核電站BOSS焊縫的相控陣超聲檢測

金士杰，李 瀟，蘇嘉凱，嚴(yán) 宇，張曉峰，楊會(huì)敏，林 莉

(1.大連理工大學(xué)無損檢測研究所，大連 116085；2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300)

BOSS焊縫是用于核電站中核輔助系統(tǒng)主管和支管連接的管座焊縫，在功能上既是承壓焊縫也是密封焊縫，是核一級(jí)壓力容器的邊界[1-2]，一旦發(fā)生泄漏，將對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大影響。因此，選擇合適的無損檢測方法，對(duì)其進(jìn)行缺陷識(shí)別和定量檢測十分必要。

目前，一般采取滲透和射線方法檢測BOSS焊縫缺陷。通常對(duì)焊接過程中的根部焊道和完工焊縫表面進(jìn)行滲透檢測，但該方法只能檢測表面缺陷，無法覆蓋焊縫內(nèi)部區(qū)域。射線檢測的缺陷檢出率相對(duì)較高，如孫彪等[3]對(duì)核電站冷凝罐中69個(gè)BOSS焊縫進(jìn)行射線檢測抽查，發(fā)現(xiàn)5處層間未熔合、2處氣孔和3處根部未焊透。然而，BOSS焊縫射線檢測時(shí)底片布置困難，檢出缺陷畸變嚴(yán)重，且面積型缺陷檢測能力相對(duì)較弱，難以進(jìn)行缺陷深度定位。與之相比，超聲檢測具有速度快、成本低、靈敏度高等優(yōu)勢，得到了廣泛應(yīng)用。BOSS焊縫幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致常規(guī)超聲檢測時(shí)信號(hào)識(shí)別困難，制約了缺陷檢出率[4-6]，而相控陣超聲檢測(PAUT)技術(shù)可靈活控制陣元延遲時(shí)間以實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦，提高了缺陷檢測能力[7-8]，為BOSS焊縫的檢測提供了可能。唐亮等[9]針對(duì)核電站典型不銹鋼BOSS焊縫，利用CIA仿真軟件建立模型并進(jìn)行PAUT檢測，實(shí)現(xiàn)了未熔合、裂紋和氣孔等不同類型缺陷的有效識(shí)別，且缺陷檢出率高于射線檢測。楊建幫等[10]將PAUT探頭布置在BOSS焊縫支管上，有效檢出了高度為3 mm的內(nèi)壁槽和φ2 mm橫孔缺陷。

文章以SKETCH14規(guī)格BOSS焊縫為例，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行相控陣超聲探頭選擇和檢測方案設(shè)計(jì)；然后選取適配的探頭和楔塊，實(shí)現(xiàn)待檢測區(qū)域的聲束覆蓋；最后，在BOSS焊縫試塊中加工不同位置和深度的面積型和體積型缺陷，進(jìn)行定量檢測和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 BOSS焊縫檢測方案

PAUT主要基于亥姆霍茲聲壓積分定理和惠更斯原理[11]，利用陣列排布的相控陣超聲探頭實(shí)施檢測。探頭各陣元等間隔線性排列，具有獨(dú)立的發(fā)射與接收電路，通過控制發(fā)射時(shí)間可實(shí)現(xiàn)激勵(lì)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。使用扇形掃描時(shí)，PAUT的多角度掃查可以減少探頭的移動(dòng)[12]，提高檢測靈敏度并改變聲束覆蓋范圍[13]，大大縮小檢測盲區(qū)。在此基礎(chǔ)上，配合斜楔塊及多種模式波可實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的缺陷檢測。

