核電細晶鐵素體鋼管道焊縫相控陣超聲檢測與傳統射線檢測的技術等效性

張曉峰， 嚴 宇,2，周煒璐，楊會敏,2，熊 野

(1.核工業工程研究設計有限公司, 北京 101300;2.中國核工業二三建設有限公司, 北京 101300)

焊接是核電站建造過程中的重要施工方法，焊接接頭的質量對核設施的建造和安裝的可靠性有重要影響。為保障其安全運行，必須確保核電站各關鍵部件性能均達到技術要求，無損檢測是保障其焊接質量的重要手段。目前，“華龍一號”核電站主要采用的無損檢測技術是射線檢測(RT)和超聲檢測(UT)，相對應標準為NB/T 20003-2010中的《核電廠核島機械設備無損檢測 第3部分 射線檢測》和《核電廠核島機械設備無損檢測 第2部分 超聲檢測》，且射線檢測應用比例相對較大。然而，射線檢測也存在一定的局限性，包括面積性缺陷檢出率低、存在輻射安全風險、檢測效率低、檢測成本高等，隨著被檢件厚度的增加，射線檢測的局限性更加突出。

近年來，相控陣超聲檢測(PAUT)技術和超聲波衍射時差檢測(TOFD)技術得到了廣泛認可，其不僅具有常規超聲檢測的優勢，還具有更高的檢測精度、靈敏度、效率以及更大的檢測范圍，同時具有圖像記錄能力，在一定程度上克服了超聲檢測對缺陷定性困難的局限性，評價更為客觀，為解決上述問題提供了新的思路。針對壁厚大于12 mm的細晶鐵素體鋼管道焊縫制定了相應的相控陣超聲檢測工藝，并與傳統射線檢測的缺陷檢出率、缺陷定位誤差和缺陷定量誤差進行了對比分析。

1 模擬試塊制作

依據“華龍一號”核電站所用NB/T 20003.3-2010標準和DL/T 1718-2017標準，制作了外徑不小于114.3 mm，厚度為12.751.5 mm，帶有裂紋(橫向和縱向)、未熔合(坡口和層間)、未焊透、氣孔和夾渣等缺陷的模擬試塊，且每種缺陷在焊縫近表面、內部和根部均有分布，模擬試塊的材料、焊接方法和焊接工藝與“華龍一號”核電站的一致。其中，氣孔和夾渣缺陷的尺寸遵循NB/T 20003.3-2010射線檢測驗收標準中1級焊縫的臨界超標缺陷尺寸進行制作，裂紋、未熔合和未焊透等面積型缺陷遵循DL/T 1718-2017標準質量等級為I級的臨界超標缺陷尺寸進行制作。

參考美國ASME標準，共制作了6種規格的模擬試塊：管外徑為114.3 mm,壁厚為13.49 mm；管外徑為168.3 mm,壁厚為18.26 mm；管外徑為273 mm,壁厚為12.7 mm；管外徑為273 mm,壁厚為28 mm；管外徑為457 mm,壁厚為31.75 mm；平板試塊壁厚51.5 mm。

以管外徑為457 mm,壁厚為31.75 mm的碳鋼管道對接焊縫模擬試塊為例，其材料為P280GH，焊縫坡口結構如圖1所示，缺陷設置情況如圖2及表1所示。

圖1 焊縫坡口結構示意

2 射線檢測及相控陣檢測工藝

2.1 射線檢測設備及參數

射線檢測依據NB/T 20003.3-2010標準，采用Ir192射線源(源強80Ci)，M100(C2)膠片，透照方式為雙壁單影，透照時間為40 min，焦距為457 mm，鉛增感屏厚度為前后0.2 mm。底片經處理后黑度為2.0～4.0，可見像質計絲徑為10號絲。

2.2 相控陣超聲檢測設備及參數

相控陣超聲檢測采用汕頭超聲生產的SyncScan型便攜式相控陣檢測儀器，匹配Doppler FC02型掃查架以及頻率為5 MHz的32晶片線陣探頭，相控陣超聲檢測設備實物如圖3所示。

