淺談核設(shè)備缺陷自身高度超聲波測(cè)量技術(shù)VIP

1、淺談核設(shè)備缺陷自身高度超聲波測(cè)量技術(shù)摘 要 超聲檢測(cè)是核電站設(shè)備常用的一種體積檢驗(yàn)方法，在核設(shè)備各個(gè)階段都有廣泛地應(yīng)用。超聲檢測(cè)在保證核設(shè)備的安全運(yùn)行方面起著不可替代的作用。而在核設(shè)備的超聲檢測(cè)技術(shù)中，根據(jù)目前國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，目前普遍認(rèn)為缺陷的自身高度測(cè)量技術(shù)也是屬于較難的課題。本文重點(diǎn)敘述了核容器設(shè)備和管道焊縫缺陷自身高度超聲波測(cè)量技術(shù)的試驗(yàn)研究和測(cè)量方法，對(duì)提高在用核設(shè)備超聲檢測(cè)技術(shù)的可靠性和有效性有一定的適用價(jià)值。關(guān)鍵詞 超聲檢測(cè)，缺陷自身高度，尖端衍射1. 前言超聲檢測(cè)是核電站設(shè)備最常用的一種體積檢驗(yàn)方法，核原材料檢測(cè)、制造過程中的檢測(cè)、安裝過程中的檢測(cè)、役前檢查和在役檢查都離不開超聲檢測(cè)

2、。由于超聲檢測(cè)能測(cè)量缺陷的長度和壁厚方向的自身高度，在含缺陷部件的安全評(píng)定時(shí)，是一種較好的無損檢測(cè)手段。超聲檢測(cè)技術(shù)在核設(shè)備的在役檢查中應(yīng)用較廣泛，例如在ASME標(biāo)準(zhǔn)中，輕水堆核電站要求進(jìn)行超聲檢測(cè)的焊縫或部位有：一級(jí)部件包括反應(yīng)堆壓力容器承壓焊縫；其他容器承壓焊縫；容器上接管的全焊透焊縫；承壓容器接管的異種金屬焊縫；直徑大于2in.(50.8mm)的承壓螺栓件；管道的承壓焊縫；泵殼的承壓焊縫；閥體的承壓焊縫。二級(jí)部件包括：壓力容器上的承壓焊縫；容器上的承壓接管焊縫；直徑2in.（51mm）的承壓螺栓件；奧氏體不銹鋼或高合金鋼管道上的承壓焊縫（環(huán)焊縫）；碳鋼或低合金鋼管道上的承壓焊縫。超聲檢測(cè)

3、在保證核設(shè)備的安全運(yùn)行方面起著不可替代的作用。而在核設(shè)備的超聲檢測(cè)技術(shù)中，根據(jù)目前國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，普遍認(rèn)為缺陷的自身高度測(cè)量技術(shù)也是屬于較難的課題。在多年的無損檢測(cè)工作工程實(shí)踐和應(yīng)用研究中，本文進(jìn)行了針對(duì)性的技術(shù)探討。缺陷自身高度測(cè)量大體可分為，容器設(shè)備焊縫缺陷自身高度測(cè)量和管道焊縫缺陷自身高度測(cè)量技術(shù)。在ASME和RSEM標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)的JB/T 4730-2005標(biāo)準(zhǔn)中，都明確提出了在用設(shè)備的超聲檢測(cè)均需要進(jìn)行缺陷自身高度的測(cè)量，為了滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要作大量的研究工作。在進(jìn)行缺陷驗(yàn)收和缺陷評(píng)定時(shí)，要求必須給出缺陷沿壁厚方向的自身高度值，因此必須通過試驗(yàn)研究確定有效的缺陷自身高度測(cè)量技術(shù)。2.

