王俊龍,楊建龍,李 龍,徐 喆,劉偉達(dá)

(核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300)

高鉻合金鋼材料一般用于核電工程中的主蒸汽管道和主給水管道，其管徑大于300 mm ，壁厚大于30 mm，焊接工藝和熱處理工藝參數(shù)要求嚴(yán)格，加工射線塞和后續(xù)焊堵射線塞時(shí)存在很大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，由于未設(shè)計(jì)供中心曝光用的射線檢驗(yàn)塞，射線檢測無法實(shí)現(xiàn)中心透照。采用雙壁單影透照方式時(shí)，由于工件透照厚度大，底片上缺陷影像的對(duì)比度降低，危害性面積缺陷檢出率較低[1]。另外，雙壁透照所需專用時(shí)間窗口長，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。因此，采用相控陣超聲檢測技術(shù)[2-4]能夠有效解決此類高鉻合金鋼主蒸汽和主給水管道焊縫射線檢測效率低、面積型缺陷檢出率低和輻射風(fēng)險(xiǎn)等方面的問題。筆者在相控陣超聲檢測過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)管道進(jìn)行周向檢測時(shí)，容易出現(xiàn)類似橫向缺陷顯示的異常信號(hào)。該類信號(hào)難以直接依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來判廢，因此，文章分別利用公式計(jì)算法、畫圖法、模擬試塊法、軸向掃查法和拍片法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證識(shí)別。

1 根部異常信號(hào)特征

文章選用5L32-0.5-10型相控陣探頭搭配16N55S型55°斜楔塊進(jìn)行周向掃查。焊縫外余高要求打磨至與鄰近母材齊平，即外余高為0 mm。掃查方式為縱向平行掃查(見圖1)，掃查時(shí)探頭沿焊縫長度方向移動(dòng)，探頭入射聲束方向與移動(dòng)方向平行。采用周向掃查方式對(duì)管徑大于300 mm，壁厚大于30 mm的高鉻合金鋼主蒸汽和主給水管道焊縫的38個(gè)焊口進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其中有1個(gè)焊口(該焊口直徑×壁厚為406 mm×40.49 mm)存在類似橫向缺陷的超標(biāo)信號(hào)顯示。該超標(biāo)信號(hào)顯示深度在一倍板厚到兩倍板厚之間。最高波幅的角度線為46°，深度顯示為51.72 mm，水平距離顯示為33.66 mm，聲程顯示為74.45 mm，該超標(biāo)信號(hào)顯示如圖2所示。

圖1 縱向平行掃查方式示意

圖2 超標(biāo)信號(hào)顯示(A、S和C掃)

2 異常信號(hào)分析與識(shí)別

采用相控陣超聲橫波探頭檢測該管道焊縫，沿軸向檢測時(shí)，缺陷定位與平面相同；沿周向檢測時(shí)，缺陷定位與平面存在較大差異。周向檢測時(shí)，儀器顯示的信號(hào)位置深度和水平距離由于曲面原因，無法直接讀取，需根據(jù)真實(shí)聲程和角度換算得出信號(hào)顯示的真實(shí)位置深度和水平距離，以此來評(píng)判其是焊接缺陷還是結(jié)構(gòu)回波。筆者將通過以下幾種方法分別進(jìn)行驗(yàn)證和判定。

2.1 公式計(jì)算法驗(yàn)證

依據(jù)超標(biāo)信號(hào)儀器顯示數(shù)據(jù)可知，其主聲束的角度為46°，換算成K值(折射角的正切值)為1.04，管道半徑R為203 mm，儀器顯示的深度(d)為51.72 mm、水平距離(弧長L)為33.66 mm，入射點(diǎn)至信號(hào)的聲程為74.45 mm，可依據(jù)式(1)、(2)計(jì)算該信號(hào)在工件內(nèi)的實(shí)際深度H和實(shí)際水平距離L，即

(1)

(2)

計(jì)算可得該超標(biāo)信號(hào)顯示的真實(shí)深度H為42.44 mm，實(shí)際弧長L為69.40 mm。已知管道公稱厚度為40.49 mm，因此可以判斷該超標(biāo)顯示為根部余高過高的反射信號(hào)。該缺陷不是設(shè)計(jì)預(yù)埋缺陷，因此無法確定其實(shí)際弧長位置，只能通過上述計(jì)算驗(yàn)證或依據(jù)聲程采用勾股定理計(jì)算得到。上述驗(yàn)證同樣證實(shí)了儀器顯示的深度要大于信號(hào)的真實(shí)深度，儀器顯示的水平距離要小于信號(hào)的真實(shí)水平距離。

2.2 畫圖法驗(yàn)證

所檢工件尺寸為406 mm×40.49 mm(直徑×壁厚)，質(zhì)量級(jí)別為3級(jí)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)RCC-M-2007 《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》 要求3級(jí)焊縫根部余高最大不超過3 mm，因?yàn)樵摵缚p目視檢驗(yàn)合格，所以該焊縫的整體余高(根部正常余高+過高部分)在3 mm以內(nèi)，否則依據(jù)RCC-M-2007目視檢測驗(yàn)收準(zhǔn)則，該焊縫質(zhì)量不合格而需要返修。焊縫CAD模型如圖3所示，已知聲程為74.45 mm，主聲束角度為46°，通過CAD作圖可得信號(hào)真實(shí)深度42.52 mm，儀器顯示信號(hào)深度51.72 mm，信號(hào)的真實(shí)弧長距離69.07 mm。通過比對(duì)發(fā)現(xiàn)畫圖法得到的信號(hào)真實(shí)深度和信號(hào)的真實(shí)弧長數(shù)值與計(jì)算法得到的數(shù)值基本一致，畫圖所得的儀器顯示的信號(hào)深度值也與儀器讀數(shù)相吻合，證實(shí)該超標(biāo)信號(hào)的顯示是根部余高過高產(chǎn)生的，計(jì)算可得該超標(biāo)信號(hào)根部余高的厚度為2.03 mm(公稱厚度為40.49 mm)，未超過RCC-M-2007目視檢驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，則該超標(biāo)信號(hào)判定為合格。

