一种压水堆核电站主管道窄间隙自动焊焊缝超声检测技术

一种压水堆核电站主管道窄间隙自动焊焊缝

超声检测技术

朱德才 刘以亮 李予卫

（中广核工程有限公司，广东 深圳 518000）

The ultrasonic examination technique of main coolant

pipelines automatic weld in PWR

Zhu Decai; Liu Yiliang; Li Yuwei

（China Nuclear Power Engineering Company, Shenzhen of Guangdong Prov.518000, China）

Abstract：The primary equipments like the reactor stress vessel, steam generator and reactor coolant pumps are connected by the main coolant pipelines (MCL). The MCL is the biggest and thickness pipeline in the nuclear island of PWR, the welding quality of MCL welds is critical to nuclear reactors．The MCL base metal is austenitic-ferrite stainless steel formed by case, its internal structure contains coarse columnar crystal and anisotropy. So the ultrasonic inspection is not quire valid for the MCL welds and according to the design requirement the MCL manual welds do not need ultrasonic test (UT). But with the application of narrow gap automatic welding technique in MCL welding, the UT inspection for the weld now is required in order to guarantee the quality of the welds. Key words ： Primary coolant pipe ； Automatic welding；Stainless steel；Ultrasonic examination

摘 要：压水堆核电站主管道是连接核岛主设备的 大管径、大厚壁承压管道，主管道母材由奥氏体- 铁素体不锈钢材料铸造而成，其内部组织包括粗大 柱状晶且具有各向异性的特点。因此，主管道焊缝 实施超声检测技术难度很大，传统主管道手工焊焊 缝不要求进行超声检验，也没有大厚壁铸造奥氏体- 铁素体不锈钢焊缝的超声检测验收标准。随着窄间 隙自动焊技术在核电站主管道安装中的应用，根据 窄间隙自动焊工艺特点，为保证主管道焊接质量， 需要在主管道自动焊焊缝中增加超声检验以验证焊

缝质量。

关键词：主管道；自动焊；不锈钢；超声检测

0 前言

压水堆核电站主管道由奥氏体-铁素体 不锈钢材料（Z3CN20.09M）离心和静态铸 造而成，它是联接核岛主设备的管道，属于 一 回路压 力边界。 主管道 外径范 围为 828mm-976mm，厚度范围为 66mm-98mm， 属于大厚壁、大管径的铸造不锈钢材料。主 管道焊接是核岛安装过程中的关键环节，具 有工序流程逻辑性强、工期紧张、焊接工作 量大、焊接应力及变形控制要求高等特点。 随着核电批量化建设和安装质量要求的提 高，窄间隙自动焊技术开始应用于核电主管 道安装中，为保证主管道焊接质量，国内外 监督机构要求对主管道自动焊焊缝增加超 声检测以验证其焊缝质量。

由于铸造奥氏体-铁素体不锈钢材料的 晶粒组织不均匀，且存在的粗大柱状晶，其 内部组织的各向异性更加严重。这种粗大组 织对于超声波具有强烈的衰减作用，导致采 用超声波检测时灵敏度变化大。另外，粗大 组织也会引起强烈散射声波的叠加及波型 转换，导致假信号出现，其各向异性对声波 有扭曲作用，严重影响缺陷大小的测量及定 位。因此，核电站主管道自动焊焊缝超声检 验存在很多技术上的难点。

1 主管道自动焊焊缝特点

压水堆核电站主管道窄间隙自动焊是 一项先进的焊接技术，采用全位置脉冲 GTAW 焊接工艺，相对传统手工 TIG 打底和 电弧焊（SMAW）填充的组合工艺，窄间隙 自动焊具有焊缝成形好、焊接质量稳定、生 产效率高等优势。主管道窄间隙自动焊的显 著特点如下： 1.1 窄间隙坡口

图 2 多层单道焊接工艺

相对传统手工焊宽坡口，窄间隙坡口不 但可减少焊接残余应力和变形，同时减少了 焊缝金属的填充量，降低生产成本，提高生 产率。但是窄间隙坡口由于坡口角度较小， 坡口两侧基本处于垂直状态，因此在焊接过 程中，坡口侧壁是发生未熔合概率最高的区 域。

图 1 手工焊和自动焊对比

Fig.1 The compare of manually and automatically

welding

1.2 多层单道焊接工艺

窄间隙自动焊接中采用多层单道焊接 工艺，不但可提高生产效率，简化焊机机头 结构和焊接操作，还可实现焊接过程的精密 控制，适合大厚壁管道焊接。但多层单道焊 接工艺对焊接操作工的技能要求较高，操作 不当也容易出现层间未熔合缺陷。 Fig.2 The one pass per layer welding process