文章以核電站SKETCH14規(guī)格BOSS焊縫為例開展PAUT檢測研究，焊縫結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主管壁厚度為17.0 mm，外徑為166.5 mm；支管壁厚為33.5 mm，外徑為84.0 mm。待檢測范圍包括焊縫上下熔合線之間區(qū)域及熱影響區(qū)，其材料為奧氏體不銹鋼，晶粒相對(duì)粗大且具有彈性各向異性，聲傳播時(shí)存在散射和衰減[14]，檢測時(shí)應(yīng)選用相對(duì)低頻(如中心頻率為2.25 MHz)的相控陣超聲探頭進(jìn)行整體檢測?，F(xiàn)有研究多將探頭置于焊縫或支管上[10]，但僅使用一種檢測方式不利于焊縫區(qū)域的聲能全覆蓋，會(huì)造成部分缺陷漏檢。為解決上述問題，筆者將探頭布置在主管上，采用二次波對(duì)焊縫下熔合線及附近區(qū)域進(jìn)行檢測。同時(shí)，將探頭布置在BOSS焊縫正上方，采用直入射方式檢測焊縫上熔合線及附近區(qū)域。此外，考慮到低頻探頭的近表面盲區(qū)范圍相對(duì)較大，會(huì)造成焊縫近表面區(qū)域缺陷的漏檢，需配合高頻(如中心頻率為7.5 MHz)探頭，通過斜入射檢測焊縫上熔合線近表面區(qū)域。為提高檢測分辨力和靈敏度，斜入射檢測時(shí)采用橫波楔塊，直入射檢測采用0°縱波楔塊。

圖1 SKETCH14規(guī)格BOSS焊縫結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)以上分析，試驗(yàn)中選用OLYMPUS 2.25L32-A11型(中心頻率為2.25 MHz，32陣元)和7.5L16-A15型(中心頻率為7.5 MHz，16陣元)相控陣探頭進(jìn)行PAUT檢測，具體檢測方案如表1所示。參考標(biāo)準(zhǔn)NB/T47013.15-2021《承壓設(shè)備無損檢測 第15部分：相控陣超聲檢測》，將主聲束±20°偏轉(zhuǎn)范圍作為有效覆蓋范圍，BOSS焊縫不同位置的PAUT檢測聲束覆蓋如圖2所示，可見該方法可實(shí)現(xiàn)BOSS焊縫及熱影響區(qū)的全覆蓋檢測。

表1 BOSS焊縫檢測方案

圖2 BOSS焊縫不同位置的PAUT檢測聲束覆蓋示意

2 檢測試驗(yàn)

圖3 BOSS焊縫試塊實(shí)物

在SKETCH14規(guī)格BOSS焊縫試塊中加工缺陷，并進(jìn)行PAUT檢測?？紤]到BOSS焊縫主管和支管的連接特點(diǎn)，可按不同軸面剖分為腹部試塊和肩部試塊，BOSS焊縫試塊實(shí)物如圖3所示。實(shí)際加工2個(gè)腹部試塊和2個(gè)肩部試塊，并沿其上、下熔合線設(shè)計(jì)不同位置和深度的φ2 mm橫通孔和高度為3 mm的內(nèi)壁槽，以模擬體積型和面積型缺陷。每個(gè)試塊中加工2個(gè)橫通孔和1個(gè)內(nèi)壁槽，共計(jì)12個(gè)模擬缺陷，具體參數(shù)如表2所示。

表2 BOSS焊縫試塊模擬缺陷參數(shù)

根據(jù)表1所示的BOSS焊縫PAUT檢測方案，采用Omniscan X3型設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集和扇形掃查成像。其中，下熔合線及附近區(qū)域使用二次橫波斜入射進(jìn)行檢測；上熔合線及附近較深處區(qū)域使用縱波直入射進(jìn)行檢測；上熔合線及附近淺層區(qū)域使用橫波斜入射進(jìn)行檢測。BOSS焊縫部分典型缺陷的PAUT扇形掃查圖像如圖4所示。

圖4 BOSS焊縫部分典型缺陷的PAUT扇形掃查圖像

PAUT扇形掃查圖像的信噪比主要受材料和缺陷兩方面因素影響。一方面，待檢BOSS焊縫材料為奧氏體不銹鋼，粗大的晶粒會(huì)引起較明顯的結(jié)構(gòu)噪聲；另一方面，隨著缺陷深度增加，超聲聲束傳播距離變大，衰減會(huì)導(dǎo)致缺陷回波幅值下降。SKETCH14規(guī)格BOSS焊縫不同缺陷的檢測信號(hào)信噪比如圖5所示，依據(jù)缺陷深度和類型對(duì)12個(gè)缺陷進(jìn)行重新排序，則信噪比整體上隨缺陷深度增加而逐漸下降。其中，上熔合線及附近區(qū)域缺陷采用一次波檢測，信噪比為15.3～25.0 dB。例如，缺陷1、缺陷10和缺陷6的深度分別為4.9,15.6,34.2 mm，對(duì)應(yīng)檢測信噪比分別為25.0,17.8,15.8 dB。下熔合線及附近區(qū)域缺陷采用二次波檢測，聲程相對(duì)較長，信噪比有所降低，約為12.9～14.0 dB。

