王俊龙
核工业工程研究设计有限公司 北京 101300
摘要：CPR1000核电站主管道采用窄间隙自动焊接工艺，材质为奥氏体不锈钢，各向异性，晶粒粗大。执行超声检验时，声能衰减严重，晶间反射形成草状回波，致信噪比下降考虑到不锈钢材料特性，对其开展超声检查时需采用不同聚焦深度和角度的探头进行分层检验，通过模拟试验验证本文中的检测工艺和检测方法具有较高的可靠性。
关键字：窄间隙自动焊、分层检测、超声检测
0 背景
CPR1000型核电主回路管道（简称主管道）是核电站主系统冷却系统的重要部分，其焊接的质量直接关系到整个核电站运行的安全性。主管道由奥氏体不锈钢材料Z3CN20.09M铸造制成。其外径一般为828-976mm，厚度为66-98mm。其焊接工艺采用“窄间隙全自动钨极惰性气体保护电弧焊”技术，特点是可大幅度地减少坡口截面积和焊接金属的填充量。可实现高效化焊接。但窄间隙坡口可能存在侧壁熔合不良的问题，而在RCC-M系列标准中对于主管道的体检检验仅有射线检验一种。众所周知，射线检验对于面积型缺陷存在检验局限。为保证主管道焊接质量，国内外监督机构均要求对主管道窄间隙自动焊焊缝增加超声检测以验证其焊缝质量。
奥氏体不锈钢铸造材料组织各向异性，晶粒粗大。执行超声检验时，声能衰减严重，晶间反射形成草状回波，致信噪比下降。本文根据试验及实践中获得的数据及经验，总结了部分窄间隙自动焊焊缝超声检验的基本流程，以供相关方参考。
1 主管道窄间隙自动焊焊缝
窄间隙坡口相对传统手工焊宽坡口，其焊材填充量小，不但可减少焊接残余应力和变形，还可提高工作效率。但窄间隙坡口角度较小，两侧基本处于垂直状态，因此在焊接过程中，坡口侧壁最易产生未熔合缺陷。焊接过程采用多层单道焊接工艺。根部由1条熔合焊道，2条侧向熔合焊道和4条支撑焊道组成。随后转入填充焊道直至盖面焊道。盖面焊道采用了1条或多条线状焊道。
2 主管道窄间隙自动焊焊缝超声检测
2.1 分层检验
将主管道焊缝的检验区域进行分层处理，即不同的检验探头检验相应的检验层区。并保证超声信号在层与层之间有一定的重叠。检验区域的分层原则上按厚度方向分为三层，分别利用不同聚焦深度的探头进行检验，扫查表面以下0－40mm 为第一层，扫查表面以下30-70mm为第二层，扫查表面以下60mm至底面范围为第三层。所选分层探头能覆盖整个被检分层区域，所选组合探头在DAC-6dB内能覆盖整个被检区域。
2.2 检验探头
普通纵波直探头较难满足粗晶材料检测要求，故选用了经过特殊设计的高阻尼双晶聚焦探头。为减小高频衰减，选择探头频率为1-2MHz。探头接触面为凹形以确保其与主管道外表面的良好耦合。探头主要包括 0°、45°、35°、60°和 70°双晶纵波聚焦探头。为覆盖整个被检区域，采用了不同焦距和不同晶片尺寸的双晶聚焦探头。分层检验事，第一层采用0o、70o、60o探头轴向检测，45o探头周向检测；第二层采用0o、45o探头轴向检测，35o探头周向检测扫查；第三层采用0o、45o探头轴向检测，35o探头周向检测。主管道窄间隙焊缝扫查探头汇总如表1。
.png)
2.3 试块
探头性能测试试块主要用于测试超声波探头的主要性能参数，如探头角度、前沿等，包括轴向和周向探头性能测试两种类型试块。试块的材料应取自主管道母材的延长部分或材料和热处理状态均与被检部件相同的材料，试块上的人工反射体为长横孔和圆弧面。
对比试块主要用于确定检验灵敏度。试块为带焊缝的试块，其尺寸规格与检验对象相近。对比试块上的人工反射体为长横孔和矩型槽，长横孔的尺寸（直径）为Φ3.2mm；矩型槽的高度为10%T。
2.4 检测系统
超声检测的装置，包括管道扫查小车、扫查自动控制系统、探头固定装置等。检查系统包括：ZETEC DYNARAY-Lite多通道超声仪、ZETEC-UltraVision3.7R21采集分析软件、超声探头、探头性能测试试块、对比试块、计算机、扫查装置、控制器及软件、耦合剂供给与回收系统、各种连接电缆。
