CN109828027A - 不等厚对接焊缝检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电厂无损检测技术领域，提供了一种不等厚对接焊缝检测方法，包括以下步骤：制作对比试块，并在对比试块的不同深度埋藏多组不同类型的预设缺陷；根据不等厚对接焊缝结构特点进行超声参数仿真实验；根据超声仿真结果及不等厚对接焊缝结构特点制定相控阵探伤工艺参数；针对埋藏的多组预设缺陷，进行射线探伤、手动超声探伤及相控阵探伤的工艺对比实验；根据试验研究结果，最终确定以100％相控阵探伤检测，然后辅以射线探伤抽检的方式进行现场作业。本发明提供的不等厚对接焊缝检测方法，弥补了射线探伤安全风险大、占用资源多及对面积型缺陷易漏检的缺陷，同时，提升了该焊缝无损检测的整体可靠性，保障了机组质量安全。

Description

不等厚对接焊缝检测方法

技术领域

本发明属于核电厂无损检测技术领域，更具体地说，是涉及一种不等厚对接焊缝检测方法。

背景技术

某核电厂VVP安全阀与管嘴不等厚对接焊缝作为主二回路压力边界，自机组安装完成后，内部缺陷无损检查方法一直通过射线探伤的方式进行，目前已经历3轮次射线探伤。以D118大修为例，采取单颗放射源探伤2个环路需连续探伤24天，经过技术和风险评估，在较高风险下采用了双源同时探伤，仍需13天工期，不仅对大修工期造成较大影响，还会增加检测班组因连续作业疲劳导致的安全风险。此外，射线探伤的方式对危害性大的面积型缺陷(例如裂纹、未熔合缺陷)易漏检，对于危害性小的体积型缺陷检测敏感(例如夹渣、气孔缺陷)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不等厚对接焊缝检测方法，以解决现有技术中存在的射线探伤技术在不等厚对接焊缝缺陷检测应用中存在工作时间长、浪费资源及对于面积型缺陷易漏检的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种不等厚对接焊缝检测方法，包括以下步骤：

S10：制作对比试块，并在所述对比试块的不同深度埋藏多组不同类型的预设缺陷；

S20：根据不等厚对接焊缝结构特点进行超声参数仿真实验；

S30：根据超声仿真结果及不等厚对接焊缝结构特点制定相控阵探伤工艺参数；

S40：针对埋藏的多组预设缺陷，进行射线探伤、手动超声探伤及相控阵探伤的工艺对比实验；

S50：根据试验研究结果，最终确定以100％相控阵探伤检测，然后辅以射线探伤抽检的方式进行现场作业。

进一步地，在步骤S10中，对比试块的制作步骤包括：

S11：选取与不等厚对接结构材料相同的对比试块材料；

S12：将对比试块的厚度制成与不等厚对接结构的厚度相同，长度为至少能满足一次反射波扇形扫描角度范围移动的空间；

S13：将预设缺陷按照不同深度及不同位置埋藏于对比试块中。

进一步地，在步骤S13中，在所述对比试块中埋藏预设缺陷的类型至少包括裂纹、未焊透、坡口未熔合、层间未熔合、条渣及气孔。

进一步地，在步骤S30中，所述相控阵工艺参数包括相控阵探头参数，所述相控阵探头包括楔块，以及沿一维阵列方式排列设于所述楔块内的晶片。

进一步地，所述楔块内设有32块晶片，所述晶片的频率均为4赫兹或均为5赫兹，所述晶片的长度为0.4mm，相邻两所述晶片的间距为0.1mm，所述楔块角度为36度，所述楔块折射角为55度。

