中国核工业二四建设有限公司
摘要： 通过对双相不锈钢焊缝组织特性的分析，以及对模拟件的检测试验得到了一种有效的超声波检测双相不锈钢焊缝中缺陷的定位定量方法。该方法显著提高了不锈钢检测的灵敏度，在一定程度上解决了不锈钢晶粒粗大，各向异性造成的超声波衰减大、定位不准等检测难度大的问题。
关键词： 超声波检测 不锈钢塔架 纵波斜探头
某核电站为第三代先进压水堆，世界上首次建造的新堆型，设计使用寿命长达60年，建造时使用了新的建造模式——模块化建设的理念。本文所述需超声波检测的不锈钢塔架IRWST作为其中最大的双相不锈钢承重支架，成塔式结构，总重量约46t，由4 根立柱，16 支横支撑，32 支斜支撑，柱顶板，柱底板，加劲板，节点板等不锈钢材料组成。其结构如图1所示。TRWST 塔柱位于核岛反应堆厂房，TRWST 塔柱的四根立柱分别位于房间的不锈钢预埋件上，柱底板的四周与不锈钢预埋件焊接。塔架的长时间承重受压及与放射性接触，处于辐射、腐蚀环境中，使其模块焊接制作及检验尤为重要。但因为不锈钢的组织特性，导致了一般的超声波检测方法难以检测。本文对纵波斜探头检测进行了试验分析，并很好的解决了不锈钢塔架焊缝的超声波检测。
图1 不锈钢塔架
1.双相不锈钢焊接接头特性
不锈钢塔架立柱为钢板组焊接立柱，材质为A240S32101双相不锈钢，厚度38.1mm，共四根，尺寸偏差不超过正负1.6mm。为保证制作精度，立柱采用对称分段跳焊，焊接时应在立柱内部加设临时工艺隔板，工艺隔板尺寸应比立柱内径小1-2mm，然后再用楔铁调整至立柱内径尺寸，焊接过程中应时刻观测变形量及工艺隔板加固情况。考虑到焊接量较大，为保证最终焊缝焊接质量一次超声波检测合格率，在焊接时采取过程中着色渗透检测检查焊缝，从打底、层间、盖面阶段分批进行检测，以保证焊接质量。双相不锈钢焊接时主要问题不在焊缝，而在热影响区，因为在焊接热循环作用下，热影响区处于快冷非平衡态，冷却后总是保留更多的铁素体，从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹（脆化）的敏感性，焊接接头易形成氢脆、氢致裂纹、应力腐蚀开裂和点蚀。
焊接时应要填充焊道的电弧能量不得高于打底时的能量。最外层焊缝的热影响区因缺少外层焊缝的热处理作用，难以达到平衡的双相组织，因而在制定焊接工艺时尽可能使最后一道焊缝位于非工作介质面上。环缝引弧应在焊道内进行，纵焊缝引弧和收弧均必须在引弧板和熄弧板上进行。避免过多的焊条横向摆动和过宽的熔池，以避免过大的电流和较高的残余应力。手工电弧焊焊完之后，要等焊缝冷却下来之后再敲掉药皮，让焊缝在药皮的保护下冷却下来，防止氧化。在使用焊条电弧焊时，应按照合适的长度和间隔进行定位焊。根部焊道不应从定位焊起焊。为了避免由于定位焊点导致根部焊道出现裂纹，焊工应在定位焊点前中断根部焊，在完全打磨掉该定位焊点后，继续根部焊。
2.焊缝组织对超声波的影响
双相不锈钢焊缝在高温下为高温铁素体相，当冷却到双相区时开始析出针状奥氏体相，由于奥氏体相的析出是属于扩散控制变化，因此在相变时必须要有足够的时间才能发生相变。在焊接过程中受焊接热循环峰值温度的影响，双相不锈钢焊缝及热影响区各区域晶粒尺寸大小不一，导致组织性能有很大差异，故对其焊缝的超声波检测与碳素钢焊缝有所不同，碳素钢焊缝为等轴晶，晶粒组织为100μm级，对于一般用于检测的超声波来说是均匀的、各向同性的，且晶粒对声波散射很低，超声波检测结果很好；而不锈钢焊缝组织对于超声波来说是非均匀的、各向异性的，晶粒尺寸大于超声波的波长。从散射角度来讲，波的散射取决于波长与散射体大小的比值及散射体对于声波的各向异性。所以用超声波检测双相不锈钢焊缝时具有很大难度。
3.超声波探头的选择
超声波在介质中传播时，遇到声阻抗不同的界面会产生散乱反射现象，称为散射。散射与材料的晶粒密切相关，当晶粒粗大时，散射严重，使得穿透声束减弱，而被散射超声波则沿复杂路径返回到探头，在显示器上引起草状回波，使信噪比下降，严重时噪声会淹没缺陷波。散射衰减方程如下：
α=cFd3f4 （d＜λ）
式中： f-声波频率
