鋼制安全殼對接焊縫的超聲波成像檢測

(1.國核電站運行服務技術有限公司，上海 200233；2.山東核電設備制造有限公司，海陽 265118)

鋼制安全殼是用來阻擋來自燃料的裂變產物及一回路放射性物質進入外界環境的最后一道屏障，對核電站的安全運行至關重要[1]。三代核電站CAP1400鋼制安全殼，主要采用SA-738Gr.B鋼板拼焊而成，其屬于低合金高強度鋼，焊接性能較好，但由于鋼中含有Cr，Mo等元素，焊接過程中焊接接頭熱影響區容易出現熱應變脆化而產生焊接裂紋[2]，也可能產生夾渣、氣孔、未焊透等常見的焊接缺陷。為了檢測焊接質量以及時發現焊接中的危險性缺陷，設計文件及ASME第III卷NE分卷《MC級部件》中均要求制造階段對其進行100%射線檢測。

鋼制安全殼(其安裝現場如圖1所示)直徑為40 m，高度為66 m，上下封頭壁厚為45.0 mm，第一環筒體壁厚為55.0 mm，其他筒體壁厚為52.0 mm；故其上的焊縫數量和尺寸都較大。與常規A型脈沖超聲檢測技術相比，射線檢測技術的優點是產生的底片可記錄存儲，可以直觀地顯示缺陷影像，缺點是有射線輻射，受時間窗口限制、檢測效率低，對厚壁焊縫中的微小型面狀缺陷容易漏檢[3]，且需要采用大量的膠片。因此對于制造廠而言，在滿足檢測質量的前提下，為了能提高檢測效率和降低檢測成本及安全風險，迫切需要找到其他的行之有效的無損檢測技術手段。

基于此原因，筆者介紹了超聲相控陣檢測技術和TOFD檢測技術在鋼制安全殼焊縫檢測中的試驗情況。

圖1 鋼制安全殼安裝現場

1 檢測實施難點分析

超聲檢測受焊縫表面余高影響(焊縫余高高度為2～3 mm，寬度為32 mm)，探頭在掃查過程中移動受限，檢測覆蓋困難，特別是對焊縫近表面缺陷及橫向缺陷的檢出及定量較困難，故為保證覆蓋及不漏檢，必須采用一次反射波檢測焊縫，而這樣會增加探頭移動的距離，給檢測工藝的制定和掃查探頭的布置增加難度。

2 檢測區域

鋼制安全殼對接焊縫的檢測區域由焊縫檢測區寬度和焊縫檢測區厚度表征。焊縫檢測區的寬度應為焊縫本身加上焊縫熔合線兩側各10 mm，焊縫檢測區域的厚度應為工件厚度加上焊縫余高，檢測區域示意如圖2所示。

圖2 焊縫檢測區域示意

3 試驗方案

3.1 檢測設備

采用的試驗設備為美國ZETEC公司的DYNARAY-256相控陣檢測系統。

3.2 檢測探頭

PAUT檢測探頭為5 MHz，32晶片的一維線性陣列探頭，探頭及楔塊的主要參數如表1所示。

TOFD探頭采用了頻率為5 MHz，晶片尺寸為φ6 mm，折射角度為60°的縱波探頭，探頭中心間距設置為122 mm[4]。

表1 相控陣探頭及楔塊的主要參數

3.3 檢測覆蓋

相控陣采用直射波和一次反射體進行檢測，直射波覆蓋厚度范圍為3～52 mm，一次反射波覆蓋厚度范圍為0～52 mm，相控陣探頭聲束覆蓋傳播示意如圖3所示。

圖3 PAUT探頭聲束傳播示意

在探頭中心間距為122 mm時，TOFD探頭聲束焦點位于2/3厚度處，其聲束傳播示意如圖4所示。

圖4 TOFD探頭聲束傳播示意

3.4 掃查方式

為了發現平行于焊縫的縱向缺陷和垂直于焊縫的橫向缺陷，試驗主要采用縱向缺陷掃查布置和橫向缺陷掃查布置兩種方式進行掃查,如圖5所示(圖中PA表示相控陣探頭)。

圖5 縱向缺陷和橫向缺陷的掃查布置示意

4 能力驗證模擬缺陷試塊

為了驗證超聲相控陣和TOFD自動檢測技術的可行性，依據ASME 第Ⅲ卷NE分卷、第Ⅴ卷《無損檢測》中的關于鋼制安全殼對接焊縫檢測及驗收的相關要求，參考第Ⅺ卷中強制性附錄Ⅷ《超聲檢測系統的性能驗證》中對容器焊縫的性能驗證的規定，制作了3件厚度為52 mm的能力驗證焊接試塊，坡口結構示意如圖6所示，能力驗證試塊中共預埋了12個模擬自然缺陷，包括裂紋、夾渣、坡口未熔合、未焊透、氣孔等，分布于近外表面、中上部、中部、根部等區域。試塊中的缺陷信息如表2所示，試塊樣式如圖7所示。

圖6 筒體縱縫坡口型式結構示意

圖7 能力驗證試塊樣式

表2 能力驗證試塊中的缺陷信息 mm

5 試驗結果分析

試驗結果主要是基于超聲相控陣和TOFD技術對試塊正面和反面自動采集的數據，下面從缺陷的實際檢出率、位置、長度以及缺陷的高度等方面與設計值進行對比分析。

5.1 缺陷檢出率分析

表3為各方法對缺陷的檢出結果統計，圖8為各方法對缺陷的檢出率統計。由表3和圖8可以看出，采用超聲相控陣技術無論從正面還是從反面的任意一側進行掃查，缺陷的檢出率均為100%。

