中国核工第五建设有限公司 上海市 20151
摘要：超声波检测是借助先进的技术和仪器设备，在不损坏、不改变被检测对象理想化状态的情况下，对被检测对象内部的结构、性质、状态进行高灵敏度和高可靠性的检查和测试，借以评判其焊缝的连续性、完整性、安全性以及其他性能指标。超声波检测的可靠性决定了检测工件结果的判定，本文主要介绍了熔化极气体保护自动焊容易产生的缺陷、超声波检测的工艺参数的选择、波型转换分析及其相应的人员资质要求，并对检测结果进行验证。
关键词：熔化极气体自动保护焊；超声波检测；探头选择；波形分析
1.前言
CV筒体是AP1000安全壳厂房的整个包容系统中的一部分，其功能是在假象的设计基准事故以后包容气载放射性的释放以及在正常运行期间为反应堆堆芯和冷却剂系统提供屏蔽。CV安全壳容器也是非能动安全壳冷却剂系统（PCS）的组成部分。在发生假象的设计基准事故后，安全壳容器和PCS能将安全壳热能排出，以防止安全壳超过其设计压力。
CV筒体熔化极气体保护自动焊是三门AP1000二期核电站新研发工艺，为保障新工艺的质量安全可靠，无损检测对焊缝质量的控制起到了至关重要的作用。
无损检测应用的正确性和有效性，一方面取决于所采用的技术和装备的水平，另一方面更重要的是取决于检测人员的知识水平和判断能力。无损检测人员所承担的职责要求他们具备相应的无损检测理论知识和技术素质。
2.超声波检测定义及原理
超声波检测一般是指使超声波与工件相互作用，就反射、投射和散射的波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。
超声波检测主要是基于超声波在工件中的传播特性，如声波在通过材料时能量会损失，在遇到声阻抗不同的两种介质分界面时会发生反射等。其工作原理是：
a．声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入工件。
b．超声波在工件中传播并与工件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特征被改变。
c．改变后的超声波通过检查设备被接收，并可对其进行处理和分析。
d．根据接收的超声波的特征，评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。
3.检测工件
3.1检测工件焊缝坡口角度示意图：
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图1：对接焊缝坡口示意图
3.2检测工件易产生的焊接缺陷分析
3.2.1焊缝冷裂纹的产生
SA738 Gr.B是淬火加高温回火状态的低合金调质钢，根据碳当量计算公式：
CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15
SA738B Gr.B的碳当量为0.67。当碳当量大于0.4%时，钢材焊接性较差，有淬硬倾向，容易产生冷裂纹。
3.2.2未熔合及夹渣的产生
造成未熔合和夹渣的主要原因有：焊接电流、电压及焊接速度不匹配；焊道的布置不合理，形成沟槽；层间温度过高；焊渣清理不干净、根部错边量过大等。
3.2.3气孔的产生
造成焊缝气孔主要原因：焊丝受潮，保护气体流速过大或过小、焊枪角度不适宜等。
4.检测先决条件
4.1人员资质
无损检测都必须由持有与其从事的检测方法相应的有效资格证书的检测人员执行，其资格应符合HAF602的规定。
Ⅱ级或Ⅱ级以上的检测人员才能签发报告和解释检测结果。
4.2设备及材料
4.2.1仪器
检测所使用超声仪器脉冲回波式，仪器产生的频率至少要在1MHz～5MHz范围内，还应具有步进2.0dB或2.0dB以下的增益旋钮。若仪器有抑制旋钮，则可在不降低检测灵敏度时使用。所有检测时，除非能验证不影响检测的线性，否则抑制旋钮应置于“关”。本文选用仪器型号为HS610e：
4.2.2探头
对接焊缝，斜探头扫查经过的区域需先用直探头扫查。
纵波直探头波束轴线垂直于检测面，主要用于检测与检测面平行或近似平行的缺陷，用于发现钢板中的夹层。折叠等缺陷。
横波斜探头是通过波型转换来实现横波检测的，横波波长短，检测灵敏度高，主要用于检测与检测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝中的未焊透、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷。
（1）探头角度选择
