管道焊缝相控阵超声周向检测的根部异常信号识别

王俊龙,杨建龙,李 龙,徐 喆,刘伟达

(核工业工程研究设计有限公司，北京 101300)

高铬合金钢材料一般用于核电工程中的主蒸汽管道和主给水管道，其管径大于300 mm ，壁厚大于30 mm，焊接工艺和热处理工艺参数要求严格，加工射线塞和后续焊堵射线塞时存在很大的技术风险，由于未设计供中心曝光用的射线检验塞，射线检测无法实现中心透照。采用双壁单影透照方式时，由于工件透照厚度大，底片上缺陷影像的对比度降低，危害性面积缺陷检出率较低[1]。另外，双壁透照所需专用时间窗口长，严重影响施工进度。因此，采用相控阵超声检测技术[2-4]能够有效解决此类高铬合金钢主蒸汽和主给水管道焊缝射线检测效率低、面积型缺陷检出率低和辐射风险等方面的问题。笔者在相控阵超声检测过程中发现，对管道进行周向检测时，容易出现类似横向缺陷显示的异常信号。该类信号难以直接依据标准来判废，因此，文章分别利用公式计算法、画图法、模拟试块法、轴向扫查法和拍片法对其进行验证识别。

1 根部异常信号特征

文章选用5L32-0.5-10型相控阵探头搭配16N55S型55°斜楔块进行周向扫查。焊缝外余高要求打磨至与邻近母材齐平，即外余高为0 mm。扫查方式为纵向平行扫查(见图1)，扫查时探头沿焊缝长度方向移动，探头入射声束方向与移动方向平行。采用周向扫查方式对管径大于300 mm，壁厚大于30 mm的高铬合金钢主蒸汽和主给水管道焊缝的38个焊口进行检测，发现其中有1个焊口(该焊口直径×壁厚为406 mm×40.49 mm)存在类似横向缺陷的超标信号显示。该超标信号显示深度在一倍板厚到两倍板厚之间。最高波幅的角度线为46°，深度显示为51.72 mm，水平距离显示为33.66 mm，声程显示为74.45 mm，该超标信号显示如图2所示。

图1 纵向平行扫查方式示意

图2 超标信号显示(A、S和C扫)

2 异常信号分析与识别

采用相控阵超声横波探头检测该管道焊缝，沿轴向检测时，缺陷定位与平面相同；沿周向检测时，缺陷定位与平面存在较大差异。周向检测时，仪器显示的信号位置深度和水平距离由于曲面原因，无法直接读取，需根据真实声程和角度换算得出信号显示的真实位置深度和水平距离，以此来评判其是焊接缺陷还是结构回波。笔者将通过以下几种方法分别进行验证和判定。

2.1 公式计算法验证

依据超标信号仪器显示数据可知，其主声束的角度为46°，换算成K值(折射角的正切值)为1.04，管道半径R为203 mm，仪器显示的深度(d)为51.72 mm、水平距离(弧长L)为33.66 mm，入射点至信号的声程为74.45 mm，可依据式(1)、(2)计算该信号在工件内的实际深度H和实际水平距离L，即

(1)

(2)

计算可得该超标信号显示的真实深度H为42.44 mm，实际弧长L为69.40 mm。已知管道公称厚度为40.49 mm，因此可以判断该超标显示为根部余高过高的反射信号。该缺陷不是设计预埋缺陷，因此无法确定其实际弧长位置，只能通过上述计算验证或依据声程采用勾股定理计算得到。上述验证同样证实了仪器显示的深度要大于信号的真实深度，仪器显示的水平距离要小于信号的真实水平距离。

2.2 画图法验证

所检工件尺寸为406 mm×40.49 mm(直径×壁厚)，质量级别为3级，依据标准RCC-M-2007 《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》 要求3级焊缝根部余高最大不超过3 mm，因为该焊缝目视检验合格，所以该焊缝的整体余高(根部正常余高+过高部分)在3 mm以内，否则依据RCC-M-2007目视检测验收准则，该焊缝质量不合格而需要返修。焊缝CAD模型如图3所示，已知声程为74.45 mm，主声束角度为46°，通过CAD作图可得信号真实深度42.52 mm，仪器显示信号深度51.72 mm，信号的真实弧长距离69.07 mm。通过比对发现画图法得到的信号真实深度和信号的真实弧长数值与计算法得到的数值基本一致，画图所得的仪器显示的信号深度值也与仪器读数相吻合，证实该超标信号的显示是根部余高过高产生的，计算可得该超标信号根部余高的厚度为2.03 mm(公称厚度为40.49 mm)，未超过RCC-M-2007目视检验验收标准要求，则该超标信号判定为合格。

