不銹鋼管道焊縫驗(yàn)證試塊制作工藝對(duì)缺陷超聲測(cè)長的影響

， ，，，

(中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

無損檢測(cè)技術(shù)能力驗(yàn)證是指對(duì)無損檢測(cè)所采用的技術(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與驗(yàn)證，以驗(yàn)證其是否滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。目前，核電站無損檢測(cè)技術(shù)能力驗(yàn)證在國際上以美國ASME(美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì))規(guī)范第XI卷附錄VIII和歐洲ENIQ驗(yàn)證體系為代表[1]，在國內(nèi)，我國核安全監(jiān)管當(dāng)局也已經(jīng)摸索出一條特有的無損檢驗(yàn)技術(shù)能力驗(yàn)證體系。能力驗(yàn)證的重點(diǎn)主要集中在驗(yàn)證無損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)能力和定量能力上，既要驗(yàn)證對(duì)缺陷的檢測(cè)能力，也要驗(yàn)證對(duì)缺陷的準(zhǔn)確測(cè)長和測(cè)高能力。能力驗(yàn)證是通過在驗(yàn)證試塊上進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)施的，進(jìn)而給出檢測(cè)結(jié)果，再由驗(yàn)證機(jī)構(gòu)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，從而判定檢測(cè)技術(shù)是否滿足要求。

在針對(duì)奧氏體不銹鋼管道焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)技術(shù)能力的驗(yàn)證過程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同一外表面軸向缺陷，當(dāng)分別從內(nèi)側(cè)和外側(cè)進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，缺陷長度測(cè)量結(jié)果差異較大。針對(duì)這一異常現(xiàn)象，通過與驗(yàn)證試件制作方進(jìn)行技術(shù)溝通，同時(shí)開展理論分析和模擬試驗(yàn)，最終找出該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，并得出了相應(yīng)結(jié)論。

1 被檢對(duì)象

被檢對(duì)象為奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫，管道外徑為952.5 mm，壁厚為82.5 mm，其母材材料為316LN奧氏體不銹鋼。根據(jù)ASME規(guī)范和驗(yàn)證技術(shù)規(guī)格書的要求，受檢焊縫的檢驗(yàn)區(qū)域?yàn)楹缚p以及焊縫兩側(cè)各6 mm的母材區(qū)域。

根據(jù)ASME規(guī)范，對(duì)于奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的超聲檢測(cè)，要求從垂直于焊縫方向和平行于焊縫方向兩個(gè)方向進(jìn)行掃查。因此，在驗(yàn)證試件中一般設(shè)計(jì)有縱向缺陷和橫向缺陷，縱向缺陷和橫向缺陷位置示意如圖1所示。縱向缺陷的長度方向平行于焊縫方向，缺陷位置一般設(shè)計(jì)在內(nèi)表面、外表面和內(nèi)部；橫向缺陷的長度方向垂直于焊縫方向，缺陷位置一般設(shè)計(jì)在內(nèi)表面和外表面。

圖1 縱向缺陷和橫向缺陷位置示意

2 案例分析

由于奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，超聲能量會(huì)產(chǎn)生較大的衰減[2]，縱波波長比橫波波長長，縱波在奧氏體中衰減小，因此在對(duì)奧氏體不銹鋼管道焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，采用雙晶縱波探頭，近表面區(qū)域采用45°，60°淺焦距探頭，中、遠(yuǎn)部區(qū)域采用45°，37°深焦距探頭[3]。對(duì)于體積缺陷，采用缺陷最高回波-6 dB法測(cè)量缺陷長度；對(duì)于面狀缺陷，采用缺陷最高回波-12 dB法測(cè)量長度[4]。

在針對(duì)某核電站開展超聲檢測(cè)驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，使用的試件為不銹鋼管道焊縫超聲檢測(cè)能力驗(yàn)證試件，其尺寸示意如圖2所示。試件長度為1 000 mm，材料為SA376/TP316LN，焊縫材料為SA182F316LN，焊縫厚度為82.5 mm,管道外徑為952.5 mm。