探头的角度对缺陷检出率、检测灵敏度、声束轴线的方向、一次波声程（入射点至底面反射点的距离）有较大的影响，角度越大，一次波的声程也就越大。因此在实际检测中对深度浅的缺陷应选用较大角度探头，以便增加一次波的声程，避免近场区检测，深度深的缺陷应选用较小角度探头，以减少声程过大引起的衰减便于发现缺陷。
探头角度选择时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整个焊缝截面，由焊缝坡口角度可知，考虑对坡口未熔合的检出率宜选用45°、75°横波斜探头（声束轴线与坡口面垂直），同时参考ASTM-E164推荐使用的探头角度，故本次检测探头角度选择45°和70°。
（2）探头晶片尺寸的选择
晶片大小对声束指向性，近场区长度，近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力有较大影响。实际检测中，检测面积范围大的工件时，为了提高检测效率宜选用大晶片探头。检测厚度大的工件时，为了有效地发现远距离的缺陷宜选用大晶片探头。检测小型工件时，为提高缺陷定位、定量精度宜选用小晶片探头。检测表面不太平整或曲率较大的工件时，为减少耦合损失宜选用小晶片探头。
综合上述要求，根据检测工件实际情况本次检测可选用13mm*13mm晶片尺寸探头，进行现场检测。
（3）探头频率的选择
探头频率的高低对检测有较大的影响，实际检测中要全面分析考虑各方面的因素，合理选择频率以取得最佳平衡。一般而言，对于小缺陷、厚度不大的工件，宜选择较高频率；对于大厚度工件、高衰减材料，应选择较低频率。CV自动焊工件厚度为44.5mm的碳钢，所以综合考虑可选择5MHz频率探头。
4.2.3试块
（1）标准试块
标准试块可用于测试仪器和探头组合性能、探头前沿、探头角度、调整检测范围和扫描速度等，此次检测使用CSK-ⅠA试块。
（2）基准试块
基准试块用于确定检测基准灵敏度以及对缺陷的定量分析，并用于制作（距离-波幅）曲线。依据工件厚度本文选用ASME 3#试块。
4.3编制检测工艺
依据程序文件要求编制相应工艺卡。
5.检测实施
检测实施过程中发现如下显示：
1.整条焊缝存在深度位置为33mm～35mm显示（一次反射波）；
2.水平位置距离焊缝中心3mm～4mm；
3.此显示仅70°探头单面检测发现。
5.1波型显示分析
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图2 焊缝外观状态
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图3 焊缝凹槽位置发生波型转换示意图
如上图3所示，横波声束在焊缝凹槽处可能发生波型转换产生反射纵波，同时也产生反射横波，这些反射波入射到表面余高再次反射，如果条件合适，这些波会按原来的路径反射回来并被探头接收产生反射信号，由此近似计算出反射波出现的位置。
假设声束从凹槽到余高为垂直反射，其声程为T=44.5mm，β=70°，钢中纵波声束为5900m/s，横波声束为3230m/s。由此可计算出纵波和横波在仪器上显示位置为：
纵波：
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仪器显示深度约为36mm
横波：
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仪器显示深度约为29mm
如果考虑焊缝余高以及反射并非垂直反射（反射波声程大于T），横波反射深度显示位置应大于29mm，现反射波位置在33mm～35mm处，所有初步判断为横波反射引起的干扰信号，为验收结论是否正确将余高凹槽磨平进行检测此显示波型消失。
5.2检测结果、评定
依据标准工艺要求选择70°，45°和0°探头对工件进行检测，本文对三种角度探头进行了检测数据对比（见表1），检测缺陷位置坐标（见图4所示）。
表1 检测结果及评定
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图4 缺陷位置坐标图
6.结论
为验证工艺可靠性，并结合超声波检工艺及波型分析，对超声波检测工件进行解剖（如图5所示），对坡口面进行液体渗透检测验证超声波检测结果的可靠性。
通过超声波检测结果与液体渗透检测结果的比较了解，超声波检测结果的定位与工件焊缝缺陷实际误差小于±2mm，超声波检测结果具有可靠性。
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图5 工件解剖后的液体渗透检测示意图
参考文献：
[1] 第三代核电技术AP1000
[2] HAF 602 民用核安全设备无损检验人员资格管理规定
[3] ASME锅炉及压力容器规范-无损检测
[4] 超声波检测