4、容器設(shè)備焊縫缺陷自身高度測(cè)量從目前國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)來看，尖端衍射信號(hào)測(cè)量法，是目前設(shè)備焊縫比較通用而有效的一種缺陷自身高度的測(cè)量方法。尖端衍射信號(hào)：根據(jù)惠更斯原理，超聲波入射到缺陷（如裂紋）上時(shí)，在裂紋上下尖端會(huì)形成次波源而產(chǎn)生衍射（稱為衍射波）。端點(diǎn)衍射波測(cè)量法是通過測(cè)量裂紋端點(diǎn)衍射回波的傳播時(shí)間差值來求得裂紋自身高度的。具體方法為，從焊縫兩側(cè)，分別探測(cè)缺陷的上端點(diǎn)和下端點(diǎn)衍射信號(hào)（有時(shí)也可用上下端點(diǎn)的反射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，本文重點(diǎn)討論尖端衍射信號(hào)測(cè)量技術(shù)），和/或角反射信號(hào)：a) 對(duì)于較近表面位置的缺陷，主要用60°橫波探頭進(jìn)行缺陷自身高度測(cè)量，用45°橫波探頭進(jìn)行核實(shí)。b)

5、對(duì)于較遠(yuǎn)區(qū)域位置的缺陷，主要用45°橫波探頭進(jìn)行缺陷自身高度測(cè)量，用60°橫波探頭進(jìn)行核實(shí)。尖端衍射信號(hào)測(cè)量技術(shù)可以用來測(cè)量深埋和表面缺陷的自身高度。用合適的探頭，探測(cè)到缺陷的尖端衍射信號(hào)，調(diào)整增益，使信號(hào)幅度至50%70% 。掃查探頭找到上端點(diǎn)衍射信號(hào)（M1），記錄探頭位置和聲程/或深度，移動(dòng)探頭，找到下端點(diǎn)衍射信號(hào)（M2）的最大回波，記錄探頭位置和聲程/或深度。對(duì)于表面缺陷，可以探測(cè)角反射信號(hào)（C1）和缺陷的尖端衍射信號(hào)。 深埋缺陷的高度測(cè)量對(duì)于深埋缺陷見圖2-1：M2 M1(D2) (D1)圖2-1 深埋缺陷探測(cè)示意圖 記錄聲程：缺陷自身高度 = (M2 - M1)

6、x Cos 記錄深度：缺陷自身高度 = (D2 - D1) 表面開口缺陷的高度測(cè)量對(duì)于表面缺陷，如圖2-2：M2 M1(D2) (D1)C1圖2-2 表面缺陷探測(cè)示意圖 記錄聲程：缺陷自身高度 = (M2 - M1) x Cos /2= (M2 - C1) x Cos= (C1 - M1) x Cos 記錄深度：缺陷自身高度 = (D2 - D1) / 2= (D2 - C1)= (C1 - D1)3. 管道焊縫缺陷自身高度測(cè)量技術(shù)根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求，管道焊縫的檢測(cè)區(qū)域?yàn)閮?nèi)壁1/3壁厚的區(qū)域，在用設(shè)備的超聲波檢測(cè)主要考慮檢測(cè)從內(nèi)壁萌生的裂紋，針對(duì)這種情況，具體缺陷自身高度測(cè)量技術(shù)有別于設(shè)備

7、焊縫的缺陷自身高度的測(cè)量技術(shù)。目前通過試驗(yàn)研究，比較適合于管道焊縫缺陷自身高度的測(cè)量技術(shù)主要有：絕對(duì)傳播時(shí)間尖端衍射技術(shù)、相對(duì)傳播時(shí)間尖端衍射技術(shù)和波型轉(zhuǎn)換技術(shù)等。探頭波型選擇：主要使用橫波，縱波或波型轉(zhuǎn)換，包括探頭在外表面形成爬波。探頭角度：橫波探頭，角度為45° 70°之間；縱波探頭，角度為45° 70°之間，大角度探頭可以形成外表面爬波或30/70/70波型轉(zhuǎn)換方式。 絕對(duì)傳播時(shí)間技術(shù)如果能發(fā)現(xiàn)缺陷的尖端衍射信號(hào)，那么就可直接知道缺陷的尖端信號(hào)的深度，就可用壁厚直接減去尖端衍射信號(hào)的深度，計(jì)算缺陷的自身高度，見圖3-1。此技術(shù)適合于常規(guī)的45

