Research on Phased Array Ultrasonic Inspection Technology for the Pressurizer Surge Nozzle to Vessel Weld
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摘要: 核电厂稳压器波动管接管与底封头焊缝结构的特殊性引起单侧可达和球形检测面导致较大定位偏差的问题，针对这2个问题研发相控阵超声检测（PAUT）技术与缺陷定位修正算法，并在带自然缺陷的模拟试块上进行验证与射线检测结果对比。结果表明，结合缺陷定位修正算法，PAUT技术满足能力验证的要求，检出能力与射线检测相当。
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关键词:
- 波动管接管与底封头焊缝 /
- 球形检测面 /
- 定位修正 /
- 相控阵超声检测（PAUT）
Abstract: In response to the single-sided accessibility issue caused by the weld structure and the significant positioning deviation caused by spherical detection surface in the surge nozzle to vessel weld of pressurizer in nuclear power plant, a phased array ultrasonic inspection (PAUT) technology and a defect positioning correction algorithm are developed, which are verified in a simulated body with natural defects and compared with the results of radiographic inspection. The results show that, combined with the defect positioning correction algorithm, the PAUT technology meets the requirements of the performance demonstration, and the detection capability is equivalent to that of radiographic inspection. -
0. 引 言
压水堆核电厂稳压器波动管接管与底封头焊缝属于核安全一级部件，长期处于高温、高压及高放射性工况下，在交变载荷下易引起焊缝疲劳裂纹的产生，裂纹的扩展将导致冷却剂的泄漏，影响核电厂的安全运行[1]。根据法国《压水堆核电厂核岛机械设备在役检查规则》（RSE-M）中的表B 3200-7所述，目前该焊缝采用偏心周向透照的方式进行射线探伤（RT），需要在检测期间进行现场管控，检测时间窗口极为有限，且易在检测过程中导致异物的引入，总体检测风险较大[2]。另外，RT恰恰对最致命的裂纹类缺陷敏感度较低，检测可靠性较低。
相控阵超声检测（PAUT）技术声束灵活可控，可实现多角度、多方位及多点聚焦，具有较高的检测可靠性及检测效率，已被广泛应用于复杂工件的检测[3-4]。本文针对稳压器波动管接管与底封头焊缝的结构特点，开发了PAUT技术及缺陷定位修正算法，并通过带自然缺陷的模拟试块验证检测的有效性和可靠性，为波动管接管与底封头焊缝的无损检测提供另外一种选择。
1. 相控阵超声检测技术
1.1 检测对象分析
波动管接管与底封头焊缝位于稳压器底封头正下方，焊缝中心线直径为636 mm，厚度为90 mm，底封头内径为1083 mm，内表面涂敷7 mm的堆焊层。焊缝材料为低合金钢16MND5，焊丝材料为低合金钢Union S3 NiMol UV420TTR。焊缝为双U型的坡口型式，坡口角度为12°，采用手工电弧焊打底、多道埋弧焊的方式进行焊接，其示意图见图1。在役检查监督要求对焊缝及两侧各10 mm的热影响区的全壁厚进行检测。
