不锈钢管道对接焊缝焊接热裂纹超声波检测技术

2013-10-25 05:21袁光华周路生张国丰

无损检测 2013年12期

袁光华，常楠，周路生，张国丰

（国核电站运行服务技术公司，上海 200233）

核电站核辅助系统存在一定数量的奥氏体不锈钢对接焊缝。由于焊缝安装制造工艺原因，极易产生焊接热裂纹。此类缺陷除表面开口类型能被渗透检测发现外，其余埋藏性缺陷使用体积性检测方法无法进行有效检测。为了掌握缺陷基本情况，为核辅助管道疲劳计算及寿命评估提供依据，必须开发针对性检测技术。笔者介绍的超声波检测技术主要针对管径φ273mm，厚度30mm的奥氏体不锈钢管道对接焊缝，其他规格的核辅助系统对接焊缝检测技术可以此为参考。

1 不锈钢管道对接焊缝焊接热裂纹特征及超声波检测难点

根据对核辅助系统不锈钢焊缝解剖试验及缺陷统计，此类焊接热裂纹的主要特征为以下四点：

（1）长度多数缺陷长度为2～3mm，最长的为8mm左右。

（2）高度绝大多数单个缺陷的高度小于3mm。

（3）深度大多数缺陷位于距焊缝外表面3mm以内，部分位于3～6mm范围内，少数缺陷位于6mm以下和氩弧焊打底层以上区域。

（4）方向除火口裂纹外，多数缺陷的走向为沿焊道方向（周向）和45°斜向两个方向，少数缺陷为轴向方向。

考虑此类焊接热裂纹的主要特征、焊缝材料及焊接工艺，超声波检测难点主要为以下三点：

（1）由于焊接热裂纹具有形貌不规则、开口小、长度短、自身高度小等特点，超声波检测时存在信号幅度低、噪声大、分辨力差等问题。

（2）粗大的奥氏体晶粒形成高强度的草状回波，导致声能衰减严重、穿透力差，从而降低了检验信号的信噪比和缺陷的分辨力。

（3）晶粒的各向异性，即焊缝熔合区与焊缝中心区的晶粒成长方向的不一致将导致部分检验探头产生高强度的几何形状信号和声束偏转。

2 超声波检测技术

2.1 参考反射体确定

根据RCCM规范有关要求以及核辅助系统不锈钢管道对接焊缝中焊接热裂纹的特征，采用如下参考反射体。

（1）横通孔根据RCCM规范MC2000相关要求，在参考试块上加工直径为φ2mm的横通孔［1］。考虑到近表面区域，增加了深度为2.5mm的φ2mm横通孔。横通孔主要用于检测灵敏度的调节。

（2）电火花槽根据表面开口缺陷特征，在试块表面加工不同规格、不同方向的电火花槽，目的在于开发检测技术的能力验证。

（3）平底孔根据内部缺陷特征，在试块焊缝侧面加工不同深度、不同方向的φ2mm平底孔，用于开发技术仪器调节及技术能力验证。

参考试块如图1所示。

图1 不锈钢参考反射体试块

2.2 检测区域划分

由于不锈钢管道对接焊缝焊接热裂纹超声波检测存在的检测难点，根据不锈钢材料超声检测的通常做法，将检测对象沿厚度方向分为三个不同区域：表面近表面区域（0～9mm）、中部区域（5～16mm）、下部区域（10～30mm）。针对不同区域采用不同聚焦范围的检测探头，以提高检测信噪比，同时实现检测范围全覆盖。

2.3 表面近表面超声波检测技术

根据实际检测经验反馈，针对表面近表面区域，表面波探头及常规大角度超声探头均不能取得较好的检测效果。综合考虑后决定采用超声爬波的检测技术。

2.3.1 超声爬波探头

超声爬波探头的类型有单晶爬波探头、双晶并列式爬波探头和双晶串列式爬波探头等。通过对爬波探头的类型、晶片频率、晶片尺寸、阻抗匹配、焦点距离等参数的优化与组合，最终研制出了适合奥氏体不锈钢管道焊缝表面、近表面缺陷检测的双晶并列式爬波探头，其规格为2mm×6mm×13mm TRCr2F15。

2.3.2 超声爬波测高技术

试验发现爬波探头所接收到的表面、近表面缺陷回波信号中包含了许多缺陷特征信息，包括缺陷最大回波处深度、缺陷的上端点反射信号和缺陷下端点反射信号。图2缺陷上端点、最大波幅处以及下端点超声波反射，图3为对应显示的A扫信号。

图2 爬波测高技术示意

图3 爬波测高波形显示

利用来自缺陷本身的上下端点反射波确定缺陷的自身高度与利用端点衍射波法测量缺陷高度技术存在一定的差异。由于爬波在近表面传播过程中可以看成是一系列与表面平行的波组成，因此近表面缺陷的端点反射波幅度远大于端点衍射波幅度（特别是垂直于焊缝表面的缺陷），且其端点反射信号较端点衍射信号更易分辨。

2.3.3 超声爬波探头性能

经试验测试，超声爬波探头性能主要如下：

（1）有效覆盖深度：0～9mm。

（2）信噪比参考试块上表面近表面区域（0～9mm）内所有参考反射体信噪比大于24dB。

（3）检测能力能有效检测出自身高度大于1.0mm的平面性缺陷。

（4）测高能力可对自身高度2mm以上的缺陷进行高度测量，其测高精度优于±1mm。

2.4 不锈钢焊缝中下部区域超声波检测技术

2.4.1 中部区域检测技术及探头选择

中部区域（5～16mm）超声波检测技术采用2.5MHz 60°双晶纵波斜探头，尺寸为2mm×8mm×16mm。双晶纵波斜探头采用一发一收的工作模式，利用收发晶片声束交叉形成菱形区域而达到聚焦效果，从而大幅提高其焦距范围内信号的强度、分辨力和信噪比。同时，由于发射和接收分开，降低了楔块与接触面耦合不良引起的界面干扰信号。

2.4.2 下部区域检测技术及探头选择

对于下部区域的检测，通常采用45°探头。但是经过试验证明，由于核辅助管道焊缝中晶粒成长方向的原因，导致45°的超声波穿透焊缝的能力比较差，在界面上产生较强的声束偏转，形成较强的几何结构信号，干扰缺陷的判别，如图4所示。

图4 45°探头几何结构信号干扰示意

通过试验发现，这种几何结构信号的强度在φ2mm－5dB～φ2mm＋4dB之间，信号的显示深度在19～26mm，其位置及当量信息对于不锈钢焊缝下部区域缺陷信号的判断造成强烈干扰。图5为焊接试件几何结构信号波形。

为了排除下部区域几何结构信号的干扰，先后试验了37°和50°等种不同角度的双晶纵波探头。经过试验，发现37°探头同样具有较强的几何信号，而50°探头的类似几何信号则比较弱，基本不影响缺陷信号的判定。在此基础上，进行探头参数的进一步优化，最终确定采用探头的规格为1.5P8×14A50F30，该双晶纵波聚焦探头具有较强的穿透焊缝的能力，由于焊缝界面引起声束偏转而形成的几何结构信号的强度在标准要求的记录灵敏度附近（标准记录灵敏度为φ2mm－14dB），基本不影响缺陷判断。