8、76; 70°，橫波或縱波斜探頭檢測(cè)。應(yīng)該還要用大角度外側(cè)表面爬波探頭進(jìn)行核實(shí)。位置 1 HRLT位置 2圖3-1(a) 絕對(duì)傳播時(shí)間測(cè)量位置1：缺陷根部反射信號(hào)位置2：探頭往前移動(dòng)時(shí)，缺陷面和尖端信號(hào)圖3-1(b) 絕對(duì)傳播時(shí)間測(cè)量技術(shù)示意圖 相對(duì)傳播時(shí)間技術(shù)如果能探測(cè)到缺陷的內(nèi)側(cè)端角反射信號(hào)和缺陷尖端衍射信號(hào)，可以用端角反射信號(hào)和尖端衍射信號(hào)的深度差，計(jì)算出缺陷的自身高度。通常此技術(shù)適合于45° 60°的常規(guī)橫波或縱波探頭，對(duì)較淺的缺陷效果更好。見圖3-2。根部反射缺陷尖端圖3-2 相對(duì)傳播時(shí)間測(cè)量技術(shù)示意圖步驟：1. 同時(shí)觀察到根部反射和尖端衍射信號(hào)，見圖3

9、-3；2. 測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的聲程差或深度差； 如果標(biāo)定時(shí)，按聲程標(biāo)定，缺陷自身高度按公式A計(jì)算； 如果標(biāo)定時(shí)，按深度標(biāo)定，缺陷自身高度按公式B計(jì)算。公式 AH = DM / COSq公式B H = DdH = 缺陷自身高度 圖3-3 根部反射和尖端衍射信號(hào)q = 探頭折射角DM= 根部信號(hào)和尖端衍射信號(hào)的聲程差Dd= 根部信號(hào)和尖端衍射信號(hào)的深度差 波型轉(zhuǎn)換技術(shù)波型轉(zhuǎn)換技術(shù)的探頭為大角度（大于或等于60°）縱波探頭，缺陷自身高度的確定可以根據(jù)缺陷尖端衍射信號(hào)（絕對(duì)傳播時(shí)間技術(shù)）或根據(jù)包括波型轉(zhuǎn)換在內(nèi)的其他回波信號(hào)的綜合判斷。多種回波信號(hào)主要包括：直接缺陷本身回波或尖端衍射波；如果缺陷高

10、度大于6mm，波型轉(zhuǎn)后在缺陷面的反射回波信號(hào)（通常的30/70/70），探頭本身的35°橫波，通過底面轉(zhuǎn)換為發(fā)射70°縱波，在從缺陷面反射，被探頭接受；內(nèi)表面的爬波形成的回波。見圖3-5。ID 爬波70° 縱波外表面爬波35° 橫波31°非直接橫波70° 縱波圖3-4(a) 波型轉(zhuǎn)換測(cè)量技術(shù)示意圖較大缺陷· 較強(qiáng)的內(nèi)表面爬波信號(hào)· 較強(qiáng)的缺陷面的波型轉(zhuǎn)換反射信號(hào)(30/70/70)· 較強(qiáng)的直接縱波尖端衍射信號(hào)較小缺陷· 較強(qiáng)的內(nèi)表面爬波信號(hào)· 較弱的缺陷面的波型轉(zhuǎn)換反射信號(hào)·