波动管接管与底封头焊缝结构的特殊性给PAUT技术的开发带来较大的困难，主要体现在以下2点：
（1）单侧可达：波动管接管与焊缝中心线距离较近，只有68 mm，声束垂直于焊缝扫查时只能指向波动管接管，缺陷检出率较低。
（2）定位偏差：由于稳压器底封头球形曲率的影响，缺陷显示位置与实际位置有较大偏差。
为克服以上技术难点，满足美国机械工程师协会（ASME）《锅炉及压力容器规范》（BPVC）第Ⅺ卷强制性附录Ⅷ中补充4和补充6的要求，并提高缺陷的检出率和定量测量精度，进行了声场仿真和缺陷位置几何修正算法的开发。
1.2 声场仿真
波动管接管与底封头焊缝材质为低合金钢，壁厚适中，为了提高检测灵敏度和定量精度，可采用较高频率的横波探头进行检测。本工艺所选用相控阵探头的频率为5 MHz，含32 阵元，整体孔径尺寸为Φ19.2 mm×10 mm，单阵元宽度为0.6 mm，阵元间隙为0.1 mm，配有55°的横波楔块。
PAUT探头的近场区长度为：
$$ \mathit{N} \mathrm= \mathit{S} \mathrm{/(\pi \times } \mathit{\lambda } \mathrm{)} $$ (1) 式中，N为近场区长度，mm；S为探头面积，mm2；λ为探头波长，mm。经计算，N=95 mm，则近场区深度NDEP=95 mm×cos55°=54 mm，约为壁厚的一半，通过聚焦法则的设置，可较容易实现壁厚范围全覆盖，并获得较高的理想的灵敏度和分辨力。
为了在整个壁厚范围内获得较为理想的检测灵敏度和分辨力，应设置不同深度的聚焦法则。根据ASME BPVC第Ⅴ卷第4章非强制性附录Ⅰ的要求，整个检测范围内任一位置有夹角不小于10°的2束声束同时存在，故每组聚焦的声束范围应大于10°。对于表面缺陷的检测，应激发较少的晶片，以避免声波能量过于聚焦，造成检测范围内灵敏度差异过大，与此同时也可减小近表面盲区。根据以上分析，采用无损检测专业仿真软件CIVA模拟相控阵探头声场特性，其−6 dB的聚焦深度范围见表1；其径向扫查仿真结果如图2所示。结果表明所选用探头和设计的聚焦法则的有效聚焦范围可实现被检区域任意位置的多角度覆盖，能够实现被检焊缝区域的有效检查。
表 1 相控阵探头聚焦法则Table 1. Laws of Phased Array Probe聚焦法则 晶片数量 检查方向 −6 dB的聚焦深度② FS30 40°~70°① 16 径向 0~26.0 mm FS90 30°~60° 32 径向 21.2~90.0 mm FS30 40°~70° 16 周向 0~26.0 mm FS90 30°~60° 32 周向 21.2~90.0 mm 注：①表示聚焦法则采用声程聚焦，聚焦声程为30 mm，聚焦角度范围为40°~70°，其余的聚焦法则类同；②在该深度（壁厚方向）范围内至少存在角度差为10°以上声束 周向扫查时其探头法线与声束所成的平面为经过入射点的底封头大圆，其声束截面轮廓与径向扫查时候一致，适用同样的聚焦法则。
1.3 缺陷位置几何修正
在稳压器波动管接管与底封头焊缝的超声检测中，超声采集软件中显示的缺陷位置，是假设扫查面为平面时计算而来。然而在实际检测时，探头所在的扫查面为球面，缺陷实际位置与软件显示位置存在一定的偏差，故需对检测中发现的缺陷位置进行修正[5]。
1.3.1 径向扫查位置与深度修正
由于稳压器底封头球形曲率的影响，径向扫查时声束由探头入射点A至某一反射体B的几何关系如图3所示。
图3为以底封头球心O为原点建立平面直角坐标系，Y轴与波动管接管轴心垂直且远离波动管，Z轴与波动管接管轴心平行且指向波动管。其中，r为焊缝中心线半径；Pindex为入射点A至焊缝中心线距离（可在软件上读取）；α为折射角；θ为OA与Z轴夹角；点C为入射点A在Y轴上的垂线的垂足；点D为反射体B经过底封头内圆在Y轴上的垂线的垂足；点E为DB垂线延长线与底封头外圆的交点。经过几何换算，可得反射体B的径向位置L和深度d的表达式为：
