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(中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215026)

核電廠主回路系統(tǒng)和二三級部件中使用了大量的安放式BOSS頭焊縫，該類焊縫承受著和主管相同的溫度和壓力，易出現(xiàn)缺陷。BOSS頭焊縫的失效泄漏，將會影響機組的運行和安全；特別是回路系統(tǒng)中還包含著放射性介質，并且放射性介質泄漏后的維修難度大，沾污風險高，會嚴重影響機組大修整體工期。

目前核電站支管角焊縫采用的無損檢測方法主要有射線[1]和滲透檢測法，但由于檢測對象的馬鞍形幾何特性，射線探傷易出現(xiàn)部分區(qū)域不可達的問題，并且存在需要使用射線源、工作過程繁瑣、有輻照風險、工期長等局限性；而滲透檢測無法對管座角焊縫的內部缺陷進行檢測。而相控陣超聲檢測技術[2]具有可多角度掃查、不同深度聚焦等特點，特別適合于核電站支管角焊縫掃查區(qū)域狹小、聲波衰減嚴重的場合。

筆者針對核電廠典型的BOSS頭焊縫的結構形式和特點，開展了相控陣超聲檢測技術的研究，主要內容包括相控陣探頭設計、檢測工藝方案設計和人工缺陷驗證，以及現(xiàn)場檢測試驗，并將檢測結果與射線檢測結果進行了對比。

1 檢測方案

1.1 被檢對象分析

核電廠BOSS頭焊縫主要為手工焊接的安放式管座角焊縫，其基體金屬為奧氏體不銹鋼材料Z2CN18.10或Z2CND18.12N，填充金屬均為ER316L+E316L，焊縫坡口形式多樣。筆者選取兩種典型BOSS頭焊縫進行分析，焊縫坡口形式如圖1所示，具體規(guī)格尺寸等參數見表1。

BOSS頭為工廠預制，現(xiàn)場手工焊接，焊接完成后根據支管尺寸進行鉆孔，再對焊縫表面進行修磨，以保證表面圓滑過渡，避免出現(xiàn)焊接應力集中問題，完成后進行表面滲透檢測。但是由于現(xiàn)場焊接環(huán)境、焊縫位置和人員狀態(tài)等因素影響，同種BOSS頭焊縫焊接成形的坡口角度、焊縫寬度和表面狀態(tài)等存在許多差異。

表1 核電廠典型BOSS頭焊縫的基本參數 mm

圖1 核電廠典型BOSS頭焊縫坡口形式

1.2 相控陣探頭

核電廠BOSS頭焊縫材料為奧氏體不銹鋼，具有晶粒粗大和各項異性特征。粗晶會引起聲波衰減、信噪比下降問題，且會造成超聲聲束能量衰減大、在晶界發(fā)生散射以及波形轉換現(xiàn)象；各向異性特征會引起聲束彎曲，造成顯示定位不準的問題；并且由于BOSS管座的尺寸限制，較小尺寸的探頭能量低，發(fā)現(xiàn)缺陷的能力受到限制，但是大尺寸探頭耦合效果差，探頭可貼合范圍小。

針對上述難點，在相控陣探頭類型、頻率和晶片等參數選擇時考慮以下原則。

(1) 探頭類型：由于BOSS頭支管尺寸較小，相比于雙晶探頭,單晶線陣探頭的尺寸要小得多，更利于貼合BOSS表面，有利于缺陷檢出?？紤]工件小曲率的特點，采用弧面晶片探頭，為了提高探頭耦合度，將探頭表面加工成與接觸表面相同的弧度。

