楊建龍，祁永剛，嚴(yán) 宇，王金柱

（1.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，嘉興 314300；2.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071000）

在核電站建設(shè)當(dāng)中，為確保反應(yīng)堆安全殼內(nèi)電氣設(shè)備的供電、控制、保護(hù)、核測(cè)量、照明、儀表、通訊等信號(hào)的傳輸，電纜要求貫穿特設(shè)的氣密性的安全殼，電氣貫穿件就是為實(shí)現(xiàn)此功能而在安全殼內(nèi)連接外電纜的裝置。在反應(yīng)堆正常運(yùn)行和事故條件下（包括地震和失水事故），電氣貫穿件可以維持安全殼壓力邊界的完整性和用電設(shè)備的電氣連續(xù)性，防止放射性物質(zhì)外泄。由于其特殊的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)合，不適合做射線(xiàn)檢測(cè)，只能用超聲波檢測(cè)其對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷，所以研究其對(duì)接焊縫的超聲波檢測(cè)方法顯得尤為重要。

核電站中用途較廣的電氣貫穿件規(guī)格為φ273mm×13mm，針對(duì)這一規(guī)格制作了3個(gè)帶自然缺陷的模擬試件，并依據(jù)核電站無(wú)損檢測(cè)常用標(biāo)準(zhǔn)RCC－M 《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》（2000版＋2002補(bǔ)遺），討論其超聲波檢測(cè)方法，采用不同的探頭對(duì)自然缺陷的試件進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比獲得的缺陷回波信號(hào)，為選擇最佳的探頭提供參考。檢測(cè)時(shí)，焊縫根部的反射回波復(fù)雜，給檢測(cè)工作帶來(lái)困難，因此討論焊縫根部反射特點(diǎn)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

1 電氣貫穿件對(duì)接焊縫的超聲波檢測(cè)

1.1 超聲波檢驗(yàn)儀器［2－3］

依據(jù)RCC－M 標(biāo)準(zhǔn)，要求檢驗(yàn)儀器配用標(biāo)稱(chēng)頻率為1～6MHz的探頭；在示波幅度至少為80%滿(mǎn)屏高范圍內(nèi)，垂直線(xiàn)性誤差不超波示波幅度的5%；在整個(gè)示波屏有效寬度內(nèi)的水平線(xiàn)性誤差不超過(guò)時(shí)間基準(zhǔn)的2%。CTS－2020超聲波探傷儀完全符合要求。

1.2 探頭

依據(jù)RCC－M 標(biāo)準(zhǔn)和模擬試件規(guī)格，選用的探頭參數(shù)如表1。

表1 超聲波探頭型號(hào)和參數(shù)

探頭的尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，但是晶片大小會(huì)影響聲壓大小，在橫波聲場(chǎng)中，由于波的干涉存在近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，當(dāng)x≥3N（N為近場(chǎng)長(zhǎng)度）時(shí)，橫波聲場(chǎng)波束軸線(xiàn)上的聲壓為：

式中：K為系數(shù)；FS為波源面積；λs2為第二介質(zhì)中的橫波波長(zhǎng)；x為軸線(xiàn)上某點(diǎn)至假想波源的距離；β為橫波折射角；α為縱波折射角。

根據(jù)公式（1）可知，橫波聲場(chǎng)中，當(dāng)x≥3N時(shí)，波束軸線(xiàn)上的聲壓與波源面積成正比，與至假想波源的距離成反比。從理論上尺寸大的晶片更容易檢測(cè)出缺陷，但是由于被檢件有曲率，所以要考慮晶片與工件的耦合面積，從這個(gè)角度說(shuō)小尺寸更符合要求，基于此矛盾，選擇了同一折射角不同晶片尺寸的探頭做了對(duì)比。探頭折射角不同則超聲波在工件中的傳播路徑不同，對(duì)同一缺陷測(cè)出的位置和當(dāng)量值也不同，所以選擇同一晶片尺寸不同折射角的探頭進(jìn)行對(duì)比。由于工件表面有余高，直探頭只做輔助檢測(cè)。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)試塊和對(duì)比試塊

選用CSK－ⅠA 標(biāo)準(zhǔn)試塊對(duì)超聲波儀器的水平線(xiàn)性和垂直線(xiàn)性進(jìn)行校核，并對(duì)橫波探頭的前沿測(cè)定和折射角校驗(yàn)。

根據(jù)RCC－M 的要求和工件參數(shù)制作對(duì)比試塊如圖1所示。

1.4 模擬件的制備

模擬件規(guī)格為φ273mm×13mm，焊縫寬度約為20mm，為了模擬真實(shí)工況，未打磨表面和根部余高，余高約為2mm，坡口形式為V 型，模擬件示意圖如圖2所示。

