核電站主給水系統(tǒng)管道對接焊縫的超聲波衍射時差法檢測工藝

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(1.森松(江蘇)重工有限公司 上海分公司，上海 201323；2.中廣核工程有限公司，深圳 518124; 3.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；4.國家市場監(jiān)督管理總局無損檢測與評價重點(diǎn)實驗室，北京 100029)

在核電安裝工程中，目前核電主給水系統(tǒng)(ARE)管道對接焊縫的檢測主要采用射線檢測方法，但射線檢測效率低，所以有必要引進(jìn)新的檢測技術(shù)來提高檢測效率，以更好地服務(wù)于核電領(lǐng)域。超聲波衍射時差法(以下簡稱TOFD)的缺陷檢出率高，且可對缺陷高度進(jìn)行精確測量，對焊縫質(zhì)量的提高有良好的促進(jìn)作用。近年來,TOFD技術(shù)已經(jīng)在火力發(fā)電廠、石油化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

筆者對材料為P265GH鋼，規(guī)格為457 mm×29 mm(外徑×壁厚)的ARE管道對接焊縫進(jìn)行TOFD檢測工藝研究，仿真[1]分析了TOFD檢測工藝，采用缺陷響應(yīng)[2]分析進(jìn)行工藝優(yōu)化，將優(yōu)化后的檢測工藝和標(biāo)準(zhǔn)工藝在模擬試塊上進(jìn)行驗證，并與射線檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了TOFD檢測工藝的可行性。

1 TOFD檢測工藝仿真分析

1.1 TOFD聲場仿真分析

在CIVA軟件中，φ457 mm×29 mm管道的實際焊縫工藝參數(shù)為：坡口角度為30°，間隙為2 mm，鈍邊為1 mm。對其進(jìn)行建模，模型如圖1所示。

圖1 φ 457 mm×29 mm管道模型

對TOFD檢測的關(guān)鍵工藝參數(shù),如探頭頻率、晶片尺寸、楔塊角度以及聲束交點(diǎn)深度等進(jìn)行仿真分析，得到檢測工藝參數(shù)(見表1),表1中PCS為探頭中心間距，T為工件厚度，表1中序號3為標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.10-2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第10部分：衍射時差法超聲檢測》 推薦的檢測工藝參數(shù)，TOFD聲場分布及探頭中心能量對比如圖2所示。

表1 TOFD檢測工藝參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)NB/T

由表1與圖2(a),2(b)可知：藍(lán)色線條框內(nèi)為-12 dB聲束范圍，在-12 dB聲束范圍內(nèi)聲束能有效覆蓋檢測區(qū)域；在焊縫熱影響區(qū)附近采用7.5 MHz，φ2.5 mm探頭，PCS為60 mm的工藝參數(shù)，上表面盲區(qū)為3.68 mm(計算值)，可以有效減小上表面盲區(qū)。由圖2(c)可知，上表面盲區(qū)為14 mm(計算值)。由圖2(d)可知，優(yōu)化檢測工藝的探頭中心能量比標(biāo)準(zhǔn)推薦的檢測工藝探頭中心能量高4.1 dB。

圖2 各工藝參數(shù)下TOFD聲場分布及探頭中心能量對比

1.2 TOFD缺陷響應(yīng)仿真分析

根據(jù)被檢工件的焊接特性，按照RCCM 《壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計與建造法則》 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的驗收要求，在工件模型中預(yù)設(shè)不同類型的缺陷，共5處(見表2)。

圖3 缺陷仿真模型

在仿真軟件中建立缺陷模型(見圖3)。將表1中的TOFD檢測工藝參數(shù)在缺陷仿真模型中進(jìn)行計算分析,仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，若采用表1中序號1，2的檢測工藝參數(shù)，預(yù)設(shè)的5個不同的缺陷均能有效檢出，但用