$$ \left\{\begin{array}{l}L=P_{\mathrm{index}}-L_{AB}\sin\left(\alpha+\theta\right) \\ d=\sqrt{R^2-\left(r+L\right)^2}-\sqrt{L_{OB}^2\ -\left(r+L\right)^2}\end{array}\right. $$ (2) 式中，LAB为反射体声程；LOB为反射体B至球心O的距离；R为底封头外径。
此外，周向长度的测量应考虑入射点与缺陷实际位置相对于接管中心线的半径，按比例计算即可。
1.3.2 周向扫查位置与深度修正
由于焊缝厚度相对于焊缝直径的比值较大，同样由于底封头球形曲率的影响，声束所在截面并不与焊缝平行，缺陷实际位置与软件显示位置有较大偏差。周向扫查时声束由探头入射点A入射至某一反射体B的几何关系如图4所示。
图4中以底封头球心O为原点建立空间直角坐标系，入射点A在YOZ平面上。其中，点D为反射体B在平面XOY上的垂足，β为OA与OB的夹角；其他参数定义与图3相同。经过几何换算，可得反射体B的径向位置L和深度d的表达式为：
$$ \left\{\begin{array}{l}L=\left(\sqrt{1-\mathrm{cos^{ }}^2\beta\mathrm{cos^{ }}^2\theta}-1\right)r \\ d=\sqrt{R^2-\left(r+L\right)^2}-r\mathrm{cos}\beta\mathrm{cos}\theta\end{array}\right. $$ (3) 2. 技术验证
2.1 试块设计
采用核电厂稳压器波动管接管与底封头焊缝相同的焊接工艺，按照1∶1的比例制作了模拟试块，并参考 ASME BPVC第Ⅺ卷强制性附录Ⅷ中补充4和补充6的要求在模拟试块上加工了不同深度和方向上的自然缺陷，其缺陷参数见表2。具体设计规则如下：
表 2 稳压器模拟试块缺陷参数Table 2. Defect Parameters of Pressurizer Mock-Up编号 类型 长度或直径/mm d（上端点~下端点）/mm L/mm 方向 D01 外表面开口裂纹 22 0~11 0 平行于焊缝 D02 埋藏裂纹 16 65.6~73.6 −8~+8 垂直于焊缝 D03 埋藏裂纹 22 41.3~52.3 0 与焊缝中心线夹角35° D04 埋藏裂纹 15 12.6~24.6 0 平行于焊缝 D05 内表面不开口裂纹 20 81.6~87.6 0 平行于焊缝 D06 内表面开口裂纹 16 87.6~94.6 0 平行于焊缝 D07 堆焊层与母材层间未熔合 Φ19 0 D08 埋藏气孔 Φ5 40.1~45.1 0 D09 内表面开口裂纹 16 86.6~94.6 −8~+8 垂直于焊缝 D10 内表面开口裂纹 16 84.6~94.6 0 平行于焊缝 （1）核电厂运行期间在高压、高温、高辐射环境下，该焊缝最有可能产生且危害性最大的缺陷类型为疲劳裂纹，故设计的缺陷以裂纹为主。
（2）在壁厚方向上将被检焊缝分为内表面、中部、外部3个部分，考虑内表面出现缺陷的可能性更高，故在靠近内表面位置设计了更多的缺陷。
（3）考虑到焊缝只能从远离波动管接管侧检查，在检测面同侧设计与焊缝中心线成35°夹角的裂纹，该缺陷与超声声束夹角较小，处于较为不利的检测条件，增强检测能力验证的可信度。
2.2 缺陷检测
采用自主研发的自动超声扫查器在焊缝外表面进行自动化超声检测，扫查器主要由轨道环、径向运动模块及周向运动模块等组成。径向运动模块与水平面成一定角度，其上安装的探头架配备恒力钢带弹簧（压缩范围为0~100 mm），可保证探头在轴向运动时始终与底封头外表面保持贴合。
扫查方式采取周向栅格扫查，即平行于焊缝方向扫查，垂直于焊缝方向步进。检测平行于焊缝的缺陷时声束垂直于焊缝并指向波动管接管中心方向；检测垂直于焊缝的缺陷时声束平行于焊缝。检测区域内表面存在堆焊层，声波经过堆焊层时存在较大的水平及深度定位偏差[6]，不宜采用二次波进行检测，为保证上层聚焦法则（FS30 40°~70°）的检测灵敏度，应采用较小的步进值，本文采用的步进值为5 mm。
2.3 缺陷分析