圖2 試驗(yàn)試件尺寸示意

使用的周向掃查超聲探頭參數(shù)如表1所示。

對(duì)不銹鋼管道焊縫能力驗(yàn)證試件進(jìn)行掃查，發(fā)現(xiàn)從管道外側(cè)和內(nèi)側(cè)對(duì)同一個(gè)外表面橫向表面缺陷進(jìn)行長度測(cè)量時(shí)，存在測(cè)量結(jié)果差異較大的現(xiàn)象，其具體特征如下所述。

表1 周向掃查超聲探頭參數(shù)

(1) 從管道外側(cè)進(jìn)行掃查時(shí)，采用淺焦距探頭對(duì)缺陷長度進(jìn)行測(cè)量，其長度測(cè)量值與設(shè)計(jì)值吻合，誤差較小。

(2) 從管道內(nèi)側(cè)進(jìn)行掃查時(shí)，采用深焦距探頭對(duì)缺陷長度進(jìn)行測(cè)量，其長度測(cè)量值與設(shè)計(jì)值的誤差較大。

(3) ASME規(guī)范在奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫超聲檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證的要求中指出，缺陷長度測(cè)量值與方均根誤差不超過19 mm[2]。

缺陷長度測(cè)量結(jié)果對(duì)比見表2。

3 缺陷制作工藝與超聲檢測(cè)分析

3.1 缺陷制作工藝分析

采用植入式方法制作驗(yàn)證試件的缺陷。制作橫向缺陷時(shí)，先在試件上缺陷預(yù)埋位置處垂直于焊縫的方向上挖出一個(gè)植入坑，然后將制作好的包含有缺陷的植入體放入該植入坑，并采用與管道焊縫材料一致的焊材將缺陷植入體、植入坑和母材焊接為一體，最后通過手工打磨方式將植入坑區(qū)域打磨至與試件外形尺寸一致。含缺陷試件的結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

表2 缺陷長度測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖3 含缺陷試件的結(jié)構(gòu)示意

3.2 超聲波理論及試驗(yàn)結(jié)果分析

整個(gè)植入坑中除去植入體的區(qū)域均填充了焊接的焊縫材料，由于焊縫材料與母材材料在晶粒結(jié)構(gòu)和尺寸上不同，因此植入坑焊縫和母材交界面形成了聲阻抗不同的界面。

對(duì)于深焦距探頭，當(dāng)超聲波聲束入射到植入坑焊縫與母材的界面上時(shí)會(huì)發(fā)生端角反射現(xiàn)象(見圖4)，產(chǎn)生端角反射回波信號(hào)。該非缺陷引起的端角反射回波信號(hào)幅值高于正常底面回波信號(hào)幅值，同時(shí)又與缺陷反射回波幅值相近，無法區(qū)分缺陷信號(hào)，使得測(cè)量長度約為L0+L1+L2(L0為缺陷設(shè)計(jì)長度，L1和L2為非缺陷反射回波影響帶來的測(cè)量長度)，深焦探頭長度測(cè)量原理示意如圖5所示，深焦探頭長度測(cè)量信號(hào)如圖6所示，深焦探頭的缺陷測(cè)量長度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)長度。

圖4 深焦探頭界面端角反射示意

圖5 深焦探頭長度測(cè)量原理示意

圖6 深焦探頭長度測(cè)量信號(hào)

圖7 淺焦探頭界面反射示意

對(duì)于淺焦距探頭，當(dāng)超聲波聲束入射到本側(cè)植入坑焊縫與母材的界面上時(shí)，不會(huì)發(fā)生端角反射現(xiàn)象(見圖7)，界面反射回波遠(yuǎn)弱于缺陷引起的反射回波。因?yàn)闆]有干擾長度測(cè)量信號(hào)的存在(見圖8)，所以淺焦探頭對(duì)掃查面?zhèn)热毕葸M(jìn)行長度測(cè)量時(shí)，缺陷的測(cè)量長度與設(shè)計(jì)長度偏差較小。

圖8 淺焦探頭長度測(cè)量信號(hào)

4 模擬試驗(yàn)

