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安全壳贯穿件补强板与套管焊接接头超声波郑天旭

发表时间：2020/4/14 来源：《建筑模拟》2020年第2期作者：郑天旭

[导读] 本文通过对核电站钢制安全壳贯穿件补强板与套管焊接接头的材质、规格及结构的分析，针对其超声波检测难点和特点，研究制定出相应的检测工艺方法，使用以工程实际相同的板材、焊材以及焊接工艺制作焊接模拟件（植入人工伤缺陷）为检测研究对象，鉴定和验证所制定的检测工艺方法的可靠性，并在核电站安装阶段得到应用。

        中国核工业第五建设有限公司上海市 201512
        摘要：本文通过对核电站钢制安全壳贯穿件补强板与套管焊接接头的材质、规格及结构的分析，针对其超声波检测难点和特点，研究制定出相应的检测工艺方法，使用以工程实际相同的板材、焊材以及焊接工艺制作焊接模拟件（植入人工伤缺陷）为检测研究对象，鉴定和验证所制定的检测工艺方法的可靠性，并在核电站安装阶段得到应用。
        关键词：核电站；贯穿件；超声波检测

        前言
        核电安全壳（Containment Vessel 简称CV）是一个独立的圆柱形钢制容器，由底封头、筒体和顶封头组成，筒体和底封头上都设置有补强板和贯穿件套筒。贯穿件为工艺管道、电缆穿过安全壳时保持安全壳屏障的完整性和密封性而设置在安全壳壁上的穿墙连接部件，承受着核岛发电时所承担的压力，防止核岛内部的核泄漏，属于核电厂第三道安全屏障边界范畴。
        1、安全壳贯穿件结构特点
        贯穿件焊缝包括插入板与筒体焊缝、补强板与贯穿件套筒焊缝、套筒与封头管、套筒与保护管等焊缝，其中补强板与贯穿件套筒焊缝需要进行超声波检测[1]，其结构特殊，为管、板的插入式结构，焊接结构复杂、焊接位置多变、而且焊缝厚度大，最大厚度为95.3mm。
        由于现场的施工顺序为先将插入板与CV筒体焊接完成后，再焊接插入板与套管的焊接接头；贯穿件插入板的材质为SA738 Gr. B，套管的材质为SA350 Gr. LF-2，填充焊条为E9018；加之焊前预热与热处理的不易操作和控制等不利因素影响，所以在贯穿件套管焊接接头内存在很大的焊接应力不易释放，极易产生危害性缺陷。所以对超声波检测技术的可靠性提出了更高的要求，即要求对此类焊缝的检测方法和检测工艺参数的选择、缺陷判别及结果评定等方面应采用行之有效方法来检测焊缝内部质量，以确保此类焊缝的焊接质量。
        2超声波检测工艺研究
        2.1设备器材
        2.1.1探头
        a）探头角度
        在横波检测中，探头的角度对缺陷检出率、检测灵敏度、声束轴线的方向、一次波的声程（入射点至底面反射点的距离）有较大的影响。探头角度的选择既要考虑到可能产生的缺陷与检测面形成的角度，还要保证主声束能扫查到整个焊缝截面，有时还应注意端角反射等问题。
        由于补强板的坡口形式为45度K型，为了有效的检测出裂纹、未熔合、未焊透等危险性缺，用于补强板侧扫查的横波探头应选择45°，同时根据ASME规范附录I中推荐，在t/4范围内用60°～70°斜探头进行补充检验，考虑检测声程衰减及检测范围覆盖因素，选择60°斜探头；斜探头扫查的母材区域应先使用直探头检测，旨在排除由于母材存在缺陷的原因对射射波检测的影响；对于余高磨平的焊缝区域应补充直探头检测；在套管内侧补充直探头用于检测在管壁处的危险性缺陷；同时在套管内侧适用斜探头（45°）用以辅助检测在管壁处的危险性缺陷。