11、; 無直接縱波尖端衍射信號(hào)30/70/70波型轉(zhuǎn)換原理如下圖：圖3-4(b) 波型轉(zhuǎn)換測(cè)量技術(shù)示意圖波型轉(zhuǎn)換測(cè)量技術(shù)的探頭主要形式有：Ø 左右分布的標(biāo)準(zhǔn)雙晶縱波斜探頭，主要可優(yōu)化直接縱波；Ø 前后分布的標(biāo)準(zhǔn)雙晶縱波探頭，主要可優(yōu)化波型轉(zhuǎn)換波；Ø 單晶縱波探頭（WSY 70）,主要可優(yōu)化內(nèi)表面爬波。小結(jié)：不是僅用一種測(cè)量技術(shù)就能很有效地對(duì)缺陷高度進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，應(yīng)該使用多種探頭對(duì)缺陷進(jìn)行自身高度測(cè)量，綜合分析判斷。主要步驟如下：Ø 用較小角度（45°- 60°）探頭，盡量探測(cè)缺陷的內(nèi)表面角反射信號(hào)，利用這個(gè)信號(hào)回波可以粗略測(cè)量壁厚；&#

12、216; 沿缺陷長度方向掃查，觀察缺陷的特征，注意缺陷反射回波方向和位置，是否有分支等；Ø 掃查探頭，探測(cè)角反射信號(hào)。繼續(xù)往前掃查探頭直到探測(cè)到缺陷的尖端衍射信號(hào)；Ø 換用較大角度探頭（60° - 70° 和外表面爬波）；Ø 所有缺陷自身高度都需要用另一種探頭或反方向掃查確認(rèn)，假如不能確認(rèn)，測(cè)量技術(shù)應(yīng)該要進(jìn)行改進(jìn)，如：換小探頭，改變頻率和焦距等。4. 試驗(yàn)研究4.1 試驗(yàn)方法使用儀器設(shè)備： CTS-2000數(shù)字超聲儀和TOMOSCAN-III 多通道超聲檢測(cè)儀探頭：45°和60°橫波斜探頭耦合劑：CG-88試塊：（1）在試塊

13、表面加工一定深度的EDM槽，材料為碳鋼，槽寬0.2mm；（2）在試塊內(nèi)部加工一定自身高度的人工裂紋，材料為碳鋼；（3）在試塊上加工一定深度的疲勞裂紋，材料為碳鋼，并在此表面上堆焊6mm左右的不銹堆焊層。試驗(yàn)方法的基本要求：CTS-2000數(shù)字超聲儀配合探頭在分別試塊的兩個(gè)探測(cè)面（裂紋開口側(cè)和裂紋背面?zhèn)龋?，或深埋缺陷的任意?cè)進(jìn)行掃查；TOMOSCAN-III 多通道超聲檢測(cè)儀配合探頭在試塊的探測(cè)面進(jìn)行自動(dòng)掃查。 從裂紋背面?zhèn)冗M(jìn)行掃查從裂紋背面?zhèn)冗M(jìn)行檢測(cè)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)缺陷端點(diǎn)衍射信號(hào)和缺陷根部形成的角反射兩個(gè)信號(hào)，端點(diǎn)衍射信號(hào)的聲程為M1，根部反射信號(hào)聲程為M2。見圖4-1。缺陷高度公式 或 （T為

14、試塊厚度）H圖4-1表面開口缺陷自身高度衍射波測(cè)量法 從裂紋開口側(cè)進(jìn)行掃查對(duì)于如圖4-2的表面開口裂紋檢測(cè)，從裂紋開口側(cè)進(jìn)行掃查：H圖4-2表面開口缺陷自身高度衍射波測(cè)量法如果用橫波探頭從裂紋開口側(cè)檢測(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)缺陷端點(diǎn)衍射信號(hào)（其聲程為M1），以及如果入射波為橫波，在端點(diǎn)處經(jīng)波型轉(zhuǎn)換成縱波（L），再在底面反射并沿原路返回探頭的回波(其聲程為M2)。見圖4-2, 有兩種方式計(jì)算出缺陷的自身高度，也就是說可以兩種方式可以互相核實(shí)。a. 直接根據(jù)端點(diǎn)衍射信號(hào)聲程計(jì)算自身高度H：b. 根據(jù)衍射波聲程和波型轉(zhuǎn)換回波聲程計(jì)算自身高度H：CL為縱波聲速；CS為橫波聲速，T為壁厚。 深埋缺陷的高度測(cè)量采用橫

