核电站BOSS焊缝的相控阵超声检测

金士杰，李 潇，苏嘉凯，严 宇，张晓峰，杨会敏，林 莉

(1.大连理工大学无损检测研究所，大连 116085；2.核工业工程研究设计有限公司，北京 101300)

BOSS焊缝是用于核电站中核辅助系统主管和支管连接的管座焊缝，在功能上既是承压焊缝也是密封焊缝，是核一级压力容器的边界[1-2]，一旦发生泄漏，将对系统的安全稳定运行造成巨大影响。因此，选择合适的无损检测方法，对其进行缺陷识别和定量检测十分必要。

目前，一般采取渗透和射线方法检测BOSS焊缝缺陷。通常对焊接过程中的根部焊道和完工焊缝表面进行渗透检测，但该方法只能检测表面缺陷，无法覆盖焊缝内部区域。射线检测的缺陷检出率相对较高，如孙彪等[3]对核电站冷凝罐中69个BOSS焊缝进行射线检测抽查，发现5处层间未熔合、2处气孔和3处根部未焊透。然而，BOSS焊缝射线检测时底片布置困难，检出缺陷畸变严重，且面积型缺陷检测能力相对较弱，难以进行缺陷深度定位。与之相比，超声检测具有速度快、成本低、灵敏度高等优势，得到了广泛应用。BOSS焊缝几何结构复杂，导致常规超声检测时信号识别困难，制约了缺陷检出率[4-6]，而相控阵超声检测(PAUT)技术可灵活控制阵元延迟时间以实现声束偏转和聚焦，提高了缺陷检测能力[7-8]，为BOSS焊缝的检测提供了可能。唐亮等[9]针对核电站典型不锈钢BOSS焊缝，利用CIA仿真软件建立模型并进行PAUT检测，实现了未熔合、裂纹和气孔等不同类型缺陷的有效识别，且缺陷检出率高于射线检测。杨建帮等[10]将PAUT探头布置在BOSS焊缝支管上，有效检出了高度为3 mm的内壁槽和φ2 mm横孔缺陷。

文章以SKETCH14规格BOSS焊缝为例，根据其结构特征进行相控阵超声探头选择和检测方案设计；然后选取适配的探头和楔块，实现待检测区域的声束覆盖；最后，在BOSS焊缝试块中加工不同位置和深度的面积型和体积型缺陷，进行定量检测和试验验证。

1 BOSS焊缝检测方案

PAUT主要基于亥姆霍兹声压积分定理和惠更斯原理[11]，利用阵列排布的相控阵超声探头实施检测。探头各阵元等间隔线性排列，具有独立的发射与接收电路，通过控制发射时间可实现激励声束的偏转和聚焦。使用扇形扫描时，PAUT的多角度扫查可以减少探头的移动[12]，提高检测灵敏度并改变声束覆盖范围[13]，大大缩小检测盲区。在此基础上，配合斜楔块及多种模式波可实现更大范围内的缺陷检测。

文章以核电站SKETCH14规格BOSS焊缝为例开展PAUT检测研究，焊缝结构如图1所示，其主管壁厚度为17.0 mm，外径为166.5 mm；支管壁厚为33.5 mm，外径为84.0 mm。待检测范围包括焊缝上下熔合线之间区域及热影响区，其材料为奥氏体不锈钢，晶粒相对粗大且具有弹性各向异性，声传播时存在散射和衰减[14]，检测时应选用相对低频(如中心频率为2.25 MHz)的相控阵超声探头进行整体检测。现有研究多将探头置于焊缝或支管上[10]，但仅使用一种检测方式不利于焊缝区域的声能全覆盖，会造成部分缺陷漏检。为解决上述问题，笔者将探头布置在主管上，采用二次波对焊缝下熔合线及附近区域进行检测。同时，将探头布置在BOSS焊缝正上方，采用直入射方式检测焊缝上熔合线及附近区域。此外，考虑到低频探头的近表面盲区范围相对较大，会造成焊缝近表面区域缺陷的漏检，需配合高频(如中心频率为7.5 MHz)探头，通过斜入射检测焊缝上熔合线近表面区域。为提高检测分辨力和灵敏度，斜入射检测时采用横波楔块，直入射检测采用0°纵波楔块。

图1 SKETCH14规格BOSS焊缝结构示意

根据以上分析，试验中选用OLYMPUS 2.25L32-A11型(中心频率为2.25 MHz，32阵元)和7.5L16-A15型(中心频率为7.5 MHz，16阵元)相控阵探头进行PAUT检测，具体检测方案如表1所示。参考标准NB/T47013.15-2021《承压设备无损检测 第15部分：相控阵超声检测》，将主声束±20°偏转范围作为有效覆盖范围，BOSS焊缝不同位置的PAUT检测声束覆盖如图2所示，可见该方法可实现BOSS焊缝及热影响区的全覆盖检测。

