熱核聚變實驗堆P3焊縫無損檢測研究

吳佳勇 唐 偉 宋爾輝

（貴州航天新力科技有限公司，貴州 遵義 563001）

0 引言

核能部件P3是安置在熱核聚變實驗反應堆內，承受反應堆其他系統巨大運行壓力的重要設備。國際熱核聚變實驗反應堆由全球八個國家和地區首次進行研制的新型實驗堆項目，是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作大項目之一，僅次于國際空間站的又一個國際大科學工程計劃。實驗堆P3部件由25塊不同規格的鍛件加工焊接而成。該產品的焊接結構使得在制造階段組裝焊接和各道工序的檢驗要求很高。當進行熱核聚變實驗堆P3部件焊縫超聲波檢測時，超聲波傳播在焊縫的晶界面會發生嚴重散射和波形轉換，引起超聲波嚴重衰減、信噪比下降[1]。為了更準確地發現焊縫內部是否存在未焊透、未熔合、裂紋、夾渣和氣孔等缺陷問題，采用多種探頭進行探測才能達到最佳檢測效果。

該文結合超聲波垂直入射和斜射線法，采用射線雙膠片技術作為補充試驗來分析。研究其他工藝參數對超聲檢測的影響，采取相應的措施和方法進行驗證，從而更好地保證實驗堆產品的質量。

1 熱核聚變實驗堆P3部件焊縫的焊接工藝和焊縫組織

1.1 核能部件P3焊縫的結構與工藝參數

核能部件P3焊縫的結構與工藝參數如下：1）實驗堆P3部件材質。熱核聚變實驗堆P3部件和焊接支撐板的材質是316LN高溫合金高強度不銹鋼，厚度均為50mm；2）實驗堆P3部件焊縫材質。熱核聚變實驗堆P3部件焊縫的焊接材料為 Φ2 317L不銹鋼；3）實驗堆P3部件焊縫坡口形式為雙面U型全焊透坡口打磨清理，如圖1所示；4）實驗堆P3部件焊接方法為手工鎢極氬弧焊；5）實驗堆P3部件焊后熱處理為焊后去應力處理。

1.2 實驗堆P3部件焊縫金相組織

焊縫宏觀金相組織顯示每層高約6mm，焊縫金相組織柱狀晶粒基本上垂直于接管坡口，焊縫焊道較寬，約8mm，焊道每層5mm～6mm高，實驗堆P3部件焊縫晶粒在每條焊道內基本形成扇形結構，偶爾有延伸穿過焊道的情況，有利于提高超聲檢測的信噪比。

2 熱核聚變實驗堆P3部件無損檢測試驗方案和檢測工藝實施

2.1 超聲檢測焊縫

熱核聚變實驗堆P3部件焊接工藝復雜，焊縫厚度比較大，容易出現未焊透、未熔合、裂紋、夾渣和氣孔等缺陷。夾雜和氣孔為體積型缺陷，未焊透、未熔合和裂紋為平面型缺陷，危害程度非常大。超聲檢測雖然對這種結構特別復雜的熱核聚變實驗堆P3部件焊縫檢測有一定限制，但是對異型件焊縫內部缺陷的精準性和定量不準確。充分利用實驗堆P3部件鍛件端面為檢測面是超聲檢測的優點，相較于其他無損檢測方法，使用多種探頭直射法的檢測工藝方法更好。

2.1.1 超聲波探傷儀器

型號：USM GO，編號11075431。該設備體積小、質量輕，可自動測試計算零點和聲速。對焊縫檢測三角投影曲率修正符合EN1713、ASME和JIS標準，在15Hz和2000Hz范圍內自動優化，三種自動調節模式，增益在0.5MHz和20MHz之間自由匹配。檢測焊縫時能幫助識別幻像波的影響，適合于焊縫余高不要求磨平、錯口連接等難點的焊縫檢測。

2.1.2 超聲波檢測探頭

所用探頭結合了GE公司的進口產品和我國產品，對熱核聚變實驗堆P3部件焊縫中可能出現的夾渣、未熔合、未焊透、焊瘤、內凹缺陷和焊材填料金屬以及P3部件本體中的裂紋須使用斜射聲束接觸型探頭；實驗堆P3部件焊縫厚度變化分層使用雙晶接觸型探頭。在該核能部件產品的超聲波檢測中以上幾種類型的探頭均須使用，熱核聚變實驗堆P3部件焊縫超聲波檢測使用探頭見表1。