TOFD檢測受焊縫內外表面余高的影響，試塊近內外表面盲區較大，對設計在距焊縫內外表面8 mm以內的缺陷均無法檢出。從正面掃查時，缺陷的檢出率為83.3%，反面檢出率也為83.3%。

射線檢測時，4#和12#未熔合缺陷未檢出，射線檢測的檢出率為83.3%。

表3 各檢測方法的缺陷檢出結果統計表 mm

圖8 各檢測方法的缺陷檢出率統計

5.2 缺陷定位分析

缺陷的定位偏差統計如圖9所示，圖中x為缺陷中心沿焊縫長度方向的位置，y為缺陷中心距離焊縫中心線的位置。由圖9可以看出，與缺陷設計值相比，缺陷在x方向的最大定位偏差為±2 mm；y方向的最大正偏差為1.2 mm，最大負偏差為-1 mm。

圖9 缺陷定位偏差統計

5.3 缺陷長度測量分析

由缺陷長度偏差圖(見圖10)可以看出，采用PAUT從正面和反面檢測時，缺陷的測長最大正偏差為3 mm，最大負偏差為-3.5 mm。例如:2#缺陷屬于近表面裂紋缺陷，PAUT正面檢測時測長偏差為0，反面檢測時測長偏差為3 mm；4#缺陷為近表面的坡口未熔合缺陷，PAUT正面檢測時缺陷測長偏差為-3 mm，反面檢測時測長偏差為0 mm；10#缺陷為近表面的橫向裂紋，PAUT正面檢測時誤差為-2 mm，反面檢測時誤差為-3.5 mm。PAUT和TOFD測長信號示例見圖11，12。

圖10 缺陷測長偏差統計

圖11 4#缺陷的PAUT正面檢測長度測量信號 (長12.0 mm)

圖12 4#缺陷的TOFD正面檢測長度測量信號 (長8.0 mm)

TOFD檢測除了4#近表面坡口未熔合缺陷的正面測長偏差為-7 mm，反面測長偏差為-3 mm以外，其余缺陷測長偏差均在±2 mm范圍內。TOFD偏差較大的原因主要是受近表面盲區的影響，缺陷在長度方向上不能夠完全被檢出。

5.4 缺陷高度測量分析

PAUT和TOFD檢測技術均采用端點衍射法來測量缺陷的高度。

缺陷測高偏差統計結果如圖13所示，可見PAUT正面和反面檢測時，除了8#氣孔類缺陷高度測量偏差大于1.5 mm以外，其余缺陷測高偏差均小于1.5 mm；TOFD正面檢測時，4#缺陷測高誤差為2.47 mm，其余正面和反面檢測時的缺陷高度測量偏差均小于1.5 mm。

圖13 缺陷測高偏差統計

圖14 3#缺陷的PAUT檢測高度測量信號 (高2.63 mm)

PAUT對未焊透、未熔合及裂紋等面狀缺陷的高度測量都比較精確，誤差在±1.5 mm范圍之內。其中，典型的裂紋類缺陷PAUT檢測高度測量信號如圖14所示，TOFD超聲檢測高度測量信號如圖15所示。

圖15 3#缺陷的TOFD檢測高度測量信號 (高2.88 mm)

PAUT對氣孔類體積性缺陷的高度測量存在較大偏差，這主要是因為氣孔類缺陷外形呈球狀，超聲波聲束發散而沒有明顯的上下端點衍射信號，信號主要呈現為點狀(見圖16)。而TOFD超聲檢測技術的時差衍射特征，對8#氣孔類缺陷也同樣具有較為明顯的上下端點衍射信號特征(見圖17)，高度測量誤差幾乎為零，比較精準。

圖16 8#氣孔缺陷的PAUT檢測高度測量信號 (高2.37 mm)

圖17 8#氣孔缺陷的TOFD檢測高度測量信號 (高6.10 mm)

6 結論

(1) 采用的檢測工藝能同時完成PAUT和TOFD自動檢測，可顯示A掃、B掃、S掃、C掃和D掃數據影像，檢測數據可永久保存，可供多人同時離線分析，數據使用方便快捷。

(2) 對3件模擬焊縫試塊上共12個缺陷進行檢測，缺陷的最大定位偏差不大于2 mm，滿足ASME第Ⅺ卷附錄Ⅷ中對缺陷綜合定位偏差為±5 mm的要求。

(3) PAUT對缺陷的檢出幾乎不受焊縫余高的影響，能100%檢出能力驗證試塊上的12個不同位置和性質的缺陷，而TOFD檢測受焊縫表面余高影響，部分近內外表面的缺陷未檢出或檢出效果不佳，所以現場缺陷檢測時應以PAUT為主，采用TOFD技術現場檢測時應考慮近內外表面盲區的影響。

(4) 在缺陷測長方面，PAUT長度偏差最大為-3.5 mm，TOFD檢測受表面余高的影響，對于一些盲區附近的缺陷測長偏差較大；所以缺陷測長時，應綜合考慮PAUT和TOFD的檢測結果。

(5) 在缺陷測高方面，PAUT對氣孔類缺陷的測高不敏感，S掃影像上通常顯示為一個反射點，沒有明顯的上下端點信號，而對面狀類缺陷的測高較準確，測高誤差小于1.5 mm；TOFD檢測對缺陷的測高不受缺陷性質的影響，端點衍射信號明顯，測量誤差較小；所以對于體積類缺陷的測高，應重點關注TOFD的檢測結果。

綜上所述，相控陣和衍射時差法超聲檢測技術對焊接缺陷具有較高的檢出率及定位定量精度，是可靠、高效及經濟的檢測手段。