(2) 探頭頻率：以獲得最佳信噪比的原則選擇探頭頻率。通常，頻率范圍為1.5～3.5 MHz的超聲波在不銹鋼材料中具有較強的穿透性并可兼顧一定的分辨力。

(3) 探頭晶片：BOSS頭焊縫厚壁均小于28 mm，選用較大晶片探頭能夠獲得較大的能量，在滿足穿透能力前提下，盡量選擇小晶片探頭。

針對上述技術難點，利用專業(yè)超聲仿真軟件CIVA進行仿真，依據仿真結果選擇了一維線陣探頭，其頻率為2.25 MHz,孔徑為8 mm×10 mm(主軸×次軸),晶片數量為16，楔塊類型為AOD42、101。所選相控陣探頭在兩種典型BOSS頭焊縫中的扇形掃查聚焦法則所產生的聲場分布如圖2所示。

圖2 相控陣探頭扇掃在BOSS頭中的聲場分布

由聲場的仿真計算結果可知，相控陣探頭聲場的-6 dB聚焦深度覆蓋范圍大于28.6 mm，可有效覆蓋典型BOSS頭焊縫的全壁厚范圍。

1.3 超聲工藝

針對這兩種 BOSS頭焊縫模型,采用1∶1比例繪制3D圖紙，導入CIVA仿真軟件，對超聲相控陣檢測工藝進行仿真設計，并對模擬缺陷檢出效果進行仿真，驗證工藝的可行性。對于第一種BOSS頭，可貼合探頭的直管段長度僅為18 mm，而探頭本身長16 mm，寬22 mm，前沿為8 mm，所以探頭只能貼在直管段檢測，可移動范圍小于2 mm。由于直管段內壁平整無螺紋結構干擾，壁厚較薄，可利用一次波和二次波進行檢測，仿真結果見圖3。

圖3 第一種BOSS頭相控陣超聲檢測工藝仿真

對于第二種BOSS頭，探頭可以貼合在斜管段(長度約40mm)和焊縫上，可移動范圍較大，具體移動范圍受焊縫表面打磨情況影響。由于斜管段壁厚較大，且厚度是變化的，優(yōu)先考慮利用一次波進行檢測，仿真結果見圖4。

圖4 第二種BOSS頭相控陣超聲檢測工藝仿真

超聲檢測能力的仿真研究工作主要針對危害性最大的裂紋缺陷。一般采用矩形缺陷來模擬裂紋和未熔合，筆者采用的缺陷尺寸高3 mm，長5mm，用φ3 mm球型缺陷來模擬氣孔。使用相控陣探頭對典型BOSS頭焊縫進行檢測時，以其檢測深度φ2 mm橫通孔所獲得的A掃最高值為100%滿屏作為參考值，以此作為探頭掃查時的基準靈敏度0 dB。設置的人工缺陷分別為焊縫根部裂紋和中部氣孔。

第一種BOSS頭根部裂紋和中部氣孔的缺陷回波幅值分別為DAC+4.6 dB和DAC-8.9 dB，仿真結果如圖5所示。第二種BOSS頭根部裂紋和中部氣孔的缺陷回波幅值分別為DAC+9.0 dB和DAC-9.4 dB，仿真結果如圖6所示。缺陷模擬仿真檢測結果表明，所設計的檢測工藝可有效檢出焊縫中下部的體積和非體積性缺陷。

圖5 第一種BOSS頭相控陣超聲檢測仿真結果

圖6 第二種BOSS頭相控陣超聲檢測仿真結果

1.4 試驗驗證

為實際驗證設計的相控陣檢測工藝的檢測效果，按照兩種BOSS頭焊縫的設計圖紙和焊接工藝分別加工了兩個驗證試塊，試塊的材料和熱處理狀態(tài)與核電廠BOSS頭的相同，試塊表面無任何凸起、氧化皮、焊渣以及其他妨礙探頭自由移動的物質，試塊表面粗糙度不超過6.3 μm，其實物外觀如圖7所示。

圖7 兩種BOSS頭驗證試塊外觀

驗證試塊中分別加工了3 mm內壁刻槽和φ2 mm橫孔模擬缺陷，測試結果表明所開發(fā)的相控陣超聲檢測工藝能有效檢出內壁3 mm刻槽和橫孔缺陷，兩種驗證試塊的檢測結果分別如圖8,9所示。

