含缺陷奥氏体不锈钢管道对接焊缝的超声检验结果验证

宋延林 付千发 袁 骊

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉430223）

0 引言

在核工业领域，奥氏体不锈钢材料因具有无磁性、高韧性和耐腐蚀等优点而被广泛应用。目前国内核电厂众多堆型中，一回路主管道、余热排出管道等承担压力边界的核1级设备，均大量采用奥氏体不锈钢材料。根据核安全相关法规要求，核电厂在运行一段时间后需按照美国机械工程师学会锅炉及压力容器规范（ASME BPVC）要求对相关系统的奥氏体不锈钢管道对接焊缝执行超声检验。

奥氏体不锈钢焊缝具有柱状晶组织，晶粒粗大，超声波在焊缝中传播时，会受到其晶粒直径和柱状晶组织具有的弹性各向异性的严重影响，而发生声速变化、散射衰减增大及波束偏移等情况，引起较高的本底噪声，致使信噪比大幅降低，采用一般碳钢的超声检验方法进行检验，效果不佳。

检验单位分别采用两种超声检验技术，对同一含预埋缺陷的奥氏体不锈钢焊缝试件进行了对比试验。同时在某核电厂停堆大修期间，对某一条奥氏体不锈钢管道焊缝进行了验证。

1 试验过程

1.1 试验对象

1.1.1 基本信息

试验试件为管道焊缝，外径273 mm，壁厚30.0 mm，材质为奥氏体不锈钢（见图1）。

图1 试验件

1.1.2 缺陷信息

试验件中的人工缺陷信息见表1。

表1 试验件人工缺陷信息

1.2 检验区域

根据ASME BPVC第IX卷《核电厂部件在役检查规则》IWB分卷的要求，检验区域为焊缝内壁1/3壁厚范围（不包括堆焊层）以及焊缝边沿两侧各6.4 mm的母材区域。当怀疑缺陷从焊缝内壁1/3壁厚范围延伸至非检查区域范围内时，检验区域为焊缝全壁厚范围（不包括堆焊层）以及焊缝边沿两侧各6.4 mm的母材区域。

2 检验对比

对该焊缝分别采用常规自动超声检验技术和手动相控阵超声检验技术实施检验。常规自动超声检验由数据采集工作站通过控制系统、驱动器等将安装在管道焊缝外表面带探头的机械装置驱动，按照设定的轨迹进行扫查后储存数据。手动相控阵超声检验由相控阵超声仪、探头、楔块通过手动扫查完成检验。

2.1 超声仪

常规自动超声检验采用Z-SCAN多通道超声仪，手动相控阵超声检验采用Olympus Ominscan MX2相控阵超声仪。

2.2 参考试块

两种检验技术采用的参考试块为同一试块，该试块与被检管道焊缝规格尺寸一致，试块上加工有长横孔和EDM槽。人工反射体的参数应满足ASME BPVC规范第V卷《无损检测》T-434.3的要求。

2.3 耦合剂

两种检验技术采用的耦合剂为同一型号的核工业级耦合剂。耦合剂中污染物的含量应满足ASME BPVC规范第V卷《无损检测》T-433中的要求。

2.4 检验探头

两种检验方法的探头参数见表2、表3。为了有效降低噪声信号的干扰，保证足够高的信噪比，主扫探头均采用双晶纵波斜探头。

表2 常规自动超声检验探头参数

表3 手动相控阵超声检验探头参数

3 试验结果

常规自动超声和手动相控阵超声的检验结果见表4。

表4 试件的超声试验结果

常规自动超声和手动相控阵超声检验的典型缺陷见图2、图3。

图2 常规自动超声典型缺陷图

图3 手动相控阵超声典型缺陷

从试验结果可以看出，试件中的人工缺陷均能被检测出。缺陷的位置误差在-0.77~2.86°（-2~7 mm）范围内。缺陷的自身高度尺寸测量，误差在-2~1.9 mm以内。缺陷的长度尺寸测量，误差范围在-1.0~5.8 mm以内。通过计算，缺陷长度均方根误差为3.8 mm，缺陷自身高度均方根误差为1.0 mm，均满足ASME BPVC规范第IX卷《核电厂部件在役检查规则》附录VIII中对奥氏体不锈钢缺陷定量验收准则的要求。

4 现场验证

某次停堆大修期间，检验单位对某一条奥氏体不锈钢管道焊缝分别由不同的检验人员、采用两种检验技术进行超声了检验（役前检查结果为历史数据），缺陷信息对比见表5，采用常规自动超声检验技术检测出的缺陷截图见图4，采用手动相控阵超声检验技术检测出的缺陷截图见图5。

图5 缺陷截图（手动相控阵超声）

表5 缺陷信息对比表

图4 缺陷截图（常规自动超声）

采用常规自动超声检验技术实施检验时，役前检查和在役检查分别使用了同类型的超声仪、探头、参考试块和机械扫查装置，该焊缝的检验结果基本一致，证明该检验技术的重复性、可靠性基本满足规范要求。首次大修中，对该焊缝分别采用常规自动超声检验和手动超声相控阵检验两种技术，最大幅值差值为1.9 dB，最大幅值位置（缺陷所在深度）相差1.7 mm，缺陷长度相差2 mm。检验过程中，两种检验技术所有的纵波探头的显示信号中，均无端点回波信号；探头移动时，缺陷显示回波波形孤立且波形包络线平滑，可判断该显示为体积型显示。由于ASME BPVC规范中对缺陷显示是否发生显著变化的界定未提及，故参考了RSE-M规范A5224章节中对缺陷显示是否显著变化阈值的规定，上述两种检验技术的检验结果与役前检查的检验结果比较，可认为该缺陷显示未发生显著变化。综上所述，对奥氏体不锈钢管道对接焊缝而言，两种检验技术的检验结果基本一致。

5 适用性分析

现场实施检验时，现场环境往往较为复杂，存在大量的脚手架、支撑及阀门等物理阻挡，常规自动超声检验技术因需安装扫查轨道、耦合装置等，要求被检部件较范围内完全无阻挡，才能完成检验区域内的全部数据采集，同时安装扫查装置、更换探头等需占用一部分时间，但该技术检验重复性好，人因因素对检验结果的人影响很小，且图像显示直观，扫查数据便于储存和线下分析；手动相控阵超声技术设备简单，在探头可通过的情况下，复杂、狭小条件下均可实施，可达性很高，但扫查数据无法储存，对检验人员技术水平要求也较高。

因上述两种检验技术均可对缺陷实施有效检验，对于奥氏体不锈钢管道对接焊缝，为了保证检验技术的一致性和连贯性，后续大修时，对于役前/在役检查期间有记录显示的管道焊缝，仍然采用原检验技术实施；对于其他焊缝，可根据机组安装特点、现场焊缝结构、可达性、辐射防护最优化原则、工作场地等特点，可采用上述两种检验技术中的任意一种实施。

6 结语

针对存在缺陷的奥氏体不锈钢管道焊缝，常规自动超声检验和手动相控阵超声检验两种超声检验技术均能对预埋缺陷有效检出；

两种检验技术的检验结果基本一致，上述两种检验技术均可作为奥氏体不锈钢管道焊缝的有效检验手段；

对于役前/在役检查期间有记录显示的管道焊缝，采用原检验技术实施；对于其他焊缝，可选择上述两种检验技术中的任意一种实施。