自然缺陷主要為：夾渣，未焊透，未熔合，裂紋等。試件全部經(jīng)過(guò)射線(xiàn)檢測(cè)，便于與超聲波檢測(cè)對(duì)比，預(yù)制缺陷結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試件內(nèi)部缺陷記錄1）

2 超聲波試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 超聲波檢測(cè)靈敏度

以圖1中的φ2mm 橫通孔為檢測(cè)靈敏度，制作DAC曲線(xiàn)，表面耦合補(bǔ)償2～4dB，掃查靈敏度為φ2mm＋6dB。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

對(duì)3個(gè)自然缺陷的模擬試件進(jìn)行超聲波盲測(cè)，即在不知道試件內(nèi)部缺陷的情況下進(jìn)行超聲波檢測(cè)，并記錄缺陷。對(duì)于部分射線(xiàn)檢測(cè)不出的缺陷而超聲波檢測(cè)出的缺陷數(shù)據(jù)也列于表內(nèi)，表3為晶片尺寸不同的探頭檢測(cè)數(shù)據(jù)，表4為折射角不同的探頭的檢測(cè)的數(shù)據(jù)。

表3 不同晶片尺寸探頭的超聲波檢測(cè)及射線(xiàn)檢測(cè)試件缺陷的結(jié)果2）

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與焊縫根部缺陷回波特點(diǎn)討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從表3中可以看出，不同晶片尺寸探頭在測(cè)定缺陷深度上大致相同，在測(cè)定缺陷長(zhǎng)度上部分差別較大，但是在缺陷回波波幅上，2.5P13×13K1探頭要明顯優(yōu)于2.5P10×10K1探頭，即此種規(guī)格的試件優(yōu)先選用晶片尺寸13mm×13mm 的探頭。

（2）從表4中可以看出，折射角不同的探頭在測(cè)定缺陷深度時(shí)有明顯差異，這是由超聲波波束在工件中傳輸路徑不同引起的，對(duì)不規(guī)則的缺陷，K1探頭可能由二次波從缺陷下部得到最強(qiáng)回波，而K2探頭則通過(guò)一次波從缺陷上部探出最高回波，示意圖如圖3所示。另外，K1探頭的靈敏度要高于K2探頭，對(duì)于部分缺陷K1探頭可以檢出，而K2探頭則較難檢出。

（3）超聲波檢測(cè)面積型缺陷很容易檢出，例如裂紋，未焊透等，對(duì)于氣孔等點(diǎn)狀缺陷較難檢出；而射線(xiàn)對(duì)于面積型缺陷不容易檢出，對(duì)氣孔，夾渣很容易檢出。

3.2 焊縫根部回波信號(hào)討論

對(duì)于此規(guī)格的對(duì)接環(huán)焊縫［4－5］超聲波檢驗(yàn)，采用的是單面雙側(cè)掃查，焊縫根部的反射波比較多而且復(fù)雜，例如產(chǎn)生未焊透、未熔合、裂紋、內(nèi)凹、錯(cuò)邊等缺陷回波，同時(shí)在掃查中也會(huì)遇到焊縫根部余高產(chǎn)生的幾何反射回波，給檢測(cè)帶來(lái)干擾。這些回波千變?nèi)f化，但是也呈現(xiàn)出一些特征，總結(jié)歸納這些特征為實(shí)際檢測(cè)提供參考。

3.2.1 未焊透

根部未焊透的超聲回波速度較快，波幅較高，這是由于焊縫根部有較規(guī)則的鈍邊。探測(cè)時(shí)有很強(qiáng)的端角反射回波，探頭前后移動(dòng)時(shí)，波形較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí)，波形消失較快。在焊縫兩側(cè)進(jìn)行探測(cè)，都會(huì)有波幅較高的反射波顯示，探頭沿著焊道方向移動(dòng)時(shí)，波幅變化不大?？梢圆捎萌鐖D所示的方法進(jìn)行輔助識(shí)別，焊縫兩側(cè)探測(cè)時(shí)水平距離定位落點(diǎn)有一定間距，約等于對(duì)口間隙，示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 超聲波檢測(cè)未焊透示意圖

3.2.2 未熔合

對(duì)于根部未熔合反射波探測(cè)時(shí)，在缺陷側(cè)有一個(gè)波幅較高的反射波，有時(shí)在非缺陷側(cè)反射波幅更明顯，但是隨著未熔合面與入射聲束角度的不同，有時(shí)反射波幅較小，甚至無(wú)反射信號(hào)，這是因?yàn)槿毕莸闹赶蛐?，聲束反射無(wú)法傳播到探頭；應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)厚分析，對(duì)缺陷進(jìn)行深度定位，根部未熔合多出現(xiàn)在水平的仰焊位置、垂直固定的上坡口位置、焊接接頭的根部位置。探測(cè)時(shí)注意用不同角度的探頭進(jìn)行探測(cè)，以防漏檢。