圖5 BOSS焊縫不同缺陷的檢測信號(hào)信噪比

基于PAUT扇形掃查圖像，選擇缺陷所在角度線上的A掃描信號(hào)，識(shí)別缺陷回波并讀取最高波峰位置，進(jìn)行缺陷深度定量。SKETCH14規(guī)格BOSS焊縫不同缺陷的檢測相對(duì)誤差如圖6所示，可見8個(gè)橫通孔與4個(gè)內(nèi)壁槽的深度定量誤差均不超過6.9%，反映了制定的PAUT檢測方案的有效性。

圖6 BOSS焊縫不同缺陷的檢測相對(duì)誤差

缺陷深度定量誤差主要與待測缺陷類型和BOSS結(jié)構(gòu)曲率有關(guān)，并受焊縫表面狀態(tài)等因素影響。首先，內(nèi)壁槽為面積型缺陷，檢測時(shí)利用探頭到槽端點(diǎn)的直達(dá)波或二次波實(shí)施缺陷定量。與之相比，橫通孔是具有弧形面的體積型缺陷，會(huì)使得入射波沿孔表面發(fā)生繞射后到達(dá)缺陷下端點(diǎn)。此時(shí)，實(shí)際聲束傳播距離略大于探頭至橫通孔端點(diǎn)的直線距離，使得缺陷定量誤差增加。如圖6所示，橫通孔定量誤差整體略高于槽的定量誤差。如缺陷1與缺陷2(孔)的定量誤差分別約為4.1%和6.0%，而缺陷3(槽)的定量誤差約為1.9%。

其次，對(duì)BOSS焊縫肩部試塊進(jìn)行檢測時(shí)，探頭主動(dòng)軸方向與主管母線在同一平面內(nèi)，結(jié)構(gòu)對(duì)聲束傳播與聚焦法則的影響較小，聲能聚焦效果相對(duì)較好。相比之下，對(duì)腹部試塊進(jìn)行檢測時(shí)，探頭主動(dòng)軸方向與主管母線正交，入射波與二次波受主管內(nèi)外壁彎曲弧面影響，傳播聲程改變且聚焦效果減弱，對(duì)缺陷深度定量產(chǎn)生影響。如圖6所示，對(duì)于深度相近的同類型缺陷，腹部試塊中缺陷的深度定量誤差整體上略高于肩部試塊中缺陷。如缺陷1(肩部試塊中)和缺陷7(腹部試塊中)的深度分別為4.9 mm與5.0 mm，深度定量誤差分別約為4.1%和6.0%。

需要指出的是，PAUT檢測圖像中仍然存在偽像干擾，這是因?yàn)椋珺OSS焊縫的晶粒散射會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)噪聲，以及焊縫形狀不規(guī)則導(dǎo)致，內(nèi)部端角處發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。實(shí)際檢測時(shí)有必要結(jié)合待測工件的結(jié)構(gòu)特征加以區(qū)分。最后值得注意的是，BOSS焊縫表面均為曲面且形狀不規(guī)則，使用商售硬質(zhì)楔塊時(shí)的耦合效果一致性難以保證，后續(xù)研究中可考慮采用柔性耦合方式，優(yōu)化BOSS焊縫的PAUT檢測方案，以改善成像效果，進(jìn)一步提升PAUT檢測定量精度。

3 結(jié)語

以SKETCH14規(guī)格BOSS焊縫為例，開展了PAUT檢測研究。結(jié)合BOSS焊縫材料和結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)檢測方案，通過選擇2種PAUT探頭和3種楔塊，實(shí)現(xiàn)了待檢測區(qū)域的聲場覆蓋。在BOSS焊縫試塊內(nèi)部，沿上、下熔合線加工不同位置和深度的12個(gè)缺陷(包含8個(gè)橫通孔和4個(gè)內(nèi)壁槽)，并進(jìn)行PAUT檢測試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所有缺陷均能有效檢出，信噪比范圍為12.9～25.0 dB，且缺陷深度定量誤差均不超過6.9%。