核電站壓力容器接管安全端同種鋼焊縫的相控陣超聲檢測

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

反應堆壓力容器主管道是保證核電站一回路壓力邊界完整性的關鍵部件，為了及時發現核反應堆壓力容器接管焊縫缺陷，我國核安全法規要求定期對接管安全端焊縫進行超聲檢查[1-2]。反應堆壓力容器接管安全端與主管道對接接頭屬于奧氏體不銹鋼同種鋼焊縫，受奧氏體不銹鋼晶粒粗大和焊接結構，以及焊縫厚度較大等因素影響，對其實施常規超聲檢測的難度較大，需要采用多角度、多種聚焦深度的雙晶縱波探頭進行分層檢測來實現全范圍覆蓋[3-5]。

相控陣超聲檢測技術是一種先進的超聲檢測技術，相比常規超聲檢測，其可以通過設定不同的聚焦法則，實現對檢測對象的多角度、多方位掃查，并將信號顯示為直觀的圖像，而且相控陣探頭檢測靈敏度相對更高。該技術已被廣泛應用于各類復雜結構件的檢測中[6]，如盧威等[7]針對反應堆壓力容器接管安全端異種金屬焊縫開展了相控陣檢測技術分析和試驗研究。謝航等[8]針對奧氏體不銹鋼環焊縫的相控陣超聲檢測技術應用進行了研究。嚴宇等[9]針對核電站主管道奧氏體不銹鋼焊縫，制定了相控陣超聲檢測方法，實現了相控陣在核電站主管道焊縫檢測中的應用。

文章針對反應堆壓力容器接管安全端與主管道對接同種鋼焊縫展開相控陣探頭技術研究，闡述了研究過程中相控陣探頭的關鍵參數設計，相控陣探頭的布置方式及數據分析方法，并與常規超聲檢測技術進行對比分析。

1 接管安全端同種鋼焊縫相控陣超聲檢測技術

1.1 相控陣探頭參數設計方法

根據相控陣探頭晶片參數及尺寸對檢測效果的影響，選用已有的相控陣探頭進行對比試驗,以確定相控陣探頭的主要設計參數。

(1) 晶片數量選擇

由于在進行實際掃查時，要求在聲束相對的兩個方向各布置一個相控陣探頭，而目前內表面自動超聲檢查主要使用的DYNARAY-Lite型相控陣超聲儀器的通道數為64/64 PR(發射/接收)，因此每個相控陣探頭的最大發射晶片/接收晶片數為32片。同時，考慮到需要預留部分常規通道用于其他檢測需求，故將相控陣探頭主軸晶片數量設計為7片，副軸方向晶片數量設計為4片，以保證二維相控陣探頭有一定的聲束偏轉能力，實現焦距的可調性。

(2) 主副軸孔徑選擇

選用已有的二維雙晶面陣相控陣探頭，通過設置不同的激活孔徑，尋找主管道同種不銹鋼周向標定試塊(見圖1)上的底面槽(深1.45 mm)，測得其信噪比來設計合適的孔徑大小。

圖1 主管道同種不銹鋼周向標定試塊結構示意

在主軸激活孔徑為27 mm，副軸激活孔徑為15 mm時，發現槽信號信噪比約為14 dB；在主軸激活孔徑為18 mm，副軸激活孔徑不變時，發現槽信號信噪比約為9 dB。可見，主軸孔徑設計在18 mm以上時，均具有較好的信噪比。

圖2 不銹鋼軸向標定試塊結構示意

圖3 不同激活孔徑下的聲場焦距

同時，采用結構如圖2所示的不銹鋼標定試塊上的不同深度孔制作TCG(時間-增益補償)曲線，測試主軸激發孔徑一定時，兩種不同副軸激活孔徑下[45FD70(為聚焦法則，表示工件中的聲束角度為45°，聚焦深度為70 mm)，下同)全激發時副軸激活孔徑為15 mm；激發兩排副軸時激活孔徑為10 mm]的聲場焦距，試驗結果如圖3所示。兩種激活孔徑下實測焦點均為50 mm，雖與理論聚焦深度誤差較大，但遠離焦點深度的孔的靈敏度最大差值小于4 dB，有效檢測深度可達85 mm；副軸孔徑設計為15 mm左右，即可滿足焦距的聚焦要求。

為便于機械安裝、夾持以及考慮表面接觸效果，探頭的總體尺寸不宜過大，根據試驗結果，將相控陣探頭的主軸激活孔徑設計為1827 mm，副軸激活孔徑設計為15 mm左右，即可滿足實際的檢測范圍要求。

(3) 楔塊角度對偏轉角度的聲場影響

依據現有文獻資料，相控陣探頭出現柵瓣的理論大都根據無楔塊時進行分析，且針對一維探頭的推導，對帶楔塊的矩陣，特別是雙晶矩陣探頭產生柵瓣及其他干擾信號的相關研究較少，但楔塊的存在會產生干擾信號。結合上述試驗探頭，采用仿真技術，通過設置探頭參數在45FD70法則下，來改變楔塊角度，觀察和分析聲場聲束，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同楔塊角度時，45FD70法則下的聲束

圖5 楔塊角度為20°時,70FD10法則下的聲束

由圖4可見，其柵瓣隨著楔塊角度的變大，趨于消失。聚焦法則為70FD10時其聲場如圖5所示，大角度聲束上也沒有柵瓣波存在。因此在晶片尺寸大于波長時，在一定的楔塊角度及偏轉角度下，其柵瓣及干擾信號不一定存在影響。