表1 BOSS焊缝检测方案

图2 BOSS焊缝不同位置的PAUT检测声束覆盖示意

2 检测试验

图3 BOSS焊缝试块实物

在SKETCH14规格BOSS焊缝试块中加工缺陷，并进行PAUT检测。考虑到BOSS焊缝主管和支管的连接特点，可按不同轴面剖分为腹部试块和肩部试块，BOSS焊缝试块实物如图3所示。实际加工2个腹部试块和2个肩部试块，并沿其上、下熔合线设计不同位置和深度的φ2 mm横通孔和高度为3 mm的内壁槽，以模拟体积型和面积型缺陷。每个试块中加工2个横通孔和1个内壁槽，共计12个模拟缺陷，具体参数如表2所示。

表2 BOSS焊缝试块模拟缺陷参数

根据表1所示的BOSS焊缝PAUT检测方案，采用Omniscan X3型设备进行信号采集和扇形扫查成像。其中，下熔合线及附近区域使用二次横波斜入射进行检测；上熔合线及附近较深处区域使用纵波直入射进行检测；上熔合线及附近浅层区域使用横波斜入射进行检测。BOSS焊缝部分典型缺陷的PAUT扇形扫查图像如图4所示。

图4 BOSS焊缝部分典型缺陷的PAUT扇形扫查图像

PAUT扇形扫查图像的信噪比主要受材料和缺陷两方面因素影响。一方面，待检BOSS焊缝材料为奥氏体不锈钢，粗大的晶粒会引起较明显的结构噪声；另一方面，随着缺陷深度增加，超声声束传播距离变大，衰减会导致缺陷回波幅值下降。SKETCH14规格BOSS焊缝不同缺陷的检测信号信噪比如图5所示，依据缺陷深度和类型对12个缺陷进行重新排序，则信噪比整体上随缺陷深度增加而逐渐下降。其中，上熔合线及附近区域缺陷采用一次波检测，信噪比为15.3～25.0 dB。例如，缺陷1、缺陷10和缺陷6的深度分别为4.9,15.6,34.2 mm，对应检测信噪比分别为25.0,17.8,15.8 dB。下熔合线及附近区域缺陷采用二次波检测，声程相对较长，信噪比有所降低，约为12.9～14.0 dB。

图5 BOSS焊缝不同缺陷的检测信号信噪比

基于PAUT扇形扫查图像，选择缺陷所在角度线上的A扫描信号，识别缺陷回波并读取最高波峰位置，进行缺陷深度定量。SKETCH14规格BOSS焊缝不同缺陷的检测相对误差如图6所示，可见8个横通孔与4个内壁槽的深度定量误差均不超过6.9%，反映了制定的PAUT检测方案的有效性。

图6 BOSS焊缝不同缺陷的检测相对误差

缺陷深度定量误差主要与待测缺陷类型和BOSS结构曲率有关，并受焊缝表面状态等因素影响。首先，内壁槽为面积型缺陷，检测时利用探头到槽端点的直达波或二次波实施缺陷定量。与之相比，横通孔是具有弧形面的体积型缺陷，会使得入射波沿孔表面发生绕射后到达缺陷下端点。此时，实际声束传播距离略大于探头至横通孔端点的直线距离，使得缺陷定量误差增加。如图6所示，横通孔定量误差整体略高于槽的定量误差。如缺陷1与缺陷2(孔)的定量误差分别约为4.1%和6.0%，而缺陷3(槽)的定量误差约为1.9%。

其次，对BOSS焊缝肩部试块进行检测时，探头主动轴方向与主管母线在同一平面内，结构对声束传播与聚焦法则的影响较小，声能聚焦效果相对较好。相比之下，对腹部试块进行检测时，探头主动轴方向与主管母线正交，入射波与二次波受主管内外壁弯曲弧面影响，传播声程改变且聚焦效果减弱，对缺陷深度定量产生影响。如图6所示，对于深度相近的同类型缺陷，腹部试块中缺陷的深度定量误差整体上略高于肩部试块中缺陷。如缺陷1(肩部试块中)和缺陷7(腹部试块中)的深度分别为4.9 mm与5.0 mm，深度定量误差分别约为4.1%和6.0%。

需要指出的是，PAUT检测图像中仍然存在伪像干扰，这是因为，BOSS焊缝的晶粒散射会产生结构噪声，以及焊缝形状不规则导致，内部端角处发生波型转换。实际检测时有必要结合待测工件的结构特征加以区分。最后值得注意的是，BOSS焊缝表面均为曲面且形状不规则，使用商售硬质楔块时的耦合效果一致性难以保证，后续研究中可考虑采用柔性耦合方式，优化BOSS焊缝的PAUT检测方案，以改善成像效果，进一步提升PAUT检测定量精度。

3 结语

以SKETCH14规格BOSS焊缝为例，开展了PAUT检测研究。结合BOSS焊缝材料和结构特征设计检测方案，通过选择2种PAUT探头和3种楔块，实现了待检测区域的声场覆盖。在BOSS焊缝试块内部，沿上、下熔合线加工不同位置和深度的12个缺陷(包含8个横通孔和4个内壁槽)，并进行PAUT检测试验。试验结果表明，所有缺陷均能有效检出，信噪比范围为12.9～25.0 dB，且缺陷深度定量误差均不超过6.9%。