淺談異種鋼對接焊縫的超聲波檢測方法

王 帥

（沈陽鼓風機集團壓力容器有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1986年前蘇聯的切爾諾貝利核電站核事故的發生，以及2013年日本福島核泄漏事件，給當地居民帶來的危害和全世界人民帶來的恐慌，產生的一系列后果是不可估量的。但核能是當今世界上重要的能源之一，核電站又是高能量、低成本的電站，所以核電站的建設事在必行，也就意味著核電站安全的重要性。

1 產品檢測部位介紹

核反應堆堆芯是原子核裂變反應區，它是由核燃料組件，控制棒組件，可燃毒物組件和啟動中子源組件等組成。控制棒驅動機構是控制反應堆裂變反應功率的部件，通過電磁原理，提升和下降吸收中子的黑棒，增加和減少促成裂變反應的中子數量，從而控制裂變反應的進行。控制棒驅動機構是保證核動力系統正常動行的關鍵部件。控制棒驅動機構也是一回路壓力邊界。

控制棒驅動機構由七大部件組成，包括：驅動桿、驅動桿行程套管、密封殼、鉤爪組件、棒位探測器、線圈組件和隔熱套。其中密封殼由奧氏體不銹鋼00Cr18Ni10N和鎳基合金Inconel 690對接焊接而成。該焊縫位于反應堆一回路壓力邊界，其焊接質量直接關系到核電站的安全。以往型號的控制棒驅動機構對該條焊縫采用射線加滲透檢測。ML-B型（華龍一號）控制棒驅動機構對該條焊縫在熱處理和水壓后增加了超聲波檢測。

該焊縫規格為Φ105×17.5。制造廠在加工過程中防止變形，采用Φ114×32的中空棒材對接，坡口型式為U型坡口，手工焊打底和自動焊蓋面。焊縫規格如下圖1。

圖1 焊縫的坡口形式和尺寸

焊后車光外圓至112擴內孔至62然后進行穩定化處理。

奧氏體不銹鋼焊縫凝固時未發生相變，室溫下仍以鑄態柱狀奧氏體晶粒存在。這種柱狀晶粒粗大，組織不均，具有明顯的各向異性。奧氏體不銹鋼對接焊縫晶粒取向大致垂直于坡口，柱狀晶的特點是同一晶粒，從不同方向測定有不同尺寸，從而產生以不同方向超聲探測引起衰減與信噪比不同。當波束與柱狀晶垂直時，衰減較大，信噪比較低。

圖2 縫宏觀圖

圖3 焊縫金相圖---柱狀晶粒

圖4 橫波斜探頭在試塊上的反射回波（2.5P13X13K1）

圖5 縱波斜探頭在試塊上的反射回波（2PK1）

表1 雙晶縱波探頭參數

2 超聲檢測設備及方法的選擇

2.1 儀器

采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀，頻率范圍為15MHz。

儀器應具有80dB以上連續可調衰減器，步進級≤2dB，最大累計誤差≤1dB。

儀器主要性能指標水平線性誤差≤1%，垂直線性誤差≤5%，動態范圍≥26dB。

超聲波設備使用的A型脈沖反射式數字式超聲設備，為GE公司的，型號為MSGO。

2.2 探頭

超聲波探傷中，信噪及衰減與波長有關，當材質晶粒較粗大，波長較短時信噪比低，衰減大。因此奧氏體不銹鋼焊縫通常采用波長較長的縱波。為了更加提高信噪比，探傷近表面缺陷，對密封殼對接焊縫選用采用雙晶縱波聚焦探頭。

探頭頻率。超聲波檢測頻率越高脈沖寬度越小，分辨力越高。但頻率越高，衰減越大，由于晶界的散射還會出現草狀回波，使信噪比下降。綜合考慮檢測近表面區域選用4MHz頻率探頭，其它的選用2MHz的探頭。

探頭的帶寬。探頭發射的超聲脈沖頻率都不是單一的，而是有一定帶寬。寬帶探頭對應的脈沖寬度較大，深度分辨力好，盲區小。在材料內部散射噪聲較高的情況下，寬帶探頭由于脈沖短，具有比窄帶寬探頭信噪比好的優點。我們選用寬帶探頭。

探頭的K值選擇。應與奧氏體焊縫坡口以及焊縫中危險性缺陷方向與探測面的角度綜合考慮。為了有效檢測焊縫中這種危險性缺陷一般采用縱波斜探頭，由于奧氏體焊縫為柱狀晶，不同方向探測信噪比和衰減不同。根據對接焊縫的坡口形式和可能存在缺陷的類型，為了盡可能的檢出缺陷，采用如下探測方向和探頭K值。推薦采用雙晶縱波公稱折射角為0°、35°、45°、60°的直探頭和斜探頭。掃查方向如圖6所示。

圖6 探頭掃查方向示意圖

雙晶探頭焦距。密封殼加焊后車光外圓至112mm，擴內孔至62mm，超聲波探傷的焊縫的實際厚度為25mm。如果采用一種焦距難以對焊縫進行全面覆蓋，故把焊縫分為上下兩層，分層進行探傷。由于雙晶探頭的聲束交匯區的靈敏度較高，雙晶探頭聲束交匯區范圍為0.5倍～2倍FS，綜合考慮把焊縫分為0～10，10～25兩層。

圖7 探頭掃查覆蓋范圍

由于上層焦距較短，探傷距表面近，為了提高分辨力適當提高頻率采用4MHZ，晶片尺寸較小的雙晶斜探頭。焊縫下層焦距較大，超聲波在焊縫中傳播距離相對較大，能量損失相對較多，采用晶片相對較大頻率為2MHz的雙晶斜探頭。探頭具體參數見表1。

2.3 組合性能

選擇的探傷儀應與選用的探頭相匹配，以便獲得最佳靈敏度和信噪比。

有效靈敏度在整個檢測范圍內，探頭與探傷儀組合的有效靈敏度余量應≥6dB。

信噪比在整個檢測范圍內，標稱信噪比應≥20dB。

距離波幅特性 聲束分別通過母材和焊縫測繪的兩條DAC曲線間距應＜10dB。

根據以上優化選擇，探傷儀和探頭相匹配，獲得了最優的靈敏度和信噪比。下圖為選用45°TRL2-Aust探頭，焦距FS為23mm的雙晶探頭，在超聲波對比試塊上對準19.5mm深的人工反射孔時的反射回波。19.5mm反射回波前的反射波為深度12.5mm的人工反射回波。從圖片上能清晰的分辯出人工傷波，林狀雜波幾乎沒有。信噪比至少達到20dB以上。

圖8 45°TRL2-Aust FS23雙晶探在試塊上的反射回波

3 討論

奧氏體的異種鋼對接焊縫的超聲波探傷，最關鍵的還是在探頭參數的選擇。做到揚長避短，通過對探頭晶片尺寸、頻率、帶寬、雙晶探頭焦距和K值的優化選擇，把探傷困難的奧氏體異種鋼對接焊縫探傷得已實現。