核电厂BOSS头焊缝的无损检测要求

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(深圳中广核工程设计有限公司， 深圳 518172)

BOSS头被广泛应用于核电厂的辅助管道中，主要用于母管和支管的连接。

某核电机组在运行过程中，BOSS头焊缝出现泄漏现象，经解剖发现焊缝中存在严重的缺陷。通过查阅该BOSS头预制焊缝的无损检测报告得知，该焊缝按照RCC-M规范《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》进行无损检测，即焊接过程中对根部焊道和完工焊缝进行渗透检测，检测结果均为合格。另外，经排查，很多BOSS头焊缝均存在类似的缺陷。

无损检测是确保焊缝质量的重要手段，为此，笔者以核1级管道奥氏体不锈钢BOSS头预制焊缝的无损检测为例，探讨了对BOSS头焊缝无损检测方案进行改进的可行性。

1 BOSS头焊缝的规格及检验要求

1.1 结构形式和规格

核1级系统管道中BOSS头与母管的连接焊缝为安放式接管焊缝。常用BOSS头的公称尺寸有12.7,19.5,25.4,50.8 mm等多种规格，根据结构和尺寸分类，BOSS头又可分为多种类型，如1,3,7,14型等。预制焊缝通常采用“先焊接后钻孔”的加工成型工艺，即BOSS头先预加工小孔，待BOSS头与母管焊接完成后再扩孔至最终尺寸。图1为一种典型的BOSS头焊缝结构示意。

图1 典型的BOSS头焊缝的结构示意

1.2 材料和焊接检验要求

核1级系统管道的母管和BOSS头材料均为奥氏体不锈钢，采用非熔化极气体保护焊和焊条电弧焊工艺焊接，焊接过程中通常对根部焊道和完工焊缝表面进行渗透检测。

2 BOSS头焊缝的无损检测要求

根据RCC-M规范要求，BOSS头预制焊缝的待焊表面、焊接过程中及焊接完成后的无损检测要求见表1。针对BOSS头预制焊缝，RCC-M规范的检测要求存在下述局限性。

(1) 预制焊缝采用“先焊接后成型”工艺，渗透检测合格的根部焊道在后续钻孔中被加工去除；如临近根部区域存在缺陷，阿迪王有可能在钻孔后变为最终焊缝的表面缺陷。

(2) 钻孔后内径太小，内表面无法进行渗透检测。

(3) 渗透检测能发现被检表面区域的缺陷，但根部焊道与焊接表面之间的焊缝金属缺乏有效的检测手段，不利于焊接质量的监督与控制。

表1 RCC-M规范对BOSS头焊缝的无损检测要求

3 BOSS头焊缝无损检测要求的改进分析

3.1 射线检测要求

3.1.1 标准规范要求

(1) RCC-M规范

RCC-M MC 3312.5《射线检验胶片和射线源的相对位置》中规定，在对安放式接管焊缝进行射线检测时，胶片应放在支管内且紧贴被检管壁，射线源应放在管外侧焊缝坡口的轴线上，偏差在0°～10°以内，其检测透照示意如图2所示。

图2 安放式接管焊缝射线检测透照示意

通常情况下，内径不大于60 mm的安放式接管焊缝被认为难以用射线方法进行检测，RCC-M规范也不强制要求对此类尺寸的接管焊缝进行射线检测[1]。BOSS头焊缝的内径在9.5～43 mm的范围内，实际检验中无法将胶片放置于接管内侧，因此无法按照RCC-M规范的标准要求进行射线检测(片在内,源在外)。

(2) 其他标准

根据GB/T 3323《金属熔化焊焊接接头射线照相》、EN1435Non-destructiveTestingofWelds-RadiographicTestingofWeldedJoints标准，安放式接管的射线检测可采用单壁外透法(见图3)、单壁中心内透法(见图4)、单壁偏心内透法(见图5)进行透照。

