中具有較強的穿透性并可兼顧一定的分辨力。

(3) 探頭晶片：BOSS頭焊縫厚壁均小于28 mm，選用較大晶片探頭能夠獲得較大的能量，在滿足穿透能力前提下，盡量選擇小晶片探頭。

針對上述技術難點，利用專業超聲仿真軟件CIVA進行仿真，依據仿真結果選擇了一維線陣探頭，其頻率為2.25 MHz,孔徑為8 mm×10 mm(主軸×次軸),晶片數量為16，楔塊類型為AOD42、101。所選相控陣探頭在兩種典型BOSS頭焊縫中的扇形掃查聚焦法則所產生的聲場分布如圖2所示。

圖2 相控陣探頭扇掃在BOSS頭中的聲場分布

由聲場的仿真計算結果可知，相控陣探頭聲場的-6 dB聚焦深度覆蓋范圍大于28.6 mm，可有效覆蓋典型BOSS頭焊縫的全壁厚范圍。

1.3 超聲工藝

針對這兩種 BOSS頭焊縫模型,采用1∶1比例繪制3D圖紙，導入CIVA仿真軟件，對超聲相控陣檢測工藝進行仿真設計，并對模擬缺陷檢出效果進行仿真，驗證工藝的可行性。對于第一種BOSS頭，可貼合探頭的直管段長度僅為18 mm，而探頭本身長16 mm，寬22 mm，前沿為8 mm，所以探頭只能貼在直管段檢測，可移動范圍小于2 mm。由于直管段內壁平整無螺紋結構干擾，壁厚較薄，可利用一次波和二次波進行檢測，仿真結果見圖3。

圖3 第一種BOSS頭相控陣超聲檢測工藝仿真

對于第二種BOSS頭，探頭可以貼合在斜管段(長度約40mm)和焊縫上，可移動范圍較大，具體移動范圍受焊縫表面打磨情況影響。由于斜管段壁厚較大，且厚度是變化的，優先考慮利用一次波進行檢測，仿真結果見圖4。

圖4 第二種BOSS頭相控陣超聲檢測工藝仿真

超聲檢測能力的仿真研究工作主要針對危害性最大的裂紋缺陷。一般采用矩形缺陷來模擬裂紋和未熔合，筆者采用的缺陷尺寸高3 mm，長5mm，用φ3 mm球型缺陷來模擬氣孔。使用相控陣探頭對典型BOSS頭焊縫進行檢測時，以其檢測深度φ2 mm橫通孔所獲得的A掃最高值為100%滿屏作為參考值，以此作為探頭掃查時的基準靈敏度0 dB。設置的人工缺陷分別為焊縫根部裂紋和中部氣孔。

第一種BOSS頭根部裂紋和中部氣孔的缺陷回波幅值分別為DAC+4.6 dB和DAC-8.9 dB，仿真結果如圖5所示。第二種BOSS頭根部裂紋和中部氣孔的缺陷回波幅值分別為DAC+9.0 dB和DAC-9.4 dB，仿真結果如圖6所示。缺陷模擬仿真檢測結果表明，所設計的檢測工藝可有效檢出焊縫中下部的體積和非體積性缺陷。

圖5 第一種BOSS頭相控陣超聲檢測仿真結果

圖6 第二種BOSS頭相控陣超聲檢測仿真結果

1.4 試驗驗證

為實際驗證設計的相控陣檢測工藝的檢測效果，按照兩種BOSS頭焊縫的設計圖紙和焊接工藝分別加工了兩個驗證試塊，試塊的材料和熱處理狀態與核電廠BOSS頭的相同，試塊表面無任何凸起、氧化皮、焊渣以及其他妨礙探頭自由移動的物質，試塊表面粗糙度不超過6.3 μm，其實物外觀如圖7所示。

圖7 兩種BOSS頭驗證試塊外觀

驗證試塊中分別加工了3 mm內壁刻槽和φ2 mm橫孔模擬缺陷，測試結果表明所開發的相控陣超聲檢測工藝能有效檢出內壁3 mm刻槽和橫孔缺陷，兩種驗證試塊的檢測結果分別如圖8,9所示。

圖8 第一種BOSS頭焊縫中缺陷的相控陣檢測結果

2 現場檢測應用

在某核電現場進行了若干BOSS頭焊縫的現場檢測工作，現場檢測照片如圖10所示。在現場，大部分BOSS頭表面狀況滿足檢測要求，但是由于部分BOSS頭表面凹凸不平和堆焊情況各異，探頭無法貼合，部分BOSS頭或者部分區域不可檢。后續可考慮進行表面處理后再檢測，或者增加高端柔性相控陣探頭進行補充檢測。

部分現場BOSS頭的檢測結果，以及與射線檢測結果的對比見表2，從表2中可以看出相控陣檢測的結果與射線檢測結果基本吻合，在缺陷的長度和數量上稍有區別，相控陣檢測在缺陷定量和定性上不如射線檢測直觀。但是對于射線所檢出的大缺陷，均能檢出。其中第5和6號BOSS頭射線檢測出最長5 mm的體積性夾雜缺陷，判定合格可接受，而相控陣檢測可能由于表面耦合或者結構原因未發現明顯可記錄顯示，亦判定為合格。對于8號BOSS頭焊縫進行相控陣檢測，發現在9點～10點鐘方向，深度14.3 mm的地方有1個可記錄顯示，缺陷長度15 mm，相控陣檢測結果和射線檢測結果見圖11。

圖9 第二種BOSS頭焊縫中缺陷的相控陣檢測結果

圖10 核電現場BOSS頭焊縫檢測

圖11 8號BOSS頭焊縫相控陣和射線檢測結果對比

序號主管尺寸接管類型熔敷厚度/mmBOSS外徑/mm相控陣檢測缺陷數量相控陣檢測缺陷長度/mmRT排查結果112″1/2″17.7445可記錄顯示1個8最長長度為15 mm(沿坡口)未熔合212″3/4″22.7455可記錄顯示1個7最長長度為5 mm,氣孔36″1/2″17.7445可記錄顯示2個7,5最長長度為20 mm,夾渣46″3/4″22.7455可記錄顯示1個15最長長度為15 mm×2夾渣,?4 mm氣孔512″1/2″17.7445無明顯可記錄顯示-最長長度為5 mm,夾渣612″1/2″17.7445無明顯可記錄顯示-長度為5 mm,夾渣712″1/2″17.7445可記錄顯示1個20長度為10 mm,未熔合83″3/4″12.2540可記錄顯示1個15長度為20 mm,夾雜

相比于射線檢測，相控陣超聲檢測可在不移動或者少移動的情況下，進行多角度和多方向掃查，檢測效率高，僅需兩人即可實施檢測，檢測時間短，不影響大修期間周邊其他作業，無輻照風險，可用于代替部分射線檢測，節省大修工期。

3 結語

針對BOSS頭焊縫結構特點和奧氏體不銹鋼的材料特點，開發了核電廠典型BOSS頭焊縫相控陣檢測工藝，并在模擬缺陷試塊和核電現場進行了驗證和應用。結果表明，所開發的相控陣超聲檢測工藝能夠有效檢出核電廠BOSS焊縫內表面缺陷，現場應用的檢測結果與射線檢測結果有一定區別，但對較大缺陷均能檢出；相控陣超聲檢測效率高于射線檢測，可對大修期間部分表面狀況良好的BOSS頭改用相控陣檢測替代射線檢測，還可對因空間結構受限而無法實施射線檢測的BOSS頭焊縫實施補充相控陣檢測，以提高BOSS頭排查效率和覆蓋率，節約大修檢測工期。