        b）探头频率
        探头的标称频率一般为1～5 MHz。根据球面波衰减方程：Pχ=P1 e-αχ/χ，其中α=αα+αs，αα=c1f，αs =c2Fd3f4；（d<λ）式中：α为介质衰减系数；αα为吸收衰减系数；αs为散射衰减系数；f为超声波频率；d为介质的晶粒直径；F为各向异性系数；c1、c2为常数。得知球面波的声压与距离成反比，介质的吸收衰减与频率成正比，介质的散射衰减系数与频率的4次方成正比。鉴于电气贯穿件补强板的厚度为90mm，壁厚较大，斜探头声程与折射角成正比，同时鉴于电气贯穿件为插入式结构，从超声波入射方向到套管为凸面，由于高频探头的声束指向性好，则导致对套管面存在面状缺陷的漏检风险增高，因此应选择频率较低的斜探头，45°和60°探头推荐选择2MHz。直探头考虑避免近场区的影响选择2.5MHz；套管内侧45°斜探头主要用于辅助缺陷定位，且套管壁厚（57mm）属于中等板厚，高频探头有着分辨力高的特点，因此选择5MHz。
        c）晶片尺寸
        探头晶片大小是在保证足够灵敏度的前提下进行选择，探头晶片越大发射超声波能量就越高，检测效率高，但晶片越大会导致探头前沿也随之增大，有效检测区域减小；使用小晶片探头却容易漏检缺陷，检测效率低等问题。因此应根据实际检测对象和要求，综合选择探头晶片尺寸。
        对于贯穿件套管焊接接头超声波检测，斜探头晶片适合选择13×13mm；补强板检测面光滑平整，应选择较大晶片的探头，用于检测斜探头扫查区域的直探头适合选择φ20mm；由于使用人工打磨掉焊缝余高的焊缝表面平整度不如母材平整，应使用小晶片探头，因此用于检测余高磨平的焊缝区域的探头适合选择φ8mm；在套管内侧补充直探头用于检测在管壁处的危险性缺陷的直探头受到套管曲率影响，应选择小晶片探头，为便于检测实施，同样选择φ8mm；套管内壁辅助斜探头由于受到套管曲率影响其耦合效果，需将该探头在套管内壁适当修磨以达到满意效果，因此不适合选择过大晶片，适宜选择9×9mm。
        2.1.2试块
        a）标准试块
        标准试块主要用于测试仪器、探头和系统的性能，如测量探头前沿值、探头折射角度、系统扫描范围的调节等。此次标准试块选用CSK-IA试块。
        b）对比试块
        对比试块主要用于制作DAC（距离-波幅）曲线以及距离范围的校验，以确定检测灵敏度和对缺陷进行定量分析。根据补强板的厚度为90mm，对比试块的制作尺寸应符合下面要求，材质为20#钢，我们定义为ASME 3#试块，见图1，具体参数见表2。

        图1：对比试块ASME 3#

2.1.3、耦合剂
        典型的耦合剂为水、机油、甘油和化学浆糊，综合考虑耦合剂的透声性、耦合效果、经济性以及现场可操作性，选择使用化学浆糊。在试块上调节仪器和产品检验应采用相同的耦合剂。
        2.2超声波检测工艺参数
        2.2.1表面制备
        探头移动区域应清除焊接飞溅、铁屑、油垢及其他外部杂质。检测表面应平整光滑，便于探头的自由扫查，其表面粗糙度不应超过6.3μm。对于焊缝余高经过磨平的区域，要注意其平整度，为保证耦合效果，探头与耦合面的间隙不得大于0.5mm。
        2.2.2检测面的选择
        根据贯穿件套管焊接接头的焊接结构，以其横截面图示为例，将其划分成A面（CV内侧）、B面（CV外侧）和C面（套管内壁侧）。检测面和探头布置如图2所示。