图3 安放式管座焊缝单壁外透法示意

图4 安放式管座焊缝单壁中心内透法示意

图5 安放式管座焊缝单壁偏心内透法示意

当进行A级、B级检测时，应符合

A级f/d≥7.5b2/3

(1)

B级f/d≥15b2/3

(2)

式中：b为射线源侧工件表面与胶片的距离，当b<1.2t时，可用公称厚度t代替;f为射线源与工件表面的距离;d为射线源尺寸。

特殊情况下，射线源置于被检工件内部透照时，射线源与工件的最小距离fmin允许减小，但减小值不应超过20%;射线源置于被检工件内部中心透照时，在满足像质计要求的前提下，射线源与工件的最小距离fmin允许减小，但减小值不应超过50%[1-2]。

BOSS头焊缝的内径在9.5～43 mm内，实际检验中无法将胶片放置于接管内侧，因此无法按照GB/T 3323、EN 1435标准的要求进行单壁外透法射线检测。

以公称尺寸为25.4 mm的7P型BOSS头焊缝为例，其外径为65 mm,内径为9.5 mm，壁厚为27.75 mm。假设采用φ2 mm的Ir192射线源进行单壁中心内透法进行检测,A级检测时，fmin≥78.5 mm(假设b=1.2t)，由于接管内径太小，焦距无法满足要求，也无法按照GB/T 3323、EN 1435标准的要求进行单壁偏心内透法或单壁中心内透法射线检测。

3.1.2 其他实践经验

预制厂和现场采用一种非标准射线检测作为辅助检查手段，射线胶片与放射源均放于支管外侧，胶片与焊缝存在较大间隙。非标射线检测透照方法示意如图6所示。

图6 非标射线检测透照方法示意

非标射线检测工艺所拍摄的底片能够在一定程度上发现焊缝内部的缺陷，但也存在较多局限性。

(1) 底片黑度差异变化大

BOSS头厚度梯度变化大，底片接收的射线能量极不均匀，射线底片上不同区域的黑度相差大，缺陷难以识别。

(2) 几何不清晰度变化大

底片上不同区域的几何不清晰度相差大，可满足评定的区域很小。

(3) 无法实现100%检查

受BOSS焊缝结构影响，只能将射线源和胶片放置于管道两侧进行透照，无法进行管道轴向方向的透照。

(4) 缺乏验收标准

由于射线胶片与放射源均放于支管外侧，且胶片与焊缝存在较大间隙，射线底片上缺陷显示尺寸比实际缺陷尺寸更大，国内外均没有此类透照方式的对应验收标准。

3.2 超声检测要求

超声检测对未焊透、未熔合和裂纹等面积型缺陷比较敏感，检测灵敏度也较高，工作效率高。但由于管座角焊缝的结构复杂，超声检测时受到管座曲率、壁厚和马鞍状焊缝形式等因素的影响，以及检测位置的局限，缺陷信号的识别难度大，缺陷的定位困难。常规超声检测管座角焊缝的技术难点如下所述[3-4]。

(1) 缺陷信号的识别难度大。支管曲率大，在支管面检测时易出现表面波干扰，主管内孔壁产生反射波干扰，即局部特定位置的变形波干扰，从而干扰波出现在示波屏上的位置与缺陷波出现的位置易混淆。

(2) 缺陷定位困难,超声波入射方向随入射点曲率的变化而变化，使用二次波检测时反射面的曲率点各不相同，反射波的方向也随反射点曲率的变化而变化，故缺陷定位受到很大影响。