进一步地，所述相控阵工艺参数还包括所述楔块在不等厚对接结构上的扫查面。

进一步地，在步骤S40中，采取45度手动超声探头在所述扫查面上对埋藏有预设缺陷的对比试块进行手动超声检查。

进一步地，在步骤S40中，针对埋藏的多组预设缺陷进行射线探伤检验包括如下步骤；

S41：对埋藏有预设缺陷的对比试块进行中心曝光、偏心曝光及双壁单影三种方式进行射线探伤实验；

S42：将中心曝光、偏心曝光及双壁单影三种方式对预设缺陷的检出率与可靠性进行对比。

进一步地，在步骤S50中，使用相控阵探伤工艺进行缺陷检验之前，需要对不等厚对接结构做以下准备：

S51：对扫查面的相控阵探头移动区内的焊接飞溅、铁屑、油垢及其他杂质进行清除，并进行打磨；

S52：对焊缝表面的咬边、较大的隆起和凹陷进行修磨，并作圆滑过渡；

S53：选用具有良好透声性和适宜流动性的材料制作超声耦合剂；

S54：实际检测采用的耦合剂应与检测系统设置和校准时的超声耦合剂相同。

进一步地，在步骤S50中，使用相控阵探伤工艺进行现场缺陷检测，包括以下步骤：

S51：根据仿真实验及在对比试块上做的相控正探伤工艺选定相控阵探头的实际参数及实际扫查面；

S52：将相控阵探头沿着所述实际扫查面周向扫查，以获得焊缝缺陷数据。

本发明提供的不等厚对接焊缝检测方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的不等厚对接焊缝检测方法通过先进行仿真超声参数仿真实验以定制探头参数，从而实现核电站主蒸汽系统安全阀与管道对接焊缝缺陷的预防性检测，消除缺陷隐患。同时，通过射线探伤、手动超声探伤及相控阵探伤在埋藏有多组缺陷的对比试块进行实验对比，最终确定以100％相控阵探伤检测，然后辅以射线探伤抽检的方式进行现场作业，相控阵在探头较短的扫查面上即可以实现焊缝区域全部覆盖，具有较高的效率、较高的缺陷检出率、缺陷检测精度高的优点，不仅弥补了射线探伤安全风险大、占用资源多及对面积型缺陷易漏检的缺陷，同时，提升了该焊缝无损检测的整体可靠性，保障了机组质量安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的探头1、探头2及探头3在不等厚对接焊缝上的检测示意图；

图2为本发明实施例提供的在对比试块上埋藏的各预设缺陷示意图；

图3为本发明实施例提供的7号和9号预设缺陷的相控阵检验仿真图；

图4为本发明实施例提供的7号和9号预设缺陷的手动超声探伤仿真图；

图5为本发明实施例提供的不等厚对接焊缝检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1，现对本发明提供的不等厚对接焊缝检测方法进行说明。在本实施例中，不等厚对接焊缝具体是指核电站主蒸汽阀与管道不等厚对接后产生的焊缝结构，该焊缝结构两侧都是斜坡，管道内壁也是变壁厚。具体的，在本实施例中，该焊缝结构选用碳钢材质，请参阅图1，焊缝结构壁厚为40mm，焊缝结构宽度约为40mm。

请参阅图5，该不等厚对接焊缝检测方法，包括以下步骤：

S10：制作对比试块，并在对比试块的不同深度埋藏多组不同类型的预设缺陷；

S20：根据不等厚对接焊缝结构特点进行超声参数仿真实验；

S30：根据超声仿真结果及不等厚对接焊缝结构特点制定相控阵探伤工艺参数；

S40：针对埋藏的多组预设缺陷，进行射线探伤、手动超声探伤及相控阵探伤的工艺对比实验；

S50：根据试验研究结果，最终确定以100％相控阵探伤检测，然后辅以射线探伤抽检的方式进行现场作业。

需要说明的是，在步骤S10中，制作对比试块是根据不等厚对接焊缝的结构参数按照1:1的比例制作的。在步骤S20中的仿真实验也是根据不等厚对接焊缝的结构参数进行仿真，具体包括焊缝、焊缝两侧扫查面具体的尺寸、坡口角度、焊接方法、焊接接头形式及焊缝热影响区宽度等参数。且步骤S10和步骤S20是没有先后顺序，但是，步骤S20必须在步骤S30之前，步骤S10必须在步骤S40之前，而步骤S30、步骤S40及步骤S50依次按顺序进行。

本发明提供的不等厚对接焊缝检测方法，与现有技术相比，本发明的不等厚对接焊缝检测方法通过先进行仿真超声参数仿真实验以定制探头参数，从而实现核电站主蒸汽系统安全阀与管道对接焊缝缺陷的预防性检测，消除缺陷隐患。同时，通过射线探伤、手动超声探伤及相控阵探伤在埋藏有多组预设缺陷的对比试块进行实验对比，最终确定以100％相控阵探伤检测，然后辅以射线探伤抽检的方式进行现场作业，相控阵探头在较短的扫查面上即可以实现焊缝区域全