表2 預(yù)設(shè)缺陷信息

圖4 φ 457 mm×29 mm管道焊縫缺陷仿真結(jié)果

7.5 MHz,φ2.5 mm探頭檢測近表面缺陷效果更好，用4.5 MHz，φ6 mm探頭檢測根部缺陷效果更好；采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的檢測工藝進(jìn)行仿真分析，可知近表面缺陷5#缺陷的信號大部分被直通波信號掩蓋，其他缺陷能有效檢出，初步驗證檢測工藝可行。

2 試驗驗證

2.1 TOFD上表面盲區(qū)試驗

選用型號為OMINISCAN MX的TOFD檢測設(shè)備，選用7.5 MHz,φ2.5 mm探頭，楔塊角度選用73°，PCS為60 mm，在盲區(qū)試塊上進(jìn)行試驗[3]，試塊選用帶不同深度刻槽和側(cè)孔的試塊(見圖5)。采用7.5 MHz,φ2.5 mm和4.5 MHz,φ6.0 mm探頭對盲區(qū)試塊進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，采用表1中序號1的檢測工藝參數(shù)，上表面實際盲區(qū)僅為3 mm，采用序號2的檢測工藝參數(shù)，上表面盲區(qū)實測值為5 mm，即采用序號1中檢測工藝參數(shù)的上表面盲區(qū)較小。此外，上表面盲區(qū)部分可采用常規(guī)超聲脈沖檢測法進(jìn)行補(bǔ)充檢測。

圖5 盲區(qū)試塊結(jié)構(gòu)示意

圖6 不同探頭對盲區(qū)試塊的檢測結(jié)果

2.2 模擬試塊驗證

選用型號為OMINISCAN MX的TOFD設(shè)備，參數(shù)為7.5 MHz,φ2.5 mm與4.5 MHz,φ6 mm的探頭，楔塊角度選用73°與70°，在對比試塊上調(diào)校完成后，再在模擬試塊上進(jìn)行試驗。模擬試塊規(guī)格為457 mm×29 mm(外徑×壁厚)，采用表2中的規(guī)格，模擬試塊中共制作5處缺陷，模擬試塊外觀如圖7所示。

選用表1中的TOFD檢測工藝參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)推薦的檢測工藝參數(shù)分別在模擬試塊上進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖8所示。

圖7 模擬試塊外觀

圖8 不同工藝參數(shù)下模擬試塊的檢測結(jié)果

由圖8可知，兩種檢測工藝對1#,3#,4#,5#缺陷均能有效檢出，表1中優(yōu)化后的檢測工藝均能有效測量各個缺陷的長度和高度，標(biāo)準(zhǔn)推薦的檢測工藝參數(shù)無法測量5#近表面缺陷的深度及高度。

2.3 射線檢測結(jié)果對比試驗

對TOFD試驗結(jié)果與射線檢測結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3所示。

表3 TOFD檢測結(jié)果與射線檢測結(jié)果對比mm

由表3可知：射線能檢測出的缺陷，TOFD均能檢出，5#缺陷射線未能檢出，TOFD能有效檢出；射線與TOFD對缺陷長度的測量結(jié)果基本一致；TOFD能對缺陷的高度及深度進(jìn)行準(zhǔn)確測量；標(biāo)準(zhǔn)推薦的檢測工藝參數(shù)無法準(zhǔn)確測量5#缺陷的高度。

3 結(jié)語

(1) 優(yōu)化后的TOFD檢測工藝參數(shù)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)推薦的檢測工藝參數(shù)，尤其是在對于近表面缺陷的檢出及測量時。

(2) 從缺陷檢出率來看，針對面積型危害性缺陷，TOFD檢測技術(shù)比射線檢測技術(shù)更為有效。

(3) 從檢測可達(dá)性對比上看，射線檢測能達(dá)到檢測區(qū)域的全厚度覆蓋，單純的TOFD技術(shù)不能實現(xiàn)檢測區(qū)域的全厚度覆蓋，需要對TOFD檢測的盲區(qū)進(jìn)行磁粉或超聲檢測，來實現(xiàn)檢測區(qū)域的全覆蓋。

(4) 與射線檢測相比，TOFD檢測的缺陷測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，其可對缺陷的深度與高度進(jìn)行測量。