為了對(duì)理論分析的結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，使用CIVA模擬軟件開展模擬試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為了確認(rèn)缺陷制作加工時(shí)的植入坑對(duì)缺陷長度測(cè)量的影響，根據(jù)CIVA軟件本身的功能特點(diǎn)，采用平面工件這種簡(jiǎn)化模型進(jìn)行聲場(chǎng)模擬試驗(yàn)。基本模型參數(shù)設(shè)置如下所述。

(1) 工件：材料為奧氏體不銹鋼，厚度為82.6 mm，長度為1 000 mm，寬度為500 mm。

(2) 植入坑：高度為32 mm，長度方向貫穿整個(gè)工件，填充材料為不銹鋼焊縫材料，其聲阻抗與母材材料不同。

(3) 缺陷：半橢圓平面型缺陷，長度為40 mm，高度為26 mm，表面開口。

(4) 探頭：探頭模型參數(shù)見表2。

表2 探頭模型參數(shù)

(5) 掃查方式

① 采用模型參數(shù)如表2所示的深焦探頭，從缺陷對(duì)側(cè)實(shí)施模擬周向掃查，深焦探頭內(nèi)側(cè)掃查模型如圖9所示。

圖9 深焦探頭內(nèi)側(cè)掃查模型

② 采用模型參數(shù)如表2的淺焦探頭從缺陷所在的一側(cè)實(shí)施模擬周向掃查，淺焦探頭外側(cè)掃查模型如圖10所示。

圖10 淺焦探頭外側(cè)掃查模型

4.2 模擬試驗(yàn)結(jié)果

(1) 當(dāng)采用淺焦探頭從外側(cè)掃查時(shí)，植入坑焊縫與母材界面回波信號(hào)幅值遠(yuǎn)弱于缺陷回波信號(hào)幅值(弱12 dB以上)，淺焦探頭掃查模擬結(jié)果如圖11所示。當(dāng)采用缺陷最高幅值-12 dB法對(duì)缺陷測(cè)長時(shí)，植入坑焊縫與母材界面回波信號(hào)將對(duì)長度測(cè)量結(jié)果無影響。

圖11 淺焦探頭掃查模擬結(jié)果

(2) 當(dāng)采用深焦探頭從內(nèi)側(cè)進(jìn)行掃查時(shí)，植入坑焊縫和母材界面回波信號(hào)幅值與缺陷回波信號(hào)幅值相當(dāng)(差異不大于3 dB)，深焦探頭掃查模擬結(jié)果如圖12所示。當(dāng)采用缺陷最高幅值-12 dB法對(duì)缺陷測(cè)長時(shí)，植入坑焊縫與母材界面回波信號(hào)將對(duì)長度測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖12 深焦探頭掃查模擬結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 在橫向缺陷制作加工過程中，由于植入坑焊縫與母材材料聲阻抗不同，沿植入坑長度方向，在植入坑兩側(cè)產(chǎn)生了聲阻抗不同的異質(zhì)界面。

(2) 淺焦距超聲探頭在缺陷側(cè)掃查時(shí)，在該異質(zhì)界面產(chǎn)生的反射回波遠(yuǎn)弱于缺陷自身的反射回波，未對(duì)缺陷的長度測(cè)量產(chǎn)生干擾，缺陷測(cè)量長度與設(shè)計(jì)長度吻合。

(3) 深焦超聲探頭在缺陷對(duì)側(cè)掃查時(shí)，在該異質(zhì)界面上產(chǎn)生的反射回波較強(qiáng)，與缺陷反射回波幅值相近，對(duì)缺陷的長度測(cè)量產(chǎn)生干擾，造成缺陷測(cè)量長度與設(shè)計(jì)長度的誤差較大。

(4) 長度測(cè)量異常現(xiàn)象是由埋置缺陷后的材料差異引起的，這種材料差異使得端角反射回波信號(hào)與缺陷回波信號(hào)混合在一起，無法分辨區(qū)分。

(5) 在不銹鋼管道焊縫超聲驗(yàn)證試塊的制作過程中，需要設(shè)計(jì)優(yōu)化的缺陷植入方法，減小植入坑材料與母材之間的聲阻抗差異，以避免材料差異造成的缺陷長度測(cè)量異常現(xiàn)象。