浅谈核设备缺陷自身高度超声波测量技术

浅谈核设备缺陷自身高度超声波测量技术摘要超声检测是核电站设备常用的一种体积检验方法，在核设备各个阶段都有广泛地应用。超声检测在保证核设备的安全运行方面起着不可替代的作用。而在核设备的超声检测技术中，根据目前国内外经验，目前普遍认为缺陷的自身高度测量技术也是属于较难的课题。本文重点叙述了核容器设备和管道焊缝缺陷自身高度超声波测量技术的试验研究和测量方法，对提高在用核设备超声检测技术的可靠性和有效性有一定的适用价值。关键词超声检测，缺陷自身高度，尖端衍射1.前言超声检测是核电站设备最常用的一种体积检验方法，核原材料检测、制造过程中的检测、安装过程中的检测、役前检查和在役检查都离不开超声检测。由于超声检测能测量缺陷的长度和壁厚方向的自身高度，在含缺陷部件的安全评定时，是一种较好的无损检测手段。超声检测技术在核设备的在役检查中应用较广泛，例如在ASME标准中，轻水堆核电站要求进行超声检测的焊缝或部位有：一级部件包括反应堆压力容器承压焊缝；其他容器承压焊缝；容器上接管的全焊透焊缝；承压容器接管的异种金属焊缝；直径大于2in.(50.8mm)的承压螺栓件；管道的承压焊缝；泵壳的承压焊缝；阀体的承压焊缝。二级部件包括：压力容器上的承压焊缝；容器上的承压接管焊缝；直径≥2in.（51mm）的承压螺栓件；奥氏体不锈钢或高合金钢管道上的承压焊缝（环焊缝）；碳钢或低合金钢管道上的承压焊缝。超声检测在保证核设备的安全运行方面起着不可替代的作用。而在核设备的超声检测技术中，根据目前国内外经验，普遍认为缺陷的自身高度测量技术也是属于较难的课题。在多年的无损检测工作工程实践和应用研究中，本文进行了针对性的技术探讨。缺陷自身高度测量大体可分为，容器设备焊缝缺陷自身高度测量和管道焊缝缺陷自身高度测量技术。在ASME和RSEM标准以及国内的JB/T4730-2005标准中，都明确提出了在用设备的超声检测均需要进行缺陷自身高度的测量，为了满足标准的要求，需要作大量的研究工作。在进行缺陷验收和缺陷评定时，要求必须给出缺陷沿壁厚方向的自身高度值，因此必须通过试验研究确定有效的缺陷自身高度测量技术。2.容器设备焊缝缺陷自身高度测量从目前国内外的经验来看，尖端衍射信号测量法，是目前设备焊缝比较通用而有效的一种缺陷自身高度的测量方法。尖端衍射信号：根据惠更斯原理，超声波入射到缺陷（如裂纹）上时，在裂纹上下尖端会形成次波源而产生衍射（称为衍射波）。端点衍射波测量法是通过测量裂纹端点衍射回波的传播时间差值来求得裂纹自身高度的。具体方法为，从焊缝两侧，分别探测缺陷的上端点和下端点衍射信号（有时也可用上下端点的反射信号进行测量，本文重点讨论尖端衍射信号测量技术），和/或角反射信号：a)对于较近表面位置的缺陷，主要用60°横波探头进行缺陷自身高度测量，用45°横波探头进行核实。b)对于较远区域位置的缺陷，主要用45°横波探头进行缺陷自身高度测量，用60°横波探头进行核实。尖端衍射信号测量技术可以用来测量深埋和表面缺陷的自身高度。用合适的探头，探测到缺陷的尖端衍射信号，调整增益，使信号幅度至50%~70%。扫查探头找到上端点衍射信号（M1），记录探头位置和声程/或深度，移动探头，找到下端点衍射信号（M2）的最大回波，记录探头位置和声程/或深度。对于表面缺陷，可以探测角反射信号（C1）和缺陷的尖端衍射信号。①深埋缺陷的高度测量对于深埋缺陷见图2-1：图2-1深埋缺陷探测示意图－记录声程：缺陷自身高度=(M2-M1)xCosθ－记录深度：缺陷自身高度=(D2-D1)②表面开口缺陷的高度测量对于表面缺陷，如图2-2：图2-2表面缺陷探测示意图M2M1(D2)(D1)M2M1(D2)(D1)C1－记录声程：缺陷自身高度=[(M2-M1)xCosθ]/2=(M2-C1)xCosθ=(C1-M1)xCosθ－记录深度：缺陷自身高度=(D2-D1)/2=(D2-C1)=(C1-D1)3.