圖3 焊縫CAD模型

2.3 模擬試塊驗(yàn)證

針對(duì)高鉻合金鋼厚壁管道對(duì)接焊縫，采用相同焊接工藝，制作了一批直徑×壁厚為406 mm×40.49 mm的自然缺陷模擬試塊，模擬試塊中包含根部余高過高的模擬缺陷，模擬試塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用相同的相控陣檢測工藝對(duì)模擬試塊進(jìn)行周向檢測，根部余高過高缺陷的相控陣檢測圖譜如圖5所示。分析圖譜可得，根部余高過高信號(hào)儀器顯示深度為51.88 mm，聲程為73.37 mm，水平距離為31.78 mm，最高幅值位置的角度線為45°(即K值為1)，通過式(1)，(2)計(jì)算可得缺陷實(shí)際深度為43.22 mm，水平距離為69.69 mm。由此可得，周向檢測中發(fā)現(xiàn)的此類異常信號(hào)是根部余高過高引起，超聲檢測驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)根部余高過高有要求，而RCC-M-2007目視檢驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求3級(jí)焊縫根部余高最大不超過3 mm，根據(jù)計(jì)算，該模擬試塊根部余高過高部分厚度為2.73 mm，未超過標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，該模擬試塊上的根部余高過高滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 模擬試塊結(jié)構(gòu)示意

圖5 根部余高過高缺陷的相控陣檢測圖譜

2.4 軸向檢測驗(yàn)證

相比于周向檢測，軸向檢測不需要修正信號(hào)的深度和水平距離，通常情況下根部余高過高的反射波深度大于一倍板厚Tmm，小于T+Xmm。需注意X一般為1～3 mm，要依據(jù)根部余高過高部分的厚度來確定。另外，當(dāng)X的值超過標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，目視檢驗(yàn)階段已判廢，無需超聲檢測。針對(duì)周向檢測中發(fā)現(xiàn)的異常信號(hào)，在軸向檢測圖譜(見圖6)中亦發(fā)現(xiàn)此顯示，其水平距離為80.50 mm，深度為42.91 mm，軸向掃查中心距為79 mm(探頭前沿至焊縫中心的距離)，該異常信號(hào)最高波位于焊縫中心線的對(duì)側(cè)(偏離焊縫中心線1.5 mm);探頭位置改變到另一側(cè)掃查，分析圖譜發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)也是位于焊縫中心對(duì)側(cè)。從而驗(yàn)證該異常信號(hào)是焊縫余高過高引起的反射回波信號(hào)，且根部余高過高部分厚度為2.42 mm，因此，該根部余高過高產(chǎn)生的超標(biāo)信號(hào)不作為判廢的依據(jù)。

圖6 異常信號(hào)軸向掃查圖譜

2.5 射線拍片驗(yàn)證

為確定該異常信號(hào)是否為根部余高過高造成的反射信號(hào)，還可以通過內(nèi)窺鏡觀察該異常信號(hào)位置的根部成型情況，其內(nèi)窺鏡照片如圖7所示，發(fā)現(xiàn)該位置的根部余高相對(duì)于周邊余高過高，且有類似打磨的痕跡，經(jīng)過與焊工交流得知，焊接時(shí)焊工發(fā)現(xiàn)根部余高過高并用砂輪機(jī)進(jìn)行了修磨處理。對(duì)該焊口進(jìn)行射線檢測，采用內(nèi)透偏心單壁透照工藝，發(fā)現(xiàn)該處焊縫余高明顯高于周圍余高。異常信號(hào)處射線檢測底片如圖8所示，證實(shí)該異常信號(hào)為焊縫根部余高過高引起，依據(jù)RCC-M-2007射線驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)判定該顯示為合格。

圖7 異常信號(hào)處內(nèi)窺鏡照片

圖8 異常信號(hào)處射線檢測底片

3 結(jié)語

對(duì)于外表面余高磨平的高鉻合金鋼厚壁管道對(duì)接焊縫，當(dāng)采用相控陣周向檢測，掃查方式為縱向平行掃查時(shí)，如發(fā)現(xiàn)超標(biāo)信號(hào)顯示正好在1～2倍板厚之間，不能按照軸向檢測缺陷定位方式去理解、分析和判定，而須考慮曲面對(duì)信號(hào)深度和水平距離的修正，才能準(zhǔn)確確定該信號(hào)的真實(shí)深度和水平距離。由于相關(guān)超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)根部余高過高作要求，所以筆者通過公式計(jì)算法、畫圖法、模擬試塊法、軸向掃查法和拍片法來輔助評(píng)定，并采用RCC-M-2007目視標(biāo)準(zhǔn)來驗(yàn)收，判定文章中的異常信號(hào)顯示是合格的，避免了誤判情況的發(fā)生。