蒸汽发生器安放式小径接管全焊透角焊缝超声检测工艺改进

王佐森

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司, 秦皇岛 066206)

蒸汽发生器安放式小径接管全焊透角焊缝超声检测工艺改进

王佐森

(哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司, 秦皇岛 066206)

由于蒸汽发生器安放式小径接管全焊透角焊缝的结构限制、接管曲率大等因素，传统的超声检测工艺存在一些弊端。改进了传统超声检测工艺，设计了专用的超声波探头并采用从接管内壁进行扫查的检测方法。采用改进后的超声检测工艺在缺陷模拟接管上进行了验证试验，结果表明新的检测工艺规避了传统超声检测工艺的缺点。

小径接管; 全焊透角焊缝; 超声探头; 检测方案

蒸汽发生器是核电站核岛主设备之一，是压水堆核电厂一回路、二回路的边界，其传递反应堆的热量产生蒸汽推动汽轮发电机发电。蒸汽发生器是一级安全等级、一级规范级别和质保QA1级设备，其质量直接关系到核电站的核安全。蒸汽发生器产品筒身上都有一些安放式小径接管全焊透角焊缝(这些小径接管用于温度及水位测量)，其焊缝结构如图1(a),(b)所示；管板上设有为二次侧排污的安放式全焊透小径接管，焊缝结构如图1(c)所示。

按照设计文件要求，以上小径接管与筒身或管板焊后需经超声检测，验收标准为ASME NB-5330《超声检测验收标准》。通常的检测方法为：① 使用2.25 MHz、晶片尺寸(长×宽)为9 mm×8 mm、角度为45°,60°和70°的横波短前沿探头沿接管轴向使用一次波和一次反射波从接管外表面扫查焊缝，探头楔块磨成与接管外径相适应的曲率，扫查示意如图2(a)所示。② 对于图1(a),(b)接管还可使用2.25 MHz、晶片尺寸(长×宽)为13 mm×13 mm、角度为45°和60°的横波探头从筒身内壁扫查接管焊缝，扫查示意如图2(b)所示。

以上检测方法的缺点为：① 从小径接管侧扫查时，一次波几乎没有扫查到焊缝区域；② 从接管侧扫查时，一次反射波由于经过接管内壁凸曲率反射，反射波发散，回波声压较低，实际检测中信噪比较差；③ 从小径接管侧扫查时，一次反射波仅能扫查到部分焊缝区域存在较大的漏检区；④ 从小径接管侧使用一次反射波扫查焊缝和从筒身侧使用一次波扫查焊缝为从同一个方向检测焊缝，而缺少从另一个方向去检测焊缝；⑤ 无法从圆周方向检测焊缝；⑥ 图1(c)所示接管焊缝由于结构原因仅能从接管侧扫查焊缝。

图1 安放式小径接管全焊透角焊缝结构示例

图2 传统超声检测扫查示例

为克服常用检测方法的缺点，更好地检测焊缝质量以保证核安全，应对检测工艺进行改进。

1 检测工艺的改进

以AP1000核电机组蒸汽发生器上筒体组件中水位计接管焊缝为例进行介绍，检测技术条件中要求：探头频率2 MHz～5 MHz，一个探头的折射角度为45°，另一个探头的角度应为60°或70°，在近检测面1/4厚度范围内可采用折射角60°～70°的单晶或双晶斜探头做补充检测；扫查方式为采用斜探头以垂直于焊缝轴线的方向进行两次互相成180°的扫查。如果焊缝余高磨平，还应采用斜探头以平行于焊缝轴线的方向进行两次互相成180°的扫查，否则应在焊缝两侧进行斜平行扫查。

为满足法规和技术文件要求，使用如图3所示的探头从接管内壁沿轴向和周向从正反方向扫查焊缝，探头为凸曲率，曲率半径与接管内径相吻合，扫查方向如图4所示。

图3 改进后的探头外观

图4 改进后的扫查示意

1.1 探头设计

为满足此类焊缝的检测，特设计特殊的专用探头(见图3)。探头通过弹簧悬浮固定于外壳上，通过弹簧的弹力能够与接管内壁很好地耦合；探头上有suhner插座，手柄端部留有C9插座，组件内部通过同轴电缆一端连接suhner接头，一端连接C9插座；打开后盖可以更换不同角度和声束方向的探头；外壳直径与接管内径相吻合并保持负公差。

探头参数选取的考虑：该焊缝内壁表面和近表面缺陷无法使用磁粉或渗透检测方法进行检测，故选择4 MHz双晶70°探头进行检测；45°和60°探头因其声束要覆盖R角区域，故选择2 MHz；考虑到接管内径较小并尽可能减少探头盲区及焊缝厚度适中，故晶片尺寸(长×宽)选择9 mm×8 mm；为满足技术条件中对检测方向的要求，探头声束方向设计了沿接管轴向正反两个方向、沿接管周向正反两个方向；考虑到耦合效果，探头的楔块曲率设计为与接管内径一致。