1.3 主管道自动焊焊缝无损检测项目 考虑超声检测相对射线检测对面积型 缺陷如：裂纹、未熔合、夹层等的检测敏感 性强。为确保核电站主管道焊接质量，提高 对未熔合缺陷的检出率和定位精度，因此， 窄间隙自动焊焊缝在传统手工焊焊缝无损 检测基础上增加了超声检测要求。其无损检 验项目包括：目视检验（VT）、液体渗透（PT）、 射线检验（RT）和超声检测（UT）。

图 3 主管道自动焊焊缝无损检测

Fig.3 The NDT of MCL automatic welding

1.4 主管道窄间隙焊缝组织特性 主管道母材为铸造奥氏体-铁素体不锈 钢材料，该材料为粗晶材料，晶粒粗大且组 织不均匀，存在各向异性。另外该材料焊缝

在凝固过程中没有相变，且导热性差，焊缝 熔池中金属的冷却速度慢，温度梯度小，导 致了粗柱状晶的形成。因此，焊缝结晶晶粒 始于半熔化的母材晶粒，沿原方向生长，止 于焊缝中心。对于采用多道焊的大壁厚管道 焊缝，柱状晶生长方向沿着原晶粒方向，能 穿过多层焊道持续生长，其长度能达到 10mm 以上，直径大约为<1mm。焊道中部相

邻晶粒的方向相差微小，形成了有序的成排 柱状晶。从焊缝宏观金相(图 4) 中可清晰地 看到粗大柱状晶的纤维结构。

图 4 主管道焊缝焊接接头宏观形貌

Fig.4 The macro metallographic of MCL automatic

welding

由于奥氏体不锈钢焊缝没有固态相变， 所以焊缝不可能通过热处理的方式使晶粒 细化。焊接接头各部位金相组织如图 5 所示， 可见金相显微组织是等轴的，且十分粗大。

焊缝横切面纤维组织

焊缝纵切面等轴组织

图 5 焊接接头不同部位微观金相组织

Fig.5 The micro metallographic of MCL automatic

welding

主管道焊缝组织对于超声波来说是非 均匀且各向异性的，其晶粒尺寸大于超声波 的波长。一般来说，当材料晶粒接近波长的

二分之一，对声波的散射将剧增，以至小缺 陷信号完全埋没在噪声信号中，无法进行小 缺陷的超声波检测。另外，焊缝组织对于超 声波的各向异性，将引起声束路径弯曲，可 能使能量密度异常降低，导致检测灵敏度下 降，从而导致存在漏检区，或可能使能量密 度异常升高，导致假缺陷显示，因此主管道 焊缝的超声检测实施难度很大。

2 主管道窄间隙自动焊焊缝超声检测 技术

本技术通过设计和制作一批与受检对 象同材质、同工艺并带有不同人工缺陷的模 拟试件，编制了完善的超声检验程序，采用 特制超声探头和超声检测方法进行检测和 分析，最终实现了对焊缝的超声检验。具体 实施方法如下：

2.1 分层检验 由于受检对象检验厚度大，且为粗晶材 料，检测时考虑采用不同聚焦深度和不同角 度的探头分区进行检验。

检验区域的分层按厚度方向分为三层， 分别利用不同的探头进行检验，具体分层见 示意图：扫查表面以下 0－20mm 为第一层； 扫查表面以下 20-60mm 为第二层；表面以下 60mm 至底面范围为第三层。此分层并不是 绝对的，因为各种探头在实际检测时会存在 一定的重叠。实 际检验时从被检部件外表 面进行检验，检验分层方式示意图如图 6 所 示。

图 6 检验区域的分层示意图 Fig.6 The schematic diagram of multilayer

examination

2.2 检验探头

普通纵波直探头很难满足粗晶材料检 测要求, 故选用了经过特殊设计的高阻尼双 晶聚焦探头,频率为 1-2MHz 主要是考虑了大 衰减的原因。为保证与主管道焊缝表面的良 好耦合，加工了一批与主管道外表面相匹配 的超声波探头（探头接触面凹形）。探头主 要包括 0°、45°、35°、60°和 70°双晶 纵波聚焦探头。为覆盖整个被检区域（深度

方向），采用了不同焦距和不同晶片尺寸的 双晶聚焦探头。

根据图 6 所示：第一层，采用 0o、70o、 60o 探头轴向检测，45o 探头周向检测；第 二层采用 0o、45o 探头轴向检测，35o 探头 周向检测扫查；第三层采用 0o、45o 探头轴 向检测，35o 探头周向检测。主管道窄间隙 焊缝扫查探头汇总如表 1 所列：

