核电站ASG管嘴焊缝超声检测工艺改进

2012-05-14，，

无损检测 2012年5期

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（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

图1 安放式管座角焊缝坡口结构图

核电站核岛内辅助给水系统（ASG）管道与主给水系统（ARE）管道连接的管嘴焊缝为安放式全焊透管座角焊缝（焊缝坡口结构见图1）。焊缝中的一些常见缺陷（如未焊透、未熔合、裂纹等）如果漏检或未能有效控制，在核电站运行过程中由于压力、腐蚀、运行工况等诸多因素会不断恶化，甚至导致破损和断裂。这种安放式管座角焊缝由于结构影响，不便于施行射线检测，所以对于焊缝内部情况主要采用超声波检测。核电站在役检查大纲中也规定，该焊缝需要进行超声波检测。

鉴于主给水系统（核2级）和辅助给水系统（核2，3级）的安全级别，以及ASG管嘴焊缝结构的特殊性，有必要针对该结构的焊缝设计制作相对应的全尺寸对比试块，进行超声波检测方法试验，并编制专门的超声波检测工艺。

1 研究内容

1.1 全尺寸对比试块的设计、制作

（1）调研ASG管嘴焊缝坡口结构及焊接工艺。

（2）制作与被检焊缝材质和内外部结构基本一致的1∶1焊接试件。

（3）根据RCC－M标准中的相关规定，制作相应的对比试块。拟选取0°和90°两处在结构上最有代表性的区域来制作对比试块［1]。

1.2 ASG管嘴焊缝检测工艺研究

（1）根据RCC－M标准要求，选择合适的检测方法和检测探头。

（2）确定超声检测扫查方式、扫查部位。

2 ASG管嘴焊缝对比试块制作

ARE和ASG管道的外径分别为406，156 mm；制作与被检焊缝材质和内外部结构基本一致的1∶1焊接试件；根据RCC－M标准中的相关规定，制作相应的对比试块。选取0°和90°两处在结构上最有代表性的区域来制作对比试块。试块示意图如图2和3所示。根据RCC－M标准中的要求，焊缝检测用对比试块上的人工反射体为直径2 mm的长横孔。同时，为了证明最终的检测工艺能够覆盖整个焊缝区域，两块试块中的长横孔分别位于焊缝中心及焊缝熔合线附近，并且在对比试块的根部还布置有一个高度为2 mm，长度为10 mm的人工切槽。

3 检测方法理论分析

RCC－M标准第Ⅲ册 MC 2634.2中规定，在可达性和几何结构条件允许的情况下，尽量使超声波检测能够覆盖整个焊缝区域，焊缝区域应包含焊缝本体及其两侧热影响区。第Ⅰ册S 7722中规定，壁厚≤30 mm的角接焊缝中热影响区为焊缝两侧各5 mm；壁厚＞30 mm的角接焊缝中热影响区为焊缝两侧各10 mm。因此，在选择检测工艺时，需要根据焊缝的几何尺寸及外形结构来选择折射角［1]。

以往的现场工作中，主要采用2Z8×9A45和2Z8×9 A60横波斜探头进行该焊缝的现场检测，但现场检测时发现在焊缝局部存在反射幅度很高的信号。通过理论分析，发现该信号是60°探头固有的结构信号。另外，理论分析还发现这两种角度探头并不能完全覆盖整个焊缝厚度范围，详见图4和5。因此，考虑增加更小角度的探头来加强焊缝近表面区域的检测。

考虑到两种不同角度的探头最好能够相差15°以上，所以在最初的检测方案设计中选择30°的探头，但试块加工完成后，发现焊道宽度对探头移动的影响很大，通过声束传播路径模拟研究，发现采用30°探头检测根部人工槽的效果不好。选用35°探头可以利用扩散角检测人工槽，而30°探头的主声束角度与检测所需的41°声束之间的夹角太大，此时能量已经很弱。基于上述考虑，拟采用35°探头取代30°探头。

4 检测工艺试验

选择检测用探头时，主要从以下几方面考虑：

（1）焊缝表面宽度大，需要选用前沿尽量小的探头进行检测。

（2）实际检测时探头的扫查轨迹是一个马鞍形，为了获得良好的耦合效果，探头与工件的接触表面应尽量小，所以在达到合适的灵敏度的前提下，探头晶片尺寸应较小。

（3）需要使用一次反射波进行检测，因此可选用频率稍高的探头，以提高超声波束的指向性，有利于信号的分辨。

原检测工艺中采用60°探头进行检测，但通过试验发现，60°探头的实际检测效果不佳，故决定取消60°探头，理由主要有三点：一是60°探头的声束扩散过于明显，导致经过底面一次反射后，人工缺陷的回波能量低，信号不易辨认；二是此时的结构反射信号过于强烈，干扰缺陷信号的判别；三是在原设计方案中，60°探头主要用于检测焊缝根部缺陷，但35°和45°探头已经能清晰地发现根部人工槽的信号，这说明60°探头预计的检测区域已经得到了有效覆盖。基于上述三点考虑，实际检测工艺中取消了60°探头。为验证35°探头和45°探头的检测覆盖能力，对两种角度探头在半扩散角范围内的覆盖范围进行了理论模拟。根据横波斜探头半扩散角的计算公式，频率为5 MHz，晶片尺寸为4 mm×6 mm的探头，其半扩散角为6°。根据探头半扩散角理论计算结果，分别对35°探头和45°探头在0°试块位置和90°试块位置的覆盖范围进行了理论模拟，详见图6和7。

从理论模拟分析图中可以看出，在半扩散角范围内，35°探头在0°位置焊缝表面余高处存在一小块深度约为1 mm的未覆盖区域，在焊缝根部则存在一块深度约为6 mm的未覆盖区，而45°探头能覆盖所有的焊缝根部区域，但在焊缝表面的未覆盖区域则大于35°探头。综合两种角度探头的覆盖区域可以知道，0°位置焊缝表面余高处存在一小块深度约为1 mm的未覆盖区域，建议此处可采用磁粉检测方法进行补充检测；90°位置处，在半扩散角范围内，35°探头和45°探头均能覆盖所有的焊缝区域，此处采用这两种角度探头检测时无盲区。

工艺试验时所有探头都是小晶片、短前沿探头，探头清单见表1。

表1 探头工艺试验参数

采用表1中所列探头分别从ASG管嘴外表面、ARE管道外表面对试块进行扫查，并将发现的信号进行记录和整理，部分反射体信号见图8～11。由此可见，60°探头只能采用一次波从管嘴侧发现孔1和孔2的反射信号。从ARE管侧检测时，由于探头扩散的原因，各反射体信号难以清晰分辨。35°探头和45°探头分别从管嘴侧和ARE管侧进行检测时，能够检出所有的人工反射体。