圖8 第一種BOSS頭焊縫中缺陷的相控陣檢測結果

2 現(xiàn)場檢測應用

在某核電現(xiàn)場進行了若干BOSS頭焊縫的現(xiàn)場檢測工作，現(xiàn)場檢測照片如圖10所示。在現(xiàn)場，大部分BOSS頭表面狀況滿足檢測要求，但是由于部分BOSS頭表面凹凸不平和堆焊情況各異，探頭無法貼合，部分BOSS頭或者部分區(qū)域不可檢。后續(xù)可考慮進行表面處理后再檢測，或者增加高端柔性相控陣探頭進行補充檢測。

部分現(xiàn)場BOSS頭的檢測結果，以及與射線檢測結果的對比見表2，從表2中可以看出相控陣檢測的結果與射線檢測結果基本吻合，在缺陷的長度和數量上稍有區(qū)別，相控陣檢測在缺陷定量和定性上不如射線檢測直觀。但是對于射線所檢出的大缺陷，均能檢出。其中第5和6號BOSS頭射線檢測出最長5 mm的體積性夾雜缺陷，判定合格可接受，而相控陣檢測可能由于表面耦合或者結構原因未發(fā)現(xiàn)明顯可記錄顯示，亦判定為合格。對于8號BOSS頭焊縫進行相控陣檢測，發(fā)現(xiàn)在9點～10點鐘方向，深度14.3 mm的地方有1個可記錄顯示，缺陷長度15 mm，相控陣檢測結果和射線檢測結果見圖11。

圖9 第二種BOSS頭焊縫中缺陷的相控陣檢測結果

圖10 核電現(xiàn)場BOSS頭焊縫檢測

圖11 8號BOSS頭焊縫相控陣和射線檢測結果對比

序號主管尺寸接管類型熔敷厚度/mmBOSS外徑/mm相控陣檢測缺陷數量相控陣檢測缺陷長度/mmRT排查結果112″1/2″17.7445可記錄顯示1個8最長長度為15 mm(沿坡口)未熔合212″3/4″22.7455可記錄顯示1個7最長長度為5 mm,氣孔36″1/2″17.7445可記錄顯示2個7,5最長長度為20 mm,夾渣46″3/4″22.7455可記錄顯示1個15最長長度為15 mm×2夾渣,?4 mm氣孔512″1/2″17.7445無明顯可記錄顯示-最長長度為5 mm,夾渣612″1/2″17.7445無明顯可記錄顯示-長度為5 mm,夾渣712″1/2″17.7445可記錄顯示1個20長度為10 mm,未熔合83″3/4″12.2540可記錄顯示1個15長度為20 mm,夾雜

相比于射線檢測，相控陣超聲檢測可在不移動或者少移動的情況下，進行多角度和多方向掃查，檢測效率高，僅需兩人即可實施檢測，檢測時間短，不影響大修期間周邊其他作業(yè)，無輻照風險，可用于代替部分射線檢測，節(jié)省大修工期。

3 結語

針對BOSS頭焊縫結構特點和奧氏體不銹鋼的材料特點，開發(fā)了核電廠典型BOSS頭焊縫相控陣檢測工藝，并在模擬缺陷試塊和核電現(xiàn)場進行了驗證和應用。結果表明，所開發(fā)的相控陣超聲檢測工藝能夠有效檢出核電廠BOSS焊縫內表面缺陷，現(xiàn)場應用的檢測結果與射線檢測結果有一定區(qū)別，但對較大缺陷均能檢出；相控陣超聲檢測效率高于射線檢測，可對大修期間部分表面狀況良好的BOSS頭改用相控陣檢測替代射線檢測，還可對因空間結構受限而無法實施射線檢測的BOSS頭焊縫實施補充相控陣檢測，以提高BOSS頭排查效率和覆蓋率，節(jié)約大修檢測工期。