表 1 主管道焊缝超声检测探头清单

Tab.1 The probes list of MCL welding ultrasonic examination

探头 编09465 09468 09472 08560 09657 08-965 08-961 09469 09474 08576 探头 型号 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 入射点 (mm) 0 18 25 22 30 12 12 14 24 26 折射角 (°) 0 51.7 39.1 42.6 43.9 68.9 56.7 44.6 37 35.2 频率 (MHz) 1 1.5 1 1 1 2 2 1.5 1 1 备 注 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面周向 外表面周向 外表面周向

2.3 试块设计

采用与产品同材质同规格的主管道材 料，设计和制作一批检验对象的探头性能测 试试块、对比试块（参考试块）及验证试块。 探头性能测试试块：该套试块主要用于 测试超声波探头的主要性能参数，如探头角 度、频率、前沿等。试块包括轴向检验和周 向检

验探头性能试块，试块上人工反射体包

藏的面状缺陷（未熔合）及加工的内、外表 面槽。 2.4 检测系统

根据受检主管道焊缝尺寸规格及焊缝 位置尺寸，采用自动超声检测的装置，包括 管道扫查小车、扫查自动控制系统、探头固 定装置等。

检查系统包括：TOMSCAN－Ⅲ多通道

括长横孔和圆弧面。 对比试块/参考试块：该超声仪、Tomview 采集分析软件、超声探头、

探头性能测试试块、对比试块、计算机、扫 套试块上加工有

人工反射体和矩型槽。该套试块主要用于建 查装置、控制器及软件、耦合剂供给与回收 立超声 DAC 曲线和检验灵敏度。该套试块 为系统、各种连接电缆。检查系统连接示意图

7 所示。 带焊缝的试块，包括轴向和周向对比试块。 试如图

块上的人工反射体包括长横孔（?3.2）、 平底孔和线切割槽（10%T）。

验证试块：该试块主要用于验证检验方 法的检测能力。该试块为带焊缝的试块，其 尺寸规格与检验对象相近，试件内包含预埋

图 7 检测系统示意图

Fig.7 The schematic diagram of detective system

2.5 扫查准备

探头参数测定和时基校准：

每次检验之前需进行探头参数测定和 时基校准。需在探头性能测试试块上测量包 括探头的前沿、角度、频率和焦距等信息，试块包括周向和轴向外表面探头性能测试 两种类型试块。探头的时基校准需在相应对 比试块上进行调节，具体操作为根据相应对 比试块上的 2 个不同深度的横通孔，调节超 声仪-探头检验系统的延迟和声速。

灵敏度调节：

不同扫查方向探头的灵敏度设置需在 相应的周向或轴向对比试块上进行，每次检 测开始之前调节灵敏度，灵敏度调节采用底 面回波或用对比试块中人工反射体的相应 进行调节。

采用不同焦距探头分别测试所对应的 不同深度Φ3.2 长横孔，制作 DAC 灵敏度曲 线，曲线示意图如图 8 所示。通过图 8 可以 看出，表 1 所选不同焦距的探头可覆盖主管 道窄间隙自动焊焊缝的整个被检厚度。

图 8 距离波幅曲线示意图

Fig.8 The schematic diagram of DAC

扫查灵敏度、速度及覆盖率

焊缝扫查灵敏度至少在基准灵敏度基 础 上增益 6dB ， 探头 扫查速 度不 大于 100mm/s，当探头垂直于声束方向移动时， 每个歩距至少有 20%探头晶片尺寸的重叠。

扫查方法 扫查采用外侧自动扫查为主，内部可达 时也可进行内部辅助扫查。扫查方法分为轴 向扫查（声束垂直于焊缝扫查）和周向扫查

（声束平行于焊缝扫查）。轴向扫查时，周 向步进，周向扫查时，轴向步进，扫查方法 示意图如图 9 所示。

图 9 扫查方法示意图

Fig.9 The schematic diagram of scan method

2.6 模拟件检验测试实验

根据在对比试块上所测试的 DAC 曲线 灵敏度，在模拟件上从外表面进行扫查。耦 合剂为除盐水，采用多种角度的双晶纵波探 头进行轴向和周向自动扫查方式，被检模拟 件示意图如图 10 所示：

图 10 模拟件示意图

Fig.10 The schematic diagram of ultrasonic

examination mock-up

在模拟件上共有 7 个缺陷，其中 5 个 缺陷埋藏在熔合线上模拟未熔合缺陷，另外 2 个为上下表面开口槽。通过采用上述检验 技术，对模拟件上的缺陷进行外表面检查，