鎳基合金焊縫超聲波檢驗(yàn)論證分析

國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司 嚴(yán)小波 范國(guó)華

本文通過(guò)對(duì)鎳基合金對(duì)接焊縫檢查的檢驗(yàn)設(shè)備、檢驗(yàn)探頭及檢驗(yàn)技術(shù)參數(shù)等方面進(jìn)行綜合論證，以驗(yàn)證鎳基合金對(duì)接焊縫手動(dòng)超聲檢驗(yàn)技術(shù)的有效性，確保檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性。主要研究鎳基合金對(duì)接焊縫，被檢驗(yàn)容器對(duì)接焊縫的外徑規(guī)格(mm)、材質(zhì)、厚度t（mm）為Ф2400/UNS N10003/10～90；被檢驗(yàn)管對(duì)接焊縫的外徑規(guī)格(mm)、材質(zhì)、厚度t（mm）分別為Ф44～Ф50/UNS N10003/5，Ф114/UNS N10003/8.5，Ф144.3/UNS N10003/7.1，Ф345/UNS N10003/35。被檢焊縫剖口型式如圖1、圖2。

圖1 厚度t≥40對(duì)接焊縫

圖2 厚度t＜40對(duì)接焊縫

1 檢驗(yàn)要求及檢驗(yàn)設(shè)備

1.1 檢驗(yàn)?zāi)康?/h3>

檢驗(yàn)出焊縫檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)存在的氣孔、未熔合和裂紋等缺陷，并應(yīng)能對(duì)缺陷進(jìn)行定量、定位和定性，其中缺陷的定量包括測(cè)量其當(dāng)量大小、缺陷長(zhǎng)度測(cè)量和缺陷高度測(cè)量。

1.2 缺陷的定量要求

缺陷長(zhǎng)度測(cè)量均方根誤差不超過(guò)19mm；容器缺陷高度測(cè)量均方根誤差不超過(guò)6mm；管道誤差不超過(guò)3mm；按照?qǐng)D3計(jì)算線性回歸的斜率，應(yīng)至少為0.7：線性回歸線的斜率不小于0.7，計(jì)算方式參考公式2。圖3中直線A為線性回歸線，y=a+bx，是由n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(x1,y1)…(xn,yn)用最小二乘法得到的最佳擬合直線，n=數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。圖3中直線B為理想直線，y=x（最好的超聲測(cè)量結(jié)果），相關(guān)系數(shù)定義如式3。

圖3 缺陷高度二維線性圖統(tǒng)計(jì)參數(shù)

1.3 檢驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所采用超聲波儀器為GE公司生產(chǎn)的USN60型，屬于A型脈沖反射式數(shù)字式超聲波儀器。

校準(zhǔn)試塊。鎳基合金對(duì)接焊縫的超聲檢驗(yàn)所采用的校準(zhǔn)試塊依據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)第V卷和XI要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，所采用的材料、規(guī)格及熱處理工藝與實(shí)際產(chǎn)品一致，具有相應(yīng)的孔和內(nèi)外槽。

2 超聲檢驗(yàn)技術(shù)論證分析

2.1 技術(shù)驗(yàn)證試塊

試塊的厚度范圍為8.56mm～94mm，覆蓋檢驗(yàn)對(duì)象的范圍；試塊的曲率為Ф114.3mm～Ф1088mm，覆蓋鎳基合金管道檢驗(yàn)對(duì)象的范圍。技術(shù)驗(yàn)證采用的試塊、規(guī)格（mm）、材質(zhì)分別為：管對(duì)接焊縫校準(zhǔn)試塊TSMR-T1/L1，Ф48.3×5.08，母材UNS N10003、焊絲ERNiMo-2；異種金屬焊縫缺陷模擬試塊/UT-DC01，Ф42.2×4.85，不銹鋼段母材316LN、碳鋼段母材SA508III、預(yù)堆邊Sanicro71、焊縫Sanicro72；管對(duì)接焊縫校準(zhǔn)試塊/UTSK-07，Ф114.3×8.56，母材UNS N10003、焊絲ERNiMo-2；異種金屬焊縫缺陷模擬試塊/02-AB，Ф298×38，不銹鋼段母材316LN、碳鋼段母材SA508III、預(yù)堆邊Inconel 152、焊縫Inconel 52M；異種金屬焊縫缺陷模擬試塊/01-AB，Ф1088×94，不銹鋼段母材316LN、碳鋼段母材SA508III、預(yù)堆邊Inconel 152、焊縫Inconel 52M。

表1 鎳基合金對(duì)接焊縫所采用的探頭參數(shù)