        图2：检测面和探头布置图
        2.2.3扫查技术
        扫查速度：不应大于150mm/s。
        扫查覆盖率：相邻两次探头移动间隔保证至少有探头宽度10%的重叠。
        扫查范围：对于贯穿件套管焊接接头要求的最低扫查范围为0.75P=0.75×2Ttanβ=0.75×2×90×tan60°=234mm。
        扫查方式及方向：锯齿、斜平行、前后、左右、转角和环绕。由于贯穿件套管焊接接头为圆形，因此在进行锯齿形扫查时，应注意要将探头的轴线指向套管圆心。
        2.2.4系统时基线扫描（扫查范围）的调节
        为确保被检工件最大声程处于仪器的扫查范围内，当使用CSK-IA试块对探头的声速、零偏和折射角完成校准后，只需将ASME 3#试块上T/4（19mm）横孔的最大回波信号调节在仪器屏幕的2格处即可，从而T/2（38mm）、3T/4（57mm）、5T/4（95mm）横孔处的最大回波信号分别出现在屏幕第4、6、8格处。
        2.2.5 DAC（距离-波幅）曲线的调节
        DAC曲线是由所选用的仪器、探头系统在对比试块ASME 3#上的φ5×40mm标准反射体绘制而成的基准线。制作方法本文不予赘述。
        2.2.6检测灵敏度的调节
        为了防止缺陷漏检，一般将扫查灵敏度不得低于评定线灵敏度（20%DAC=DAC-14dB），见表3。当检测横向缺陷时应将各线灵敏度均提高6dB。
        表3：灵敏度的设置

2.2.7仪器系统的校验
        每次检验前、检验过程中每4h之内和检验工作结束后，应该校验系统的扫查范围和DAC曲线。在对比试块上T/4、T/2和3T/4点上的进行校验，具体校验方法及要求本文不予赘述。
        2.2.8缺陷指示长度的测定方法
        当缺陷反射波只有一个高点时，用降低6dB相对灵敏度法进行侧长。如发现缺陷反射波峰值起伏变化，有多个高点时，采用端点6dB法。
        3 模拟试块检测研究
        3.1模拟试块制作
        根据贯穿件套管焊接接头的厚度，模拟试块厚度可选择95.3mm，结构布局及焊接方法与实体相同。人工伤缺陷应制作成长横孔的形式，直径为5mm，长度为40mm，缺陷的位置应具有一定代表性，因此将其分别设置在1/4T（23.8mm）（模拟坡口未熔合等缺陷）、1/2T（47.7mm）（模拟根部未熔合、未焊透等缺陷）、92.8mm（模拟焊缝边缘未熔合等缺陷）的深度处。相见下图3：

        图3：模拟试块实际图
        3.2模拟检测
        3.2.1直探头扫查临近母材
        使用直探头④扫查对斜射波检验有妨碍的干扰缺陷，在开始用斜射波检验之前，对于斜射波要经过的母材区域应先用直射波探头进行扫查，以便探明可能会影响斜射波探测结果辨认的分层缺陷，这些检验数据应做出记录。
        3.2.2焊缝的直射波扫查
        由于贯穿件套管焊接接头大部分焊缝余高予以打磨至平整，因此使用探头③在焊缝上进行检验，使用第二个检测灵敏度扫查时，主要用于发现坡口未熔合等危险性缺陷。使用第一个检测灵敏度扫查时，主要用于发现套管外壁由于焊接应力产生的层状撕裂、未熔合等危险性缺陷。
        3.2.3焊缝的斜射波扫查
        使用探头①、②和⑤按照垂直、平行和斜平行于被检焊缝的方向进行扫查，进行斜平行扫查时，应将扫查灵敏度再提高6dB。
        3.3检测结果
        在贯穿件套管焊接接头模拟试块及缺陷分布图见图4，缺陷定位示意图见图5。超声波检测的结果见表4。