1.2 对比试块设计

按照ASME V《锅炉及压力容器规范 第V卷 无损检测》和技术条件的要求设计的轴向扫查试块，周向扫查试块如图5所示。

图5 对比试块尺寸

试块与接管采用相同牌号材料并进行相同的热处理。试块的横孔直径按照接管壁厚进行选取，直径为φ2.4 mm，长度为40 mm。最深处长横孔距扫查面的距离为接管壁厚与焊缝加强高厚度之和。试块曲率与接管内径一致，并设计距扫查面2 mm深的长横孔，用以测试探头盲区。

图6 鉴定试样 (槽)尺寸与实物图片

1.3 鉴定试样设计

图7 鉴定试样(横孔)尺寸与实物图片

参考ASME V卷第4章附录F《管座检验中鉴定试样的要求》制作如图6和图7所示的鉴定试样[1]，试样材料与产品接管的P-No.号相同，外形尺寸同产品焊缝相同。如图6所示，试样布置矩形槽反射体，焊缝外表面布置1个环向槽代表焊缝近外表面的环向缺陷，1个纵向槽代表焊缝近外表面的纵向缺陷；焊缝内表面根部布置1个环向槽代表焊缝内壁根部近表面缺陷，槽宽和槽深为1 mm。如图7所示，试样布置2个长横孔反射体代表焊缝内部缺陷，孔直径φ2 mm。

2 检测工艺主声束盲区的理论分析

利用计算机画图功能，对探头主声束对此焊缝的覆盖进行理论分析。由于双晶70°探头主要用于检测焊缝内壁近表面缺陷，主声束对焊缝覆盖理论上不存在盲区。45°和60°探头在图4中所示2，3和4方向不存在覆盖盲区。在图4中所示的1方向上，45°和60°探头主声束的盲区如图8所

图8 改进后方向1的探头扫查盲区示意

示，即1方向只有图8右侧黑色实心区域无任何角度探头主声束覆盖，其深度为1.4 mm；而考虑到探头扩散角的覆盖，实际声束未覆盖区域小于1.4 mm，该部分盲区可以在磁粉检测时进行补充检测。

3 检测工艺的演示验证

采用改进后的超声检测方法在缺陷模拟接管上进行验证试验，各探头的检测结果图片如图9所示(图中闸门红线右侧的较高的信号为此模拟体的固定结构信号)，试验结果表明：使用双晶70°探头能够清晰地识别出焊缝内表面的切槽；使用45°探头能够清晰地识别出外表面切槽和焊缝内部横孔。经过模拟体的鉴定试验，此检测工艺能够满足此焊缝的检测技术要求。

图9 改进的超声检测工艺的验证试验结果

4 实际产品焊缝的检测

按照ASME V卷,核电设计院的《焊缝超声检测技术条件》和改进的检测工艺编制专用的《蒸汽发生器安放式全焊透小接管焊缝超声检测规程》。对实际产品焊缝进行检测，轴向检测使用图5(a)试块制作DAC曲线，周向检测使用图5(b)试块制作DAC曲线。其中，双晶70°探头使用距扫查面深度为2，5，15 mm的孔制作DAC曲线；45°和60°探头使用距扫查面深度为5，20，45 mm和70 mm的孔制作DAC曲线。以DAC曲线为基准灵敏度，在此基础上至少提高14 dB作为扫查灵敏度。该检测方法取得了较好的结果。

5 结语

通过理论分析和鉴定试样的验证演示，改进后的检测工艺很好地避免了传统检测工艺的缺点，能够满足核电设计院对此类安放式全焊透小接管焊缝的检测要求，从而很好地保证此类焊缝的检测质量。

The Ultrasonic Examination Process Improvement for Full-Penetration CornerWeld of Small Diameter Pipes on Steam Generator

WANG Zuosen

(Harbin Electric Corporation (QHD) Heavy Equipment Company Limited, Qinhuangdao 066206, China)

Because of the geometric limitation and big curvature of small diameter pipes, the conventional ultrasonic examination process for their full-penetration corner weld has some shortcoming. The author has improved the conventional process by designing new ultrasonic probes and applying inner scanning method from pipes inside. The new process is tested on simulation pipes to prove its feasibility and it shows that this method can avoid the conventional method′s shortcoming.

small pipe; full-penetration corner weld; ultrasonic probe; examination method

2016-10-28

王佐森(1980-)，男，工程师，主要从事无损检测和质量管理工作

王佐森，wangzuos@sohu.com

10.11973/wsjc201706017

TG115.28

B

1000-6656(2017)06-0073-04