圖3 相控陣超聲檢測設備實物

相控陣超聲檢測參數為：① 相控陣探頭晶片數量為32，一次激發全部32個晶片，頻率為5 MHz，相鄰晶片中心間距為0.5 mm，晶片長度為10 mm；② 聲束在鋼中折射角設置為60°，產生的扇形掃查范圍為35°73°，采用一、二次波同時檢測的方式，聲束覆蓋示意如圖4所示，在此條件下可實現聲場對焊縫及其兩側寬度各為10 mm的熱影響區的全覆蓋，從聲束覆蓋模擬情況看有一部分聲束未能覆蓋焊縫，這是由于受根部余高形狀及其尺寸影響，部分聲束被反射偏離了原聲束反射路線。但實際上，熔化焊焊縫的根部余高高度一般小于設置值，反射聲束偏離原聲束反射路線的情況優于模擬情況，實際聲束是具有一定寬度，因此實際上聲束對焊縫仍為全覆蓋；③ 基準靈敏度為2 mm直徑的橫通孔，φ2 mm-12 dB為判廢線，φ2 mm-18 dB為定量線，φ2 mm-24 dB為評定線；④ 探頭前沿距焊縫中心距離為58 mm，焦點位于1.5倍板厚(48 mm)處；⑤ 掃查方式為線性掃查，以試件的0點為起點，沿著標記方向進行檢測，檢測終點在檢測起點前方20 mm處；⑥采用相控陣超聲檢測儀器自帶SuporUp V2.01.00軟件進行圖像分析，確定缺陷的檢出情況、定位、定量等信息，檢測圖像分析界面如圖5所示。

圖4 聲束覆蓋示意

圖5 檢測圖像分析界面

3 數據分析

采用上述相控陣超聲檢測工藝對6種規格的模擬試塊進行檢測，并與傳統射線檢測技術的缺陷檢出率、缺陷定位誤差和缺陷定量誤差進行對比分析。

3.1 缺陷檢出率對比分析

6種規格的模擬試塊共設計預埋缺陷126個，包含66個面積型缺陷和60個體積型缺陷。PAUT能夠檢出全部預埋缺陷，并檢測出60個獎勵缺陷(獎勵缺陷定義為非預埋的自然缺陷)，檢出率為100%；RT能夠檢出98個預埋缺陷，28個預埋缺陷未檢出，但檢測出26個獎勵缺陷，檢出率為77.77%。

總的來說，PAUT能夠檢出RT檢出的全部缺陷，且PAUT比RT多發現62個缺陷(含獎勵缺陷)，多發現的缺陷種類及數量分布情況如圖6所示，多為點狀缺陷和裂紋，可能由于部分裂紋高度較小且幾乎為閉合狀態，射線對此類裂紋的檢測靈敏度較低，但PAUT的缺點是2 mm以下的點狀缺陷的檢測回波高度不大。姚子龍等[1]也得到類似的結論，相控陣超聲很容易發現射線檢測無法檢出的面積型缺陷，但是對于氣孔類缺陷，相控陣超聲檢測靈敏度不及射線檢測的。同時，相控陣超聲檢測定性時對評圖人員的經驗要求較高，因而部分缺陷的相控陣超聲檢測定性結果與射線檢測定性結果存在一定差異(見表2)，但PAUT的定性結果均嚴于或等同于射線檢測的結果。趙曉鑫等[2]提出，相控陣檢測與射線檢測相比，顯示方式多樣化、實現了圖像存儲數字化，可以從不同方向觀察缺陷的走向，實現缺陷的三維定位和定量，并據此可初步判斷缺陷的性質。

表2 部分PAUT與RT定性結果存在差異的缺陷 mm

圖6 PAUT比RT多發現的缺陷種類及數量分布

3.2 缺陷定量情況對比分析

射線檢測僅可對缺陷長度進行定量和評判，而相控陣超聲檢測除了缺陷長度外還可對缺陷高度進行定量，筆者僅針對射線檢測和相控陣超聲檢測的缺陷穩定量情況進行對比分析。其中，面積型缺陷采用-6 dB法進行測長；體積型缺陷若采用-6 dB法測長后測得缺陷長度大于6 mm，則采用-6 dB法測長；體積型缺陷若采用-6 dB法測長后測得缺陷長度不大于6 mm，則采用-3 dB法測長。

針對體積型缺陷制定上述測量方法，這是因為模擬試塊中制作的體積型模擬缺陷多為較小的點狀缺陷(缺陷尺寸小于聲束寬度)，采用-6 dB法測長時，測量結果受聲束直徑寬度的影響較大(測量結果與聲束寬度相當)，王雪等[3]在對管道環焊縫采用-6 dB測高法進行缺陷高度定量時，得到的結果誤差較大(所得缺陷尺寸普遍偏大，離散程度較大)，因此定量方法仍需改進；采用當量法測長時，測量結果受缺陷本身粗糙度和性質的影響，誤差比較大(小于缺陷尺寸)；采用-3 dB法測長時，測量結果受聲束直徑寬度影響，誤差比-6 dB法測長的小(與聲束直徑寬度2/3相當)。