表2 鎳基合金焊縫模擬自然缺陷試塊缺陷參數(shù)（單位mm）

為驗(yàn)證以上代表性的說(shuō)明，分別采用與02-AB試塊相同的異種金屬焊縫和UNS N10003鎳基合金同種金屬焊縫制作了性能對(duì)比試塊，采用2.0MHz2×8.6×15.2LA45FS30探頭并采用相同檢測(cè)工藝分別掃查兩種試塊上不同深度的Ф3mm橫孔的當(dāng)量、深度值及信噪比的差異。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，對(duì)于不同位置（相對(duì)焊縫中心線）、不同深度、相同尺寸和類型的反射體，鎳基合金焊縫試塊與異種金屬焊縫試塊超聲檢驗(yàn)靈敏度相當(dāng)、顯示深度基本一致、信噪比相當(dāng)，說(shuō)明兩種材料對(duì)于超聲波能量衰減、超聲波傳播方向的影響、缺陷信號(hào)的分辨情況基本一致，從而進(jìn)一步說(shuō)明可采用鎳基預(yù)堆邊接管安全端焊縫試塊來(lái)代表鎳基母材對(duì)接焊縫試塊。

2.2 模擬缺陷試塊試驗(yàn)

對(duì)技術(shù)驗(yàn)證試塊（Ф42.2×4.85mm、Ф48.3×5.08mm、Ф114.3×8.56mm、Ф298×38mm和Ф1088×94mm）的對(duì)接焊縫模擬自然缺陷進(jìn)行超聲波手動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)（表3）。

表3 模擬缺陷反射體試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

所采用的檢驗(yàn)技術(shù)能檢出模擬缺陷試塊上所有的模擬自然缺陷，反射體中包括高度為0.5mm～28.1mm，且與法線夾角為0～15°的裂紋類、夾渣類及未熔合類等缺陷；對(duì)于Ф42.2× 4.85mm模擬缺陷試塊的檢驗(yàn)，所有缺陷高度測(cè)量的均方根誤差為0.53mm，長(zhǎng)度測(cè)量均方根誤差為3.92mm，定位誤差為-1mm～2mm；對(duì)于Ф48.3×5.08mm模擬缺陷試塊的檢驗(yàn)，所有缺陷高度測(cè)量的均方根誤差為2.11mm，長(zhǎng)度測(cè)量均方根誤差為3.67mm，定位誤差為-2.5mm～6mm。

對(duì)于Ф114.3×8.56mm模擬缺陷試塊的檢驗(yàn)，所有缺陷高度測(cè)量的均方根誤差為1.39mm，長(zhǎng)度測(cè)量均方根誤差為1.29mm，定位誤差為-1.5mm～2mm；對(duì)于Ф298×34mm模擬缺陷試塊的檢驗(yàn)，所有缺陷高度測(cè)量的均方根誤差為0.44mm，長(zhǎng)度測(cè)量均方根誤差為3.11mm，定位誤差為-2mm～3.12mm；對(duì)于Ф1088×94mm模擬缺陷試塊的檢驗(yàn)，所有缺陷高度測(cè)量的均方根誤差為1.14mm，長(zhǎng)度測(cè)量均方根誤差為6.82mm，定位誤差為-5.69mm～8mm，且線性回歸斜率為1.06。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)，所采用的檢驗(yàn)技術(shù)能夠檢出模擬缺陷試塊上所有的反射體，檢測(cè)技術(shù)的能力覆蓋鎳基合金對(duì)接焊縫的檢驗(yàn)要求；三種類型的模擬缺陷試塊上所有自然缺陷高度測(cè)量的均方根差為0.44～2.11mm，滿足ASME規(guī)范高度測(cè)量均方根誤差小于3.2mm的要求；且焊縫的缺陷高度線性回歸斜率為1.06，滿足線性回歸斜率至少為0.7的要求；三種類型的模擬缺陷試塊上所有自然缺陷長(zhǎng)度測(cè)量的均方根差為1.29～6.82mm，滿足ASME規(guī)范長(zhǎng)度測(cè)量均方根誤差小于19mm的要求；三種類型的模擬缺陷試塊上所有自然缺陷最大位置偏差為-5.69～8mm，滿足ASME規(guī)范缺陷定位誤差應(yīng)在±13mm范圍內(nèi)的要求；采用的超聲波儀器（USN60）能夠有效滿足鎳基合金對(duì)接焊縫的超聲波檢驗(yàn)要求。

鎳基合金對(duì)接焊縫的超聲檢驗(yàn)的設(shè)備、校準(zhǔn)試塊、超聲檢驗(yàn)技術(shù)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)鎳基合金對(duì)接焊縫的要求，檢驗(yàn)技術(shù)有效。