15、波斜探頭從試塊一側(cè)進(jìn)行掃查，分別探測(cè)缺陷的上下端點(diǎn)衍射信號(hào)，并記錄上下端點(diǎn)的信號(hào)回波波形圖，記錄信號(hào)的深度值。其中試塊三個(gè)試塊分別預(yù)制了一個(gè)深埋的人工裂紋缺陷，試塊示意圖見圖4-3（H為預(yù)制裂紋高度）。圖4-3 深埋缺陷試塊示意圖 堆焊層下缺陷高度測(cè)量如果從堆焊層側(cè)檢測(cè)堆焊層下缺陷，考慮到不銹鋼堆焊層對(duì)超聲波傳播的影響，采用縱波雙晶探頭對(duì)堆焊層下裂紋高度測(cè)量有較好的效果。例如，一塊試塊在碳鋼上堆焊有6mm左右的不銹鋼堆焊層見圖4-4，并加工有兩個(gè)高度分別為6mm和8mm的疲勞裂紋。用Tomoscan-III多通道超聲波探傷儀，配上縱波雙晶斜探頭在堆焊層表面上進(jìn)行掃查，記錄B-掃顯示，并分析信號(hào)

16、特征，測(cè)量裂紋的自身高度。圖4-4 堆焊層下缺陷試塊圖4.2 試驗(yàn)結(jié)果（1） 表面開口裂紋自身高度測(cè)量結(jié)果見表4-1注：試塊圖同圖4-1，試塊TD009線槽d5mm；TD007線槽d15mm；TD008線槽d25mm （線槽寬度為0.2mm）；下表中S代表橫波，L代表縱波。表4-1 缺陷自身高度測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果編號(hào)試塊探頭儀器探測(cè)面波型缺陷自身高度(mm)實(shí)際高度（mm）誤差(mm)說明備注1TD0092MHz/45°/SCTS-2000裂紋背面?zhèn)萐4.8450.16波形見圖4-522MHz/45°/STOMOSCAN裂紋背面?zhèn)萐4.750.3波形見圖4-632MHz/45&#

17、176;/SCTS-2000裂紋開口側(cè)S5.0850.084TD0072MHz/45°/SCTS-2000裂紋背面?zhèn)萐14.44150.5652MHz/45°/SCTS-2000裂紋開口側(cè)S15.52150.52S/L轉(zhuǎn)換S/L14.920.0862MHz/45°/STOMOSCAN裂紋開口側(cè)S14.9150.1S/L轉(zhuǎn)換S/L15.90.972MHz/60°/SCTS-2000裂紋背面?zhèn)萐15.70150.7084MHz/45°/SCTS-2000裂紋開口側(cè)S15.20150.20波形見圖4-7S/L14.900.10S/L轉(zhuǎn)換9TD0084

18、MHz/45°/SCTS-2000裂紋背面?zhèn)萐25.70250.70104MHz/45°/SCTS-2000裂紋開口側(cè)S25.35250.35112MHz/60°/SCTS-2000裂紋開口側(cè)S25.11250.11122MHz/45°/SCTS-2000裂紋開口側(cè)S24.55250.45132MHz/45°/STOMOSCAN裂紋開口側(cè)S25.1250.1注：測(cè)量高度值與實(shí)際高度值偏差最大為0.90mm。表4-1中的選取了幾組試驗(yàn)的波形圖及其測(cè)高計(jì)算：從表面開口槽的背面進(jìn)行掃查：試驗(yàn)編號(hào)1試驗(yàn)波形圖見圖4-5：S1、S2為線槽尖端衍射信號(hào)S1