(3) 探头移动的距离一般较短，无法对焊缝整个截面实现100%检测，容易导致焊缝中部分区域漏检。

此外，BOSS头母材为奥氏体不锈钢，奥氏体焊缝粗大的柱状晶粒组织和焊缝结构的各向异性对超声波有强烈的散射衰减和扭曲作用，常规的超声探头穿透力不足，检测困难。

相控阵超声检测技术具有波束方向和焦距自由变换，检测结果易于成像，检测可达性和适用性好等优点，能有效检测对接接头及接管座角接接头，该技术能提高超声检测的精确性、重现性及检测结果的可靠性，实现检测结果多维显示。研究结果表明，相控阵超声检测技术对管座角焊缝展现了其优越性，相控阵检测的缺陷检出率和检测可靠性均优于常规超声波检测，可以较好地发现管座角焊缝的内部缺陷[3-5]。为了验证BOSS头焊缝相控阵超声检测效果，国内某检测单位制作了部分BOSS头焊缝模拟试块进行试验，以图1所示的BOSS头焊缝结构类型为例，分别将探头置于BOSS头的直段和斜坡区域进行扫查，自聚焦探头和柔性探头能够较好地贴合在工件上，声束可对焊缝内部1/3区域实现全扫查覆盖，且模拟试块上的参考缺陷均能检测出，扫查示意和扫查结果见图7，8。但由于目前暂缺乏适用的缺陷验收标准，该方法只能用于缺陷的定位，以便准确找到缺陷位置从而进行返修。如需作为缺陷的检测和验收手段，则还需进一步研究出合理的检测验收标准。

图7 BOSS头焊缝直段区域相控阵超声检测结果

3.3 渗透检测要求

目前，对于无法或难以进行体积检测的全焊透角焊缝，比较常用的替代方式为“增加焊接过程中的渗透检测”，此种替代方式在核承压设备的角焊缝或支管连接焊缝中应用比较多，是一种成熟可靠的方式。

核1级BOSS头焊缝采用“先焊接后钻孔”成型工艺，焊缝厚度较大，一般用氩弧焊+手工电弧焊的方式进行作业。根据现场反馈，全氩焊层数至少4层。以7P型BOSS头焊缝为例，通过计算可知，焊后内部钻孔切除量约为2～5 mm。根据常规焊接厚度计算可知，根部约有1～2层氩弧层被钻掉。受接管内径尺寸影响，钻孔后无法对焊缝内表面进行渗透检测，为确保最终产品焊缝的根部质量，可对前3层逐层进行渗透检测，即使后续钻孔将前2层焊层切除，剩余的根部焊层仍能通过第3层的渗透检测来确保钻孔后的焊缝内表面质量状况。

根据泄漏BOSS头焊缝的解剖分析，发生泄漏的关键原因为焊接产生的坡口未熔合缺陷，该缺陷几乎贯穿于焊缝壁厚。BOSS头焊缝的厚度较厚(焊接厚度多为20 mm以上)，一般需焊接十余层，焊接过程中进行渗透检测(通常为每三层进行一次渗透检测)，可以及时发现焊接过程中的缺陷，避免形成尺寸较大的、贯穿焊缝的缺陷。

综上所述，对于核1级BOSS头预制焊缝，可增加焊接过程中的渗透检验，即焊接过程中对前3层逐层渗透检验、后续每3层进行渗透检验以及完工焊缝渗透检验。

4 结语

采用合适的检测方法是BOSS头焊缝质量的重要保证。所采用的检测方法应当能够有效检测出焊缝中所存在的危险性缺陷，确保焊缝焊接质量，也应当避免对焊缝过度检测而导致不必要的返修。

在当前检验技术条件下，可增加BOSS头预制焊缝焊接过程中的渗透检验来加强焊缝质量检查与控制。同时，应进一步研究BOSS头焊缝的体积检验方法和验收准则，如相控阵超声检验，以便实现焊缝内部缺陷的有效检测和评定。

[1] GB/T 3323-2005 金属熔化焊焊接接头射线照相[S].

[2] EN 1435-1997 Non-destructive testing of welds - Radiographic testing of welded joints[S].

[3] 牟彦春，金南辉，葛翔. 电站锅炉接管座角焊缝超声相控阵检测技术[J]. 无损检测，2011，33(1)：75-78.

[4] 林彤. 电站锅炉管座角焊缝相控阵超声检测应用[J]. 质量技术监督研究，2016，47(5)：1-6.

[5] 邓江敏. 电站锅炉T型接管角接接头相控阵检测技术研究[D].南昌:南昌航空大学，2012.