d-介质晶粒直径
λ-波长
F-各向异性系数
c-常数
由式中可知，在检测过程中，当晶粒粗大时，若采用较高频率，将会引起严重衰减，超声波穿透能力显著下降，而信噪比也由于散射的增强而明显下降。另外，同样的材料对不同类型声波的散射，也存在明显的差异。在同频率下横波的散射比是纵波散射比的24倍，同波长时，横波的散射比是纵波散射比的7倍。因此可以看出纵波的散射比小于横波。为了减少散射，增加信噪比，一般选用较低频率、窄脉冲纵波斜探头。在运用纵波斜探头检测时应注意，纵波探头中伴随的横波，容易影响检测结果。
4.标准试块及参考试块的选择与制作
4.1 标准试块
标准试块选用CSK-1A试块，形状和尺寸如图2所示：
图2 CSK-1A试块
4.2 人工反射体试块
人工反射体试块的材料应与被检材料相同，形状和尺寸如图3所示：
图3 人工反射体试块
试块形状为平行六面体，试块中的参考反射体为φ1.5横孔，相邻孔距为12.7mm。考虑不锈钢塔架板厚为38.1mm，对比试块中横孔深度应覆盖38.1mm。
4.3 参考试块
参考试块的材料应与被检材料相同，所采用焊接工艺与被检测对象焊接工艺一致，试块加工前应对焊缝进行检测，不应存在裂纹等条状缺陷及大于等于φ1mm的点状缺陷。焊缝检验合格后，在焊缝根部及表面各钻一φ1.5横孔，孔深20mm。按下述5、6、7节所述方式对参考试块进行扫查，以确定横孔①、②所对应显示波高及位置，排除其余杂波显示。参考试块形状如图4所示：
图4 参考试块
5.仪器的调节
5.1 扫描比例
按声程距离调节探伤仪时基线比例：不锈钢塔架柱身板厚为38.1mm，在满足第3节所述要求下，为保证充分检测，我们选用2.5MHzK1及2.5MHzK3纵波斜探头，用纵波斜探头在标准试块上利用R100和R50mm两回波调节扫描比例。
5.2 距离-波幅曲线
距离-波幅曲线由选定的探头、仪器组合在对比试块上不同深度横孔实测数据绘制，如图5所示：
图5 DAC曲线的绘制
6.扫查面的选择
不锈钢塔架立柱焊缝为角焊缝，由翼板和腹板焊接而成，坡口开在腹板上，为单边V型坡口，如图6：
图6 扫查面示意图
考虑到不锈钢衰减较大，采用斜探头在腹板两侧利用探头的一次波进行检测，也可采用探头在翼板外侧一次波检测，比较而言，外侧一次波探测灵敏度高，定位方便，不但可以检测纵向缺陷，还可以检测横向缺陷。但其不足之处在于外侧检测时焊缝表面回波较多，检测效率较慢。
7.指示的评定
7.1 高度 不连续性高度的测量
通过不断调整探头，将指示高度最大化，使之与下图7（A）中的值一致，并调整至全屏波高的80%，朝着焊缝方向，不断调整探头直到指示高度开始快速下降并不断靠近基线。找准高度并在与显示器水平基线数值范围内相联系的图7（B）中的高度上标识出左翼的位置。再朝着远离焊缝的方向调整探头，直到指示高度开始快速下降并不断靠近基线，找准高度并在与显示器水平基线数值范围内相联系的图7（C）中的高度上标识出左翼的位置。
图7 不连续性高度的测量
7.2 长度 测量不连续性的长度
通过变换探头来测量与下图8（A）一致的平面和最大的指示方向，以定位不连续性的方向。当在显示屏上一直出现可视标示时，需将探头移到间断面的末端，直到标记完全下降至基线处。根据末尾图8（B）所示，当指示高度达到原始最大高度的50%时，将探头向后移向间断面。并在扫面面的不连续性的末端做标记。重复以上步骤，根据图8（C），定位不连续性的另一末端。
图8 不连续性长度的测量
8.结论
用该方法检验不锈钢塔架焊缝，相对而言具有灵敏度高、分辨力高、信噪比大、衰减小、定位准确等优点。在一定程度上解决了不锈钢晶粒粗大，各向异性造成的超声波衰减大、定位不准等检测难度大的问题。
参考文献：
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论文作者:柯达
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/17
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