管道焊缝缺陷自身高度测量技术根据ASME标准的要求，管道焊缝的检测区域为内壁1/3壁厚的区域，在用设备的超声波检测主要考虑检测从内壁萌生的裂纹，针对这种情况，具体缺陷自身高度测量技术有别于设备焊缝的缺陷自身高度的测量技术。目前通过试验研究，比较适合于管道焊缝缺陷自身高度的测量技术主要有：绝对传播时间尖端衍射技术、相对传播时间尖端衍射技术和波型转换技术等。探头波型选择：主要使用横波，纵波或波型转换，包括探头在外表面形成爬波。探头角度：横波探头，角度为45°~70°之间；纵波探头，角度为45°~70°之间，大角度探头可以形成外表面爬波或30/70/70波型转换方式。①绝对传播时间技术如果能发现缺陷的尖端衍射信号，那么就可直接知道缺陷的尖端信号的深度，就可用壁厚直接减去尖端衍射信号的深度，计算缺陷的自身高度，见图3-1。此技术适合于常规的45°~70°，横波或纵波斜探头检测。应该还要用大角度外侧表面爬波探头进行核实。图3-1(a)绝对传播时间测量位置1：缺陷根部反射信号位置2：探头往前移动时，缺陷面和尖端信号位置1HRLT位置2图3-1(b)绝对传播时间测量技术示意图②相对传播时间技术如果能探测到缺陷的内侧端角反射信号和缺陷尖端衍射信号，可以用端角反射信号和尖端衍射信号的深度差，计算出缺陷的自身高度。通常此技术适合于45°~60°的常规横波或纵波探头，对较浅的缺陷效果更好。见图3-2。图3-2相对传播时间测量技术示意图步骤：1.同时观察到根部反射和尖端衍射信号，见图3-3；2.测量两个信号的声程差或深度差；－如果标定时，按声程标定，缺陷自身高度按公式A计算；－如果标定时，按深度标定，缺陷自身高度按公式B计算。公式AH=M/COS公式BH=dH=缺陷自身高度图3-3根部反射和尖端衍射信号=探头折射角M=根部信号和尖端衍射信号的声程差d=根部信号和尖端衍射信号的深度差③波型转换技术波型转换技术的探头为大角度（大于或等于60°）纵波探头，缺陷自身高度的确定可以根据缺陷尖端衍射信号（绝对传播时间技术）或根据包括波型转换在内的其他回波信号的综合判断。根部反射缺陷尖端多种回波信号主要包括：直接缺陷本身回波或尖端衍射波；如果缺陷高度大于6mm，波型转后在缺陷面的反射回波信号（通常的30/70/70），探头本身的35°横波，通过底面转换为发射70°纵波，在从缺陷面反射，被探头接受；内表面的爬波形成的回波。见图3-5。图3-4(a)波型转换测量技术示意图30/70/70波型转换原理如下图：图3-4(b)波型转换测量技术示意图波型转换测量技术的探头主要形式有：较小缺陷较强的内表面爬波信号较弱的缺陷面的波型转换反射信号无直接纵波尖端衍射信号较大缺陷较强的内表面爬波信号较强的缺陷面的波型转换反射信号(30/70/70)较强的直接纵波尖端衍射信号ID爬波70°纵波外表面爬波~35°横波~31°非直接横波70°纵波左右分布的标准双晶纵波斜探头，主要可优化直接纵波；前后分布的标准双晶纵波探头，主要可优化波型转换波；单晶纵波探头（WSY70）,主要可优化内表面爬波。小结：不是仅用一种测量技术就能很有效地对缺陷高度进行准确的测量，应该使用多种探头对缺陷进行自身高度测量，综合分析判断。主要步骤如下：用较小角度（45-60）探头，尽量探测缺陷的内表面角反射信号，利用这个信号回波可以粗略测量壁厚；沿缺陷长度方向扫查，观察缺陷的特征，注意缺陷反射回波方向和位置，是否有分支等；扫查探头，探测角反射信号。继续往前扫查探头直到探测到缺陷的尖端衍射信号；换用较大角度探头（60°-70°和外表面爬波）；所有缺陷自身高度都需要用另一种探头或反方向扫查确认，假如不能确认，测量技术应该要进行改进，如：换小探头，改变频率和焦距等。4.试验研究4.1试验方法使用仪器设备：CTS-2000数字超声仪和TOMOSCAN-III多通道超声检测仪探头：45°和60°横波斜探头耦合剂：CG-88试块：（1）在试块表面加工一定深度的EDM槽，材料为碳钢，槽宽0.2mm；（2）在试块内部加工一定自身高度的人工裂纹，材料为碳钢；（3）在试块上加工一定深度的疲劳裂纹，材料为碳钢，并在此表面上堆焊6mm左右的不锈堆焊层。