图3 焊缝CAD模型

2.3 模拟试块验证

针对高铬合金钢厚壁管道对接焊缝，采用相同焊接工艺，制作了一批直径×壁厚为406 mm×40.49 mm的自然缺陷模拟试块，模拟试块中包含根部余高过高的模拟缺陷，模拟试块结构如图4所示，采用相同的相控阵检测工艺对模拟试块进行周向检测，根部余高过高缺陷的相控阵检测图谱如图5所示。分析图谱可得，根部余高过高信号仪器显示深度为51.88 mm，声程为73.37 mm，水平距离为31.78 mm，最高幅值位置的角度线为45°(即K值为1)，通过式(1)，(2)计算可得缺陷实际深度为43.22 mm，水平距离为69.69 mm。由此可得，周向检测中发现的此类异常信号是根部余高过高引起，超声检测验收标准未对根部余高过高有要求，而RCC-M-2007目视检验验收标准要求3级焊缝根部余高最大不超过3 mm，根据计算，该模拟试块根部余高过高部分厚度为2.73 mm，未超过标准要求，因此，该模拟试块上的根部余高过高满足标准要求。

图4 模拟试块结构示意

图5 根部余高过高缺陷的相控阵检测图谱

2.4 轴向检测验证

相比于周向检测，轴向检测不需要修正信号的深度和水平距离，通常情况下根部余高过高的反射波深度大于一倍板厚Tmm，小于T+Xmm。需注意X一般为1～3 mm，要依据根部余高过高部分的厚度来确定。另外，当X的值超过标准要求时，目视检验阶段已判废，无需超声检测。针对周向检测中发现的异常信号，在轴向检测图谱(见图6)中亦发现此显示，其水平距离为80.50 mm，深度为42.91 mm，轴向扫查中心距为79 mm(探头前沿至焊缝中心的距离)，该异常信号最高波位于焊缝中心线的对侧(偏离焊缝中心线1.5 mm);探头位置改变到另一侧扫查，分析图谱发现异常信号也是位于焊缝中心对侧。从而验证该异常信号是焊缝余高过高引起的反射回波信号，且根部余高过高部分厚度为2.42 mm，因此，该根部余高过高产生的超标信号不作为判废的依据。

图6 异常信号轴向扫查图谱

2.5 射线拍片验证

为确定该异常信号是否为根部余高过高造成的反射信号，还可以通过内窥镜观察该异常信号位置的根部成型情况，其内窥镜照片如图7所示，发现该位置的根部余高相对于周边余高过高，且有类似打磨的痕迹，经过与焊工交流得知，焊接时焊工发现根部余高过高并用砂轮机进行了修磨处理。对该焊口进行射线检测，采用内透偏心单壁透照工艺，发现该处焊缝余高明显高于周围余高。异常信号处射线检测底片如图8所示，证实该异常信号为焊缝根部余高过高引起，依据RCC-M-2007射线验收标准判定该显示为合格。

图7 异常信号处内窥镜照片

图8 异常信号处射线检测底片

3 结语

对于外表面余高磨平的高铬合金钢厚壁管道对接焊缝，当采用相控阵周向检测，扫查方式为纵向平行扫查时，如发现超标信号显示正好在1～2倍板厚之间，不能按照轴向检测缺陷定位方式去理解、分析和判定，而须考虑曲面对信号深度和水平距离的修正，才能准确确定该信号的真实深度和水平距离。由于相关超声检测标准未对根部余高过高作要求，所以笔者通过公式计算法、画图法、模拟试块法、轴向扫查法和拍片法来辅助评定，并采用RCC-M-2007目视标准来验收，判定文章中的异常信号显示是合格的，避免了误判情况的发生。