2.5 时基线性的调节
探头应放在相应对比试块上进行时基线性的调节。调节时基线性的一般方法为根据相应对比试块上2个不同深度的横通孔，调节超声仪-探头检验系统的延迟和声速。
2.6 灵敏度设置与校核
对于每个检验用探头，利用对比试块上Φ3.2长横孔反射体，找到试块上横孔反射体最强回波响应，并将回波幅值调到幅度刻度的80％左右，此时仪器增益值即为基准灵敏度G0。不改变增益，移动探头逐一找到试块上其它深度的横孔反射体回波幅值，连接各点形成距离-波幅曲线（DAC）。
灵敏度校核必须在每次检验开始前，检验过程中每隔4小时或完成一道焊缝检验后（取小值）进行校核。系统校核的内容包括检验系统的基准灵敏度和时基线性，校核方法及校核结果评价见下表。
.png)
2.7 扫查要求
2.7.1 一般要求
a) 标定试块的温度与被检部件的温度相差不大于14℃；
b) 实际检验时应采用与标定时相同的设备，包括超声仪、探头、连接线和耦合剂；
c) 根据被检部件的外表面与标定对比试块的外表面差异情况，可进行适当表面补偿，补偿量应在报告文件中注明。
2.7.2 扫查灵敏度
扫查灵敏度至少应在基准灵敏度基础上增益6dB；若噪声水平较高，在噪声允许的情况下，将噪声水平降低至 20%FSH（满屏）进行扫查。
2.7.3 传输修正
检验开始前应对试块和被检部件的声束衰减情况进行测试。测试使用直探头，如果试块和被检部件底波相差不超过4dB（含4dB）则不需要进行传输修正；如果底波相差在4dB 至12dB（含12dB）之间，需要作出相应的传输修正，修正值应予以记录；如果底波相差超过12dB，必须对受检部位表面重新进行处理。
2.7.4 扫查速度和扫查覆盖率
a) 探头扫查速度不大于100mm/s；
b) 探头连续两次扫查线之间的间隔应不大于检验厚度范围内任意深度的探头-6dB有效声束宽度或50%探头晶片尺寸。
2.7.5 扫查方法
扫查方法分为轴向扫查（声束垂直于焊缝扫查）和周向扫查（声束平行于焊缝扫查）。轴向扫查时，周向步进；周向扫查时，轴向步进。
.png)
2.8 记录阈值和验收标准
2.8.1 记录阈值
对于信噪比大于2dB的区域，任何反射波幅大于或等于50%长横孔参考波幅的缺陷显示（Hd/Hr≥1/2）都应记录；对于根部区域，任何反射波幅大于或等于50%矩形槽参考波幅的显示均应记录。检验中发现的缺陷，能够确认在检验区域以外的仅进行记录。
长度测量方法：Φ3.2-6dB作为测长灵敏度，采用-6dB法进行长度测量。
2.8.2 验收标准
a) 对于非体积型缺陷如裂纹和未熔合，不论幅度大小，均不可接受。
b) 对于体积型缺陷，如果满足下列任何情况应考虑采用射线检验进行核实，该超声波结果仅作为射线检验的参考，最终验收依据以射线检验结果为准：
.png)
c) 对于根部区域，任何反射波幅大于或等于100%矩形槽参考波幅的缺陷显示（Hd/Hr≥1）均不可接收
2.8.3 缺陷累积
如果符合下述两个条件，可将分散的缺陷信号显示累积在一起。
a) 两个缺陷在扫查面上的投影之间的距离小于或等于最小缺陷长度的6倍或者当有一个点状缺陷信号时，小于或等于20mm；
b) 两个缺陷信号在焊缝横截面上的投影之间的距离小于或等于20mm。累积的缺陷信号显示幅度，应是从任何分散的缺陷信号显示中测得的最高幅度。其尺寸由相距最远的缺陷两端头连起来确定。缺陷显示的累积规则只适用于逐个测得的缺陷显示。
3 模拟件验证
.png)
实际检验工作中焊缝的焊接质量较好，很难发现超标缺陷。因此制作了模拟件以验证检验工艺。在模拟件上共制作人工缺陷6个缺陷，其中5个缺陷埋藏在熔合线上模拟未熔合缺陷，最后1个为内表面开口槽。结果表明，使用本检验工艺可检出所有缺陷，检验结果如下表所示：
.png)
4 结论
本文总结了CPR1000型核电站主管道窄间隙自动焊超声检验工艺，该工艺已在实际生产活动中加以使用，具有较高的可靠性。