试验方法的基本要求：CTS-2000数字超声仪配合探头在分别试块的两个探测面（裂纹开口侧和裂纹背面侧），或深埋缺陷的任意侧进行扫查；TOMOSCAN-III多通道超声检测仪配合探头在试块的探测面进行自动扫查。①从裂纹背面侧进行扫查从裂纹背面侧进行检测时，就会出现缺陷端点衍射信号和缺陷根部形成的角反射两个信号，端点衍射信号的声程为M1，根部反射信号声程为M2。见图4-1。缺陷高度公式cos1cos2MMH或cos1MTH（T为试块厚度）图4-1表面开口缺陷自身高度衍射波测量法②从裂纹开口侧进行扫查对于如图4-2的表面开口裂纹检测，从裂纹开口侧进行扫查：图4-2表面开口缺陷自身高度衍射波测量法如果用横波探头从裂纹开口侧检测时，会出现缺陷端点衍射信号（其声程为M1），以及如果入射波为横波，在端点处经波型转换成纵波（L），再在底面反射并沿原路返回探头的回波(其声程为M2)。见图4-2,有两种方式计算出缺陷的自身高度，也就是说可以两种方式可以互相核实。a.直接根据端点衍射信号声程计算自身高度H：cos1MHb.根据衍射波声程和波型转换回波声程计算自身高度H：SLCCMMTH12CL为纵波声速；CS为横波声速，T为壁厚。③深埋缺陷的高度测量采用横波斜探头从试块一侧进行扫查，分别探测缺陷的上下端点衍射信号，并记录上下端点的信号回波波形图，记录信号的深度值。其中试块三个试块分别预制了一个深埋的人工裂纹缺陷，试块示意图见图4-3（H为预制裂纹高度）。HH10030200H10图4-3深埋缺陷试块示意图④堆焊层下缺陷高度测量如果从堆焊层侧检测堆焊层下缺陷，考虑到不锈钢堆焊层对超声波传播的影响，采用纵波双晶探头对堆焊层下裂纹高度测量有较好的效果。例如，一块试块在碳钢上堆焊有6mm左右的不锈钢堆焊层见图4-4，并加工有两个高度分别为6mm和8mm的疲劳裂纹。用Tomoscan-III多通道超声波探伤仪，配上纵波双晶斜探头在堆焊层表面上进行扫查，记录B-扫显示，并分析信号特征，测量裂纹的自身高度。C2#高度6mmC1#高度8mm碳钢6不锈钢堆焊层图4-4堆焊层下缺陷试块图4.2试验结果（1）表面开口裂纹自身高度测量结果见表4-1注：试块图同图4-1，试块TD009线槽d＝5mm；TD007线槽d＝15mm；TD008线槽d＝25mm（线槽宽度为0.2mm）；下表中S代表横波，L代表纵波。表4-1缺陷自身高度测量试验结果编号试块探头仪器探测面波型缺陷自身高度(mm)实际高度（mm）误差(mm)说明备注1TD0092MHz/45°/SCTS-2000裂纹背面侧S4.8450.16波形见图4-522MHz/45°/STOMOSCAN裂纹背面侧S4.750.3波形见图4-632MHz/45°/SCTS-2000裂纹开口侧S5.0850.084TD0072MHz/45°/SCTS-2000裂纹背面侧S14.44150.5652MHz/45°/SCTS-2000裂纹开口侧S15.52150.52S/L转换S/L14.920.0862MHz/45°/STOMOSCAN裂纹开口侧S14.9150.1S/L转换S/L15.90.972MHz/60°/SCTS-2000裂纹背面侧S15.70150.7084MHz/45°/SCTS-2000裂纹开口侧S15.20150.20波形见图4-7S/L14.900.10S/L转换9TD0084MHz/45°/SCTS-2000裂纹背面侧S25.70250.70104MHz/45°/SCTS-2000裂纹开口侧S25.35250.35112MHz/60°/SCTS-2000裂纹开口侧S25.11250.11122MHz/45°/SCTS-2000裂纹开口侧S24.55250.45132MHz/45°/S