19、S2根部信號(hào) 圖4-5l 運(yùn)用公式=30.08-25.24得出缺陷自身高度4.84mm。l S1、S2均為槽的尖端衍射信號(hào)，其聲波傳播路徑圖見圖2-2。從表面開口槽的背面進(jìn)行掃查：試驗(yàn)編號(hào)2使用TOMOSCAN-III儀器和2MHz/45°/S探頭對(duì)TD009試塊A面補(bǔ)充掃查圖如下，結(jié)果類似。試驗(yàn)波形圖見圖4-6。S1圖4-6 l 運(yùn)用公式得出缺陷自身高度4.7mm。l S1為槽的尖端衍射信號(hào)從表面開口缺陷的同側(cè)進(jìn)行掃查：試驗(yàn)編號(hào)8S1注：S1為線槽尖端衍射信號(hào)，S2波是橫波入射至線槽尖端衍射出縱波，縱波至底面返回線槽尖端，在線槽尖端轉(zhuǎn)換成橫波返回，被探頭接收。S1S2圖4-7l 有

20、兩種方式計(jì)算出缺陷的自身高度。a. 直接根據(jù)端點(diǎn)衍射信號(hào)聲程計(jì)算自身高度H：運(yùn)用公式得出缺陷自身高度15.20mm。b. 根據(jù)衍射波聲程和波型轉(zhuǎn)換回波聲程計(jì)算自身高度H：運(yùn)用公式=30-8.19×5.9/3.2=14.90mm。l S1為線槽尖端衍射信號(hào)，S2波是橫波入射至線槽尖端衍射出縱波，縱波至底面返回線槽尖端，在線槽尖端轉(zhuǎn)換成橫波返回，被探頭接收的信號(hào)（2）對(duì)深埋缺陷自身高度測(cè)量結(jié)果采用KK公司橫波450 ，頻率4MHz的探頭從試塊上表面進(jìn)行掃查分別探測(cè)缺陷的上下端點(diǎn)衍射信號(hào)，并記錄上下端點(diǎn)的信號(hào)回波波形圖，記錄信號(hào)的深度值。其中試塊TD05-3-02上下端點(diǎn)回波圖分別見圖4-

21、8和4-9。試塊圖見4-3。圖4-8 TD05-3-02上端點(diǎn)回波圖4-9 TD05-3-02下端點(diǎn)回波l 運(yùn)用公式：H = Dd 12.73-9.67=3.06mm試塊中深埋缺陷的自身高度測(cè)量值見表4-2。表4-2 深埋缺陷自身高度測(cè)量值試塊編號(hào)深埋缺陷實(shí)際高度值（mm）下端點(diǎn)深度值（D2 mm）上端點(diǎn)深度值（D1 mm）缺陷高度測(cè)量值（D2-D1 mm）誤差（mm）TD05-3-02312.739.673.06+0.06TD05-3-04413.9310.023.91-0.09TD05-3-05717.6110.097.52+0.52注：測(cè)量高度值與實(shí)際高度值偏差最大為0.52mm。（3）

22、對(duì)堆焊層下缺陷測(cè)量結(jié)果用70°雙晶縱波斜探頭進(jìn)行掃查時(shí)，其B-掃圖如圖4-10。試塊圖見圖4-4。C1#C2#圖4-10 B-掃圖l 根據(jù)尖端衍射信號(hào)測(cè)量高度值為C1#=8.6mm, 和C2#=6.7mm。非常接近8mm( C1#) 和 6mm(C2#)的實(shí)際高度。誤差小于+/-1mm。4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析上述試驗(yàn)中，可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)缺陷尖端信號(hào)測(cè)量技術(shù)測(cè)量的缺陷自身高度誤差小于+/-1mm以內(nèi)。由于加工的是模擬自然裂紋缺陷，和真實(shí)的裂紋缺陷有一定的差異，在某些情況下很難發(fā)現(xiàn)真實(shí)缺陷的尖端衍射和端點(diǎn)反射信號(hào)，裂紋缺陷的形狀決定了能否發(fā)現(xiàn)尖端信號(hào)的主要因素。為了更好的發(fā)現(xiàn)缺陷尖端信號(hào)，往往必須將掃查靈敏度提高到足夠高，才能發(fā)現(xiàn)尖端信號(hào)，一般將靈敏度提高，但須保持本底噪聲低于