水層厚度對管道焊縫水浸超聲檢測靈敏度的影響

張志鵬，歐陽標，佘家葦，彭恭斌

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

為了保證核電站一回路運行的穩定性和安全性，需要定期對各類設備和管道焊縫實施無損檢測。部分設備靠近反應堆堆芯，在役檢查期間檢測人員很難從外表面接近，一般從反應堆的壓力容器內部實施遠程自動超聲檢測，而對于一些管徑小，曲率大的管道焊縫，其內表面未經打磨，存在焊縫余高，導致接觸式超聲檢測實施難度較大，因此，目前通常采用水浸超聲檢測方法對其實施檢測。

以AP 1000型核反應堆壓力容器安注管安全端焊縫為研究對象，通過改變探頭與基準試塊之間的水層厚度來驗證水層厚度偏差對檢測靈敏度的影響，發現與接觸式超聲相比，水浸自動超聲檢測對機械裝置的安裝精度要求更高；水層厚度的改變會對檢測靈敏度產生一定的影響，但是在允許的機械誤差范圍內，這種影響是可接受的。

1 檢測對象

反應堆壓力容器安注管安全端焊縫包括異種金屬焊縫和同種金屬焊縫。對于AP 1000反應堆型，安注管安全端內徑為173 mm，異種金屬焊縫壁厚為31.8 mm，同種金屬焊縫壁厚為23 mm。檢測區域包括焊縫及焊縫兩側6.4 mm寬的母材區域，以及距焊縫內壁1/3壁厚的區域。安注管安全端焊縫結構及檢測區域如圖1所示。

圖1 安注管安全端焊縫結構及檢測區域示意

2 水浸超聲檢測法

2.1 水浸超聲檢測法特點

水浸超聲檢測法將探頭浸在水中，隔著一定厚度的水層對充滿水的管道或容器內壁進行檢測。水浸超聲檢測法適用于有焊縫余高和表面粗糙的工件，其探頭耦合穩定，不容易磨損，檢測結果可重復性好，有利于提高檢測速度。在合適的水層厚度下，水浸超聲檢測的回波關系如圖2所示，一般使缺陷回波出現在一次界面波和底波之間，使二次界面回波出現在底波之后[1]。

圖2 水浸超聲檢測法的回波關系示意

2.2 掃查裝置

掃查裝置由主體結構、軸向運動組件、周向運動組件、探頭托盤以及前后支撐結構等組成，其結構如圖3所示。現場檢測中，將掃查裝置與剛性長桿連接，由起重機吊裝到被檢對象區域，通過人工操作長桿的方式進行微調，將設備精確安裝到所需位置。

圖3 掃查裝置結構示意

2.3 探頭參數

安注管焊縫材料為粗晶奧氏體不銹鋼，采用縱波對其進行檢測能明顯減少不銹鋼各向異性的影響，獲得更好的聲束穿透性能。研究表明，對于不銹鋼材料，采用45°縱波斜探頭檢測時聲能衰減較小，信噪比較高；當焊縫厚度較小時，也可采用折射角為60°～70°的縱波探頭來檢測[2]。對于水浸超聲探頭，可通過探頭托盤上的楔塊帶動0°探頭偏轉實現聲束的斜入射，根據超聲波的折射定律，可由聲束在鋼中的折射角推算出聲束在水中的入射角，即楔塊的角度[3]。探頭的主要參數如表1所示。

表1 探頭的主要參數

3 水層厚度偏差對檢測靈敏度的影響試驗

3.1 試驗設備

采用DYNARAY型多通道自動超聲儀進行試驗，該設備含有16個以上獨立通道，可較好地匹配探頭，且具有較強的抗干擾能力以及較高的數模轉換率。根據安注管安全端焊縫的直徑，采用相同尺寸的弧面試塊，試塊中反射體為橫孔，尺寸為2.4 mm×60 mm(直徑×長度)，試塊材料為不銹鋼，利用試塊中的橫孔建立基準靈敏度。

3.2 試驗方案

在水浸超聲檢測中，水層厚度是影響檢測靈敏度的關鍵參數。實際檢測時，工件本身存在不平整，設備安裝存在誤差，導致水層厚度與建立基準靈敏度時的水層厚度有差異。這種差異可能引起檢測靈敏度的改變。

針對這種情況，筆者首先以理論水層厚度建立靈敏度基準。探頭工裝結構如圖4所示，探頭與安注管內壁之間的垂直距離即為理論水層厚度，調整試塊位置，使試塊與掃查裝置之間呈現不同程度的偏心，測量每種狀態下橫孔信號幅值與基準靈敏度之間的差異。

圖4 探頭工裝結構示意

3.3 試驗結果

3.3.1 基準靈敏度

將探頭托盤與試塊的間距調整到理論值，控制掃查裝置，找到最強反射信號，將其波幅調到滿屏幕高度的80%左右，然后依次測出其他不同深度反射體的最大回波幅值，得出探頭的基準靈敏度.基準靈敏度下的橫孔反射信號如圖5所示，各探頭的基準靈敏度測試結果如表2所示。

表2 各探頭的基準靈敏度測試結果

圖5 基準靈敏度下的橫孔反射信號

3.3.2 改變水層厚度之后的檢測靈敏度

調整探頭托盤與試塊的間距至不同的狀態，分別測量橫孔反射體的最大回波幅值，不同水層厚度下各反射體的靈敏度與基準靈敏度偏差如表3所示。

表3 不同水層厚度下各反射體的靈敏度與基準靈敏度偏差

從試驗結果可以看出，在改變水層厚度的情況下，試塊中人工反射體的靈敏度測試結果與基準靈敏度會存在偏差,探頭角度越大，偏差越大；水層厚度的改變對軸向探頭的影響比對周向探頭的影響要大，對0°直探頭的影響最小。

隨著水層厚度偏差增大，測試結果與基準靈敏度的偏差也相應增加，在設備精度允許的±5 mm范圍內，所有探頭的靈敏度偏差均不超過2 dB。

4 結語

進行水浸超聲檢測時，水層厚度的改變會對檢測靈敏度產生影響，且隨著水層厚度偏差增大，檢測時的靈敏度與基準靈敏度的偏差也增大，從而對檢測結果產生直接影響。因此，在實際檢測中應保證水層厚度與標定時的水層厚度一致，這就要求在進行水浸超聲檢測工裝設計時，預先考慮該情況，嚴格控制設備的安裝精度，盡可能保證檢測時的靈敏度偏差在要求范圍內。