稳压器波动管接管与底封头焊缝检测的记录标准均参照ASME BPVC第Ⅴ卷第4章的要求，所有回波幅值大于或等于基准灵敏度（5 mm横孔）波幅20%的显示都应记录，对超过记录阈值的信号进行长度测量和幅值记录，并逐一分析。缺陷定量采用−6 dB法进行长度测量，采用端点衍射法进行高度测量。
其中，D10缺陷（平行于焊缝）在软件上显示的上端点、下端点及L值分别为82.8、95.4、36 mm，上端点、下端点与设计缺陷偏差较小，而L值则有较大偏差，通过式（2）进行修正后，其上端点、下端点及L值分别为82.0、94.6、6.0 mm，与设计缺陷较为接近。
D02缺陷（垂直于焊缝）在软件上显示的上端点、下端点及L值为70.7、77.3、−24~30 mm，其中的L值远超出设计缺陷，通过式（3）进行修正后，其上端点、下端点及L值分别为68.5、75.6、−3.3~13.8 mm，与设计缺陷相符。
根据同样的分析方法，对表2所列缺陷进行数据分析，其长度的误差范围为−3~+10 mm，均方根误差为3.5 mm，高度（D07缺陷除外）的误差范围为−1.4~+2.5 mm，均方根误差为1.3 mm。检测结果满足规范要求，即长度及高度的均方根误差不大于19 mm和4 mm。
2.4 检测对比
采用核电厂现场的RT工艺对波动管接管与底封头焊缝进行检测，并与PAUT工艺结果进行对比，两者测长偏差结果如图5所示。结果表明：PAUT和RT测长均方根误差分别为3.5、3.4 mm，检测结果较为接近。此外，PAUT还可测高，且结果准确，均方根误差只有1.3 mm。
3. 结 论
（1）对PAUT工艺进行仿真，结果表明，相控阵超声声场能够多角度有效覆盖检测范围。
（2）稳压器底封头球形检测面对缺陷真实位置信息有较大的影响，有必要对检测结果进行几何修正。
（3）设计了模拟试块，采用自主设计的扫查器验证PAUT工艺及缺陷位置修正算法，结果表明，单侧可达的情况下，能够有效实现缺陷检测，检测长度及高度均方根误差分别为3.5、1.3 mm，满足能力验证的要求。
（4）对比PAUT与RT的测长数据，结果较为一致，进一步验证了PAUT技术的可行性。
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表 1 相控阵探头聚焦法则
Table 1. Laws of Phased Array Probe
聚焦法则 晶片数量 检查方向 −6 dB的聚焦深度② FS30 40°~70°① 16 径向 0~26.0 mm FS90 30°~60° 32 径向 21.2~90.0 mm FS30 40°~70° 16 周向 0~26.0 mm FS90 30°~60° 32 周向 21.2~90.0 mm 注：①表示聚焦法则采用声程聚焦，聚焦声程为30 mm，聚焦角度范围为40°~70°，其余的聚焦法则类同；②在该深度（壁厚方向）范围内至少存在角度差为10°以上声束 
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表 2 稳压器模拟试块缺陷参数
Table 2. Defect Parameters of Pressurizer Mock-Up
编号 类型 长度或直径/mm d（上端点~下端点）/mm L/mm 方向 D01 外表面开口裂纹 22 0~11 0 平行于焊缝 D02 埋藏裂纹 16 65.6~73.6 −8~+8 垂直于焊缝 D03 埋藏裂纹 22 41.3~52.3 0 与焊缝中心线夹角35° D04 埋藏裂纹 15 12.6~24.6 0 平行于焊缝 D05 内表面不开口裂纹 20 81.6~87.6 0 平行于焊缝 D06 内表面开口裂纹 16 87.6~94.6 0 平行于焊缝 D07 堆焊层与母材层间未熔合 Φ19 0 D08 埋藏气孔 Φ5 40.1~45.1 0 D09 内表面开口裂纹 16 86.6~94.6 −8~+8 垂直于焊缝 D10 内表面开口裂纹 16 84.6~94.6 0 平行于焊缝
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