3.2.3 裂紋

裂紋最具危害性，探測(cè)時(shí)反射波強(qiáng)烈，有陡峭的前沿，因裂紋表面曲折，沒(méi)有光滑的界面，反射波底部較寬，且波峰常出現(xiàn)多峰現(xiàn)象。探頭平行移動(dòng)時(shí)，波峰此起彼伏，擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí)，波峰下降很快，波形沒(méi)有未焊透缺陷的波形穩(wěn)定，從焊口兩側(cè)探測(cè)時(shí)，波形有較好的相似性。波形特點(diǎn)：波形單一，波幅寬，反射波高度較大，呈鋸齒狀，有多峰，探頭移動(dòng)時(shí)，時(shí)起時(shí)伏，包絡(luò)面幅度變化較大。

3.2.4 內(nèi)凹

內(nèi)凹出現(xiàn)在水平固定焊口的仰焊或仰焊爬坡部位，內(nèi)凹是一個(gè)近似圓弧型的曲面，對(duì)于聲束入射的界面其是一個(gè)凸面，反射波是發(fā)散的，波幅較低，波形位置出現(xiàn)在根部一次波位置前一點(diǎn)，其反射波的深度顯示值一般略小于母材厚度，兩側(cè)探測(cè)時(shí)，水平距離定位點(diǎn)不交叉，其包絡(luò)波形較圓滑。

3.2.5 錯(cuò)邊

焊接時(shí)焊偏等因素會(huì)造成焊縫的錯(cuò)位。錯(cuò)邊的反射波幅較高，焊縫兩側(cè)的反射波幅有明顯的不同，很可能出現(xiàn)一側(cè)有較強(qiáng)反射波而另一側(cè)沒(méi)有反射波?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)厚加以輔助判斷。由于錯(cuò)邊凸凹的不確定性，反射波的波峰上有小峰，探頭左右移動(dòng)時(shí)波幅的高度變化不大。包絡(luò)波形范圍較寬，波形比較單一，變化不復(fù)雜。

3.2.6 幾何反射回波

焊縫根部余高產(chǎn)生較多干擾信號(hào)，波幅較高且不容易與根部缺陷信號(hào)區(qū)分，其產(chǎn)生原因可能是由聲束傳播在根部余高內(nèi)匯聚后返回至探頭，基于此種分析，可采用圖5的方法來(lái)區(qū)分根部余高反射回波?；夭ㄐ盘?hào)顯示深度約為焊縫壁厚T的情況下，觀察兩側(cè)水平距離定位點(diǎn)，如果兩個(gè)標(biāo)記有交叉部分，則可判定為余高回波。但是本方法在使用中也有局限性，例如遇到根部焊瘤的情況時(shí)，兩個(gè)定位點(diǎn)也可能交叉，此時(shí)應(yīng)慎重對(duì)待，觀察波形和聲程等進(jìn)行綜合判斷。采用缺陷波形識(shí)別與分析方法，可以比較準(zhǔn)確地判斷根部的缺陷類(lèi)型，達(dá)到定性目的。但是，焊縫根部出現(xiàn)的反射波很多，單憑缺陷波的某些特征來(lái)判定其性質(zhì)是比較片面的，還必須在探測(cè)前了解焊接接頭坡口形式、焊接工藝、熱處理狀態(tài)，加以綜合分析判定。

圖5 超聲波檢測(cè)焊縫根部余高示意圖

4 結(jié)論

（1）對(duì)于此種電氣貫穿件，超聲波檢測(cè)可以替代射線(xiàn)檢測(cè)。

（2）不同規(guī)格的試件檢測(cè)，要求在儀器，試塊，探頭方面進(jìn)行全面篩選，并找出最佳組合，試驗(yàn)中選用T2，T3，L1探頭組合更為合理。

（3）對(duì)焊縫根部缺陷回波信號(hào)進(jìn)行分析，總結(jié)了不同缺陷類(lèi)型的回波波形特征，嘗試找出判定缺陷的方法。在核工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中，超聲波檢測(cè)起著舉足輕重的作用，深入閱讀標(biāo)準(zhǔn)和大量模擬練習(xí)、尋找最優(yōu)化的檢測(cè)工藝是提高檢測(cè)技術(shù)的有效途徑。

［1］ 陳志強(qiáng)，李小亭，張萬(wàn)嶺.焊縫根部缺陷的綜合檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2010，32（4）：286－288.

［2］ RCC－M（2000版＋2002補(bǔ)遺） 壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則［S］.

［3］ 鄭暉，林樹(shù)青.超聲檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：65－66.

［4］ 曹剛，朱思民.焊縫超聲波檢測(cè)回波信號(hào)分析［J］.無(wú)損檢測(cè)，2004，26（10）：533－536.

［5］ 張文科.超聲波探傷中缺陷波和偽缺陷波的判別［J］.無(wú)損檢測(cè)，2005，27（1）：47－54.