以管外徑為457 mm，壁厚為31.75 mm的碳鋼管對接焊縫模擬試塊為例，采用2.2節所用探頭和楔塊進行-6 dB和-3 dB聲束寬度仿真模擬，得到的結果如表3所示，其聲束寬度在一定程度上反映了所用探頭楔塊可檢測缺陷的最小尺寸情況。

同時，對管道對接焊縫，缺陷實際長度I按式(1)計算。

I=L×(R-H)/R

(1)

式中：L為測定的缺陷指示長度;R為管子外徑;H為缺陷距外表面深度。

管外徑為457 mm，壁厚為31.75 mm的碳鋼管道對接焊縫模擬試塊缺陷的PAUT與RT檢測結果如表4所示。由表4可知：采用上述測量方法，除序號9和序號21的缺陷外，其余缺陷的定量誤差均為-0.14～+2.86 mm，且序號9和序號21的缺陷測量誤差均為正偏差，PAUT測長結果嚴于RT檢測的。PAUT所測缺陷長度較大，這可能是由于裂紋和未熔合等面積型缺陷具有方向性，多數情況下缺陷取向不垂直于射線照射方向，且部分區域閉合使得底片對比度較差而無法顯示[4]，導致RT所測長度小于缺陷的實際長度，陳文虎等[5]也提出結合使用相控陣超聲檢測和射線檢測技術能夠有效提高未熔合的檢出率。

表4 外徑457 mm、壁厚31.75 mm管對接焊縫的PAUT與RT檢測結果 mm

此外，對于筆者制作試塊中的密集氣孔缺陷，PAUT和RT均能有效檢出，PAUT定量誤差為0.41 mm。馮云國等[6]也對密集氣孔使用X射線、常規超聲、TOFD和相控陣超聲等4種檢測方法進行了檢測分析。對于RT檢測，在觀片燈下可以清晰地觀察到密集氣孔位于焊縫中心線附近，同時缺陷的定性、定量也非常準確，分辨率也較高，但其在深度的測量上存在困難。相控陣超聲掃查過程中，通過儀器模式的切換，可觀察到試件俯視圖、側視圖、扇形掃查圖中均有缺陷存在，結合各種掃查成像圖，可以判斷缺陷性質為密集氣孔，但與射線檢測相比，其在定量和分辨率上還存在一定差距。

3.3 缺陷定位情況對比分析

射線檢測僅可對缺陷的水平方向進行定位，而相控陣超聲檢測除缺陷水平方向的定位外還可對缺陷的深度進行定量，文章僅針對射線檢測和PAUT檢測的缺陷水平方向的定位情況進行對比分析。由于RT的定位結果受編碼帶、影像放大等因素的影響較大，對PAUT和RT定位數據進行對比不具有建設性意義，PAUT與RT的定位偏差約為±10 mm，故可以將PAUT的定位數據與廠家出廠檢測(UT)的定位數據進行對比，兩者定位偏差不超過±3 mm。

4 結論

設計制作了6種外徑不小于114.3 mm、厚度為12.7～51.5 mm，包含不同體積型和面積型自然缺陷的模擬試塊，制定了相控陣超聲檢測工藝，并與傳統射線檢測技術的缺陷檢出率、缺陷定位誤差和缺陷定量誤差進行對比分析，得出了以下結論。

(1) PAUT能夠檢出RT所檢出的全部缺陷，且PAUT比RT多發現62個缺陷(多數為點狀缺陷和裂紋)，但PAUT檢測2 mm以下的點狀缺陷時回波高度不大，效果不理想。同時，相控陣超聲檢測定性時對評圖人員的經驗要求較高，因而部分缺陷的相控陣超聲檢測定性結果與射線檢測的定性結果存在一定差異，但PAUT的定性結果均嚴于或等同于射線檢測。

(2) 射線檢測僅可對缺陷的水平方向進行定位，而相控陣超聲檢測除缺陷水平方向的定位外還可對缺陷的深度和自身高度進行定量，PAUT的定位數據與廠家出廠檢測的定位數據相比偏差不超過±3 mm。

(3) 通過選擇合適的檢測系統和制定專用的檢測工藝，對核電厚壁碳鋼管道對接焊縫，相控陣超聲檢測能夠達到甚至優于傳統射線檢測的檢出能力，具備工程應用的技術條件，具有廣闊的應用前景。