表1 超聲波檢測探頭

2.1.3 超聲檢測介質

選用聲阻抗高、透聲性能好、聲特性阻抗與核能部件材料聲特性阻抗相近的耦合劑，牌號為CG-08，該耦合劑的有害元素含量符合ISO 22825：2006焊縫的無損檢測——熔化焊接頭超聲檢測標準。

2.1.4 超聲檢測鍛件表面要求

熱核聚變實驗堆P3部件超聲檢測面包括檢測區和探頭移動區，檢測區的寬度應該是焊縫本身加上焊縫兩側各相當于母材厚度30%的一段區域，即熱影響區域。這個區域最小為5mm，最大為10mm，當使用一次反射法檢測時，探頭移動區域大于或等于1.25P。所有檢測表面經過自能化機械設備加工，表面粗糙度為3.2μm，符合熱核聚變實驗堆P3部件的超聲檢測標準和技術條件要求。

2.1.5 超聲檢測試塊

檢測熱核聚變實驗堆P3部件焊縫的探傷試塊的材質與該核能部件材質相同，均為316LNI不銹鋼，超聲檢測不銹鋼標準試塊焊縫中的平底孔作為缺陷的反射體，其尺寸和焊縫檢測工藝與核能部件P3部件相同，這樣才能保證超聲檢測靈敏度和測量范圍，并能準確比較缺陷的大小。A孔位于核聚變實驗堆P3部件不銹鋼焊縫熔合區，B孔距離核能部件P3不銹鋼焊縫熔合水平距離32mm，C孔位于焊縫與支撐板熔合區，與核能部件P3不銹鋼側焊縫熔合水平距離45mm，檢測對比試塊加工如圖2所示。

2.1.6 檢測焊縫靈敏度不應低于評定線靈敏度

對熱核聚變實驗堆P3部件焊縫進行超聲探傷，當耦合劑損失及材料衰減與試塊不一致時應補償檢測靈敏度。掃查速度小于100mm/s，相鄰兩次探頭移動間距重疊10%。探頭先垂直于焊縫中心線上進行鋸齒型掃查，然后在焊縫兩側邊緣使用斜探頭與焊縫中心線成45°和60°作斜平行掃查。為了確定缺陷性質或區分缺陷真偽信號，應采用前后左右及轉角環繞方式進行掃查檢測。熱核聚變實驗堆P3部件焊縫檢測如圖3所示。

2.1.7 超聲檢測焊縫余高的判定

對熱核聚變實驗堆P3部件焊縫進行超聲波探傷，其存在焊縫余高不能磨平、錯口連接等難點問題。當探傷時要充分考慮焊縫余高寬度和焊縫錯口高度等因素的影響并并進行判斷[2]，用游標卡尺或焊接檢驗尺測量余高寬度，探頭的K值和前沿距離組合應考慮測量的焊縫余高寬度。當檢測發現有焊接頭錯口時，要考慮錯口高度引起的回波。檢測結果顯示焊縫余高、錯口連接等引起的偽缺陷反射波比較規則，波幅高而穩定，而真實缺陷引起的反射波不同，形狀不規則，波幅為不穩定的波形。當發現反射波時一定要認真對比、計算和分析。考慮到超聲檢測對這種反射波不能準確判定，應輔以其他探傷檢測方法。

2.2 射線檢測

射線檢測是超聲波檢測工藝方法的補充，能夠驗證超聲波檢測發現焊縫缺陷的可靠性。核聚變實驗堆P3部件由各種規格的支撐板通過焊接組成，其結構的特殊性決定射線檢測只能以50°角用雙膠片技術（雙膠片是為了辨別射線檢測焊縫后的偽缺陷）進行透照，用HS-XY450X 射線機作為射線源且工作狀況十分穩定。射線探傷方法檢測熱核聚變實驗堆P3部件焊縫來作為對比和補充檢測評定，保證核能部件的產品質量。