綜上所述，最終確定了適合內表面水下安全端同種鋼焊縫檢查的專用相控陣探頭參數。

1.2 相控陣探頭法則和聲場驗證

采用仿真試驗，對相控陣探頭參數進行相控陣法則和相控陣聲場驗證，結果如圖6所示。驗證結果表明探頭能夠實現相應相控陣法則，同時相控陣探頭產生的超聲波聲場滿足指標要求，其聲場均無明顯柵瓣，-6 dB焦距深度可覆蓋厚度區域(見圖7)。

圖6 不同相控陣聚焦法則時，探頭的聲場模擬信息

圖7 不同相控陣聚焦法則的聲場覆蓋對比

1.3 相控陣探頭與常規探頭的檢測對比試驗

為了確定設置不同聚焦法則的相控陣探頭，來替代常規技術中37TRL1.5FS80(指工件中聲束角度為37°，收發式雙晶縱波，頻率為1.5 MHz，聚焦聲程為80 mm，下同)、45TRL1.5FS60、45TRL1FS85、60TRL2FS30和70TRL2FS25型探頭的可行性，對各相控陣探頭在不同的聚焦法則下與常規探頭的TCG曲線進行實測對比。同時，為了選取合適的聚焦法則來替代原常規探頭，根據曲線制作情況，另增加幾種聚焦法則來與常規探頭充分比較，其中包括用相控陣探頭設置聚焦法則45FD10和45FD30，來替代常規技術中的45TRL4FS15、45TRL4FS30定量探頭，試驗結果如圖8所示。

根據曲線對比結果，確定相控陣探頭替代常規探頭的方案，如表1所示(表中T為被檢件厚度)。

2 試驗方法及試驗結果

2.1 設備及試塊

采用DYNARAY(64/256PR)和DYNARAY-Lite(64/64PR)型相控陣超聲儀進行試驗，試塊為帶有設計缺陷的不銹鋼主管道同種焊縫試塊，尺寸(直徑×壁厚)為952.5 mmX82.5 mm，試塊上不同尺寸和位置的缺陷信息如表2所示。

表1 二維相控陣探頭替代常規探頭的對應信息

2.2 試驗方法

使用不同聚焦法則的相控陣探頭來替代文中常規技術使用的探頭，在參考試塊上制作好TCG曲線，設置相應掃查靈敏度后在包含缺陷的試塊上進行柵格掃查，掃查方式如圖9所示。在圖9(a)中，聲束角度為60°/70°雙晶縱波， 45°雙晶縱波，37°雙晶縱波；聲束方向為垂直焊縫；掃查方向為垂直焊縫，掃查軸分辨率為1 mm；步進方向為平行焊縫，步進值為4 mm。圖9(b)中，采用固定角度法則；聲束角度為60°/70°雙晶縱波，45°雙晶縱波，37°雙晶縱波；聲束方向為平行焊縫；掃查方向為平行焊縫，掃查軸分辨率為1 mm；步進方向為垂直焊縫，步進值為4 mm。

表2 試塊中人工缺陷的設計參數

圖9 探頭掃查方式

2.3 試驗結果

對不銹鋼主管道同種焊縫試塊進行相控陣檢測，當發現缺陷后，采用-6 dB法進行測長，端點衍射法或端部最大回波法進行測高，典型的信號顯示如圖10所示。為了對比檢查結果，將相控陣的檢查結果同常規超聲的檢查結果，以及缺陷的設計值進行比較。試塊的超聲檢測試驗結果如表3所示。從表3可以看出，采用相控陣超聲檢測技術可以實現內表面開口平面型缺陷、埋藏缺陷和外表面開口缺陷的檢測，相控陣探頭和楔塊能夠實現聲波對被檢管道的全體積覆蓋。采用相關公式計算缺陷自身高度和長度的均方根誤差，結果分別為：相控陣技術得到的缺陷自身高度均方根誤差為1.1 mm，缺陷長度均方根誤差為5.2 mm；常規超聲技術得到的缺陷自身高度均方根誤差為1.4 mm，缺陷長度均方根誤差為6.9 mm，均滿足ASME規范XI卷 《核電廠部件在役檢查規則》 中的高度均方根誤差小于3 mm，長度均方根誤差小于19 mm的要求。

3 結語

針對反應堆壓力容器接管安全端同種鋼焊縫的檢測，提出采用內表面相控陣自動超聲檢測技術替代常規自動超聲檢測技術。選用二維雙晶面陣探頭，通過仿真及試驗驗證，設置的焦距法則45FD70、37FD70(周向)、45FD50、60FD15、70FD10、45FD30、45FD10可以有效代替常規檢測探頭，設計的相控陣檢測技術方案的缺陷長度定量均方根誤差為5.2 mm，缺陷高度定量均方根誤差為1.1 mm，定量結果滿足ASME規范要求，檢測及定量能力均優于常規探頭，并能有效減少現場檢測時間。通過進一步的優化和改進，該技術可以推廣到反應堆壓力容器接管安全端異種鋼焊縫的檢測中。

表3 試塊中人工缺陷的檢測結果

圖10 相控陣檢測典型缺陷信號示例