        图4：模拟件试块及缺陷分布图

        图5：缺陷定位示意图
        表4：检测结果的情况

4检测结果分析
        4.1对缺陷①的分析
        缺陷①为模拟靠近焊缝外侧边缘且贴近内壁的未熔合或未焊透等危险性缺陷。因此，对于探头（1）和（2）在B面超声波不可达，无法检测到，探头（3）的直探头在A和B面直射波超声波不可达，亦无法检出。
        探头（1）和（2）在主要的检测面A面的检测效果明显，波幅均超过DAC，定位准确，此时的探头（2）所需要的检测距离最大为149mm，而实际检测面只有90mm，因此60度探头在实际检测时无法检测出该类型缺陷。探头（5）在C面的检测效果最为明显。探头（3）在C面检测由于受到凹曲面耦合效果影响，效果较差。
        4.2对缺陷②的分析
        缺陷②为模拟焊缝中间且贴近内壁的未熔合或未焊透等危险性缺陷。因此，探头（3）的直探头在A和B面直射波超声波不可达，无法检出。
        探头（1）和（2）在主要检测面A面和B面的效果相当，均超过DAC基准灵敏度2～4dB，定位准确，有良好的可靠性。探头（5）在C面的检测效果最为明显。探头（3）在C面检测由于受到凹曲面耦合效果影响，效果较差，不具备超声波检测的可靠性。
        4.3对缺陷③的分析
        缺陷③为模拟焊缝上部坡口未熔合等危险性缺陷。因此，探头（3）和（5）在C面的检测结果不予考虑。
        由于受到近场区的影响，探头（1）和（2）在主要检测面B面的检测效果要略好于A面，定位的准确度相差无几。探头（3）受在A面和B面检测效果相当，波幅高度均在DAC附件，受近场区影响，在B面的检测效果要略好与A面。
        4.4综述
        探头（1）和（2）在主要检测面A面和B面均能有效检出所植入的人工伤缺陷，定位准确。
        探头（5）检测套管内壁危险性缺陷的效果最为明显，分析原因为：探头（5）的曲率与套管相同，但对比试块为平整面，耦合效果受到影响，在调节检测灵敏度时声能得到了损失，因此实际检测时等效于提高了检测灵敏度，根据实验结果，在实际检测时的检测灵敏度应降低8dB左右的灵敏度。
        探头（3）的检测效果为最差，分析原因为：直探头受检测面的平整度影响很大，尤其受到内壁凹曲面的影响，耦合效果差；同时，缺陷的取向也影响检出率。因此在实际检测当中，首先应注意检测面的平整度，其次考虑采用软保护膜探头或者用带曲率楔块的直探头来降低由套管内壁凹曲面耦合损失所产生的影响。
        5结论
        本文通过对安全壳贯穿件套管焊接接头的材质、规格及结构的分析，针对其超声波检测难点及特点，制定出相应的超声波检测方法，通过使用焊接模拟件为检测研究对象，根据实际在模拟试块检测数据和结果表明，所制定的检测工艺能够充分检测出人工伤缺陷，并且能够较为准确评判出缺陷的具体位置和性质，满足规范对实际焊缝的检测要求。
        但由于现有技术条件限制，本工艺方法也存在一些不足和需要进一步改进的方面：一是作为插入式管座焊缝，危险最大的是未熔合和裂纹等纵向缺陷，因此在C面以纵波直探头检测为主，而受到曲面影响，探头和试块的选择应尽量符合实际套管曲率，检测灵敏度的应需要进一步进行验证。二是采用现有检测工艺实施检测时，需要使用多组探头重复操作，检测工作量大，检测效率低，且检测效果不直观，因此采用超声相控阵检测技术“替代”现有A型脉冲反射法超声波检测技术将极大程度的解决上述问题，通过发射多组角度声波束、动态聚焦等技术提高对缺陷的检出率，但此“替代”工作还需要进行大量实验验证，需要得到设计方、业主方以及有关监管部门等方面认可。