2.3 滲透檢測

焊縫表面無損檢測采用溶劑滲透檢測方法，滲透檢測所用的試劑、不銹鋼鍍鉻試塊和方法滿足核能部件的標準要求。

3 熱核聚變實驗堆P3組部件焊縫檢測試驗結果分析

3.1 超聲檢測信號回波噪聲強度分析

根據熱核聚變實驗堆P3部件焊縫檢測工藝，使用GE公司生產的便攜式探傷儀進行探傷，其核能部件超聲檢測信號回波噪聲強度見表2。

表2 核能部件超聲探頭的回波和噪聲強度

3.2 核能部件P3焊縫超聲結果分析

從超聲檢測結果可以看出焊縫中缺陷的檢測能力與探頭直接相關。當進行焊縫檢測時，所有反射波幅達到或超過定量線的缺陷均確定了位置并從焊縫另一側的端面進行驗證，確認信號并非由正常的焊縫幾何形貌或波形變換所引起。結果顯示有一超過評定線的信號疑似裂紋信號顯示，通過改變探頭角度和增加探傷面來觀察動態波型，結合異形結構工藝特征分析后，確定不是真正的缺陷。焊縫中既有縱波又有橫波，縱波穿透率比較大，橫波穿透率比較小，有利于縱波和橫波的區分[3]。當橫波折射角較小時，縱波往復透過率與橫波往復透過率相差較大，但橫波折射角越小對應的縱波往復透過率越小。可以看出2.5MHz～4MHz的直探頭效果較好，2MHz探頭雖然材質衰減系數更小，但比2.5MHz的檢測效果差。因為低頻率穿透力更強，寬聲束覆蓋了更多的焊縫晶粒，聲束截面積相應變大，所以缺陷反射回波的能量在整個聲束中所占比例下降，即信噪比降低。

3.3 超聲檢測靈敏度提高的方法

為了進一步提高熱核聚變實驗堆P3焊縫的超聲檢測靈敏度，當對核能部件P3焊縫進行超聲檢測時，降低了焊縫的衰減量和減少焊縫區有效聲束覆蓋面積，從而提升檢測效果。超聲波檢測結果表明，探頭從P3部件端面和側面對焊縫進行掃射探傷，均取得了理想效果，成功檢出和識別了實驗堆部件焊縫的內部缺陷。

3.4 焊縫超聲檢測側壁干涉效應的影響與對應措施

核能部件超聲檢測結果反映了對焊縫中間部位的檢測能力，如果缺陷靠近表面，探頭靠近側壁，當信號沿側壁傳播時將產生嚴重的波型轉換，導致強度衰減，噪聲增加，導致探傷靈敏度急劇下降[4]。為解決這一問題，我們采用斜探頭在焊縫兩個側面進行輔助檢驗。為了準確檢測核能部件P3焊縫及熱影響區的缺陷，檢測過程中使用了直探頭、斜探頭和雙晶探頭配合探傷。當移動探頭時雜波信號幅值變化不明顯，基本不游動，而缺陷信號隨探頭的移動幅值變化，信號前后移動。以上試驗表明結合使用斜射法和垂直法能得到滿意的檢測效果，更能滿足標準要求。核能部件的側壁效應區域如圖4所示。

3.5 射線檢測分析

射線探傷檢測熱核聚變實驗堆P3部件焊縫部位，工作電壓可到400kV，焦點尺寸Φ5.5mm，焦距700mm，曝光量35mA·min，工作狀況十分穩定。膠片型號：AGFA C4；顯影液G128；定影液G328。射線探傷底片黑度（雙膠片技術）為2.72～4.05，底片上像質計顯示最小絲徑為W9，黑度和靈敏度均滿足ISO 17636標準要求，底片上有2mm長形缺陷顯示。由于射線采用一定的角度透照，因此其缺陷顯示大于超聲波檢測顯示。這證明了超聲波檢測結果準確，檢測工藝和方法有效。

4 結論

針對國際核聚變反應實驗堆P3部件產品的設計要求，該文通過研究P3部件焊縫無損探傷方法，采用超聲波垂直入射、斜射相組合的工藝方法以及射線補充檢測結果分析，證明了該試驗的無損檢測工藝方法和驗證結果有效。當超聲波檢測時探頭從P3部件主體端面對焊縫進行掃射檢測，結合斜射法和垂直法在縱向和橫向面分別掃射檢測，檢出實驗堆部件焊縫內部缺陷，達到了標準要求的探傷效果，保證了國際熱核聚變實驗堆部件的產品質量。該試驗的工藝方法和驗證結果對航空、航天、船舶和石油機械等領域的金屬材料焊接件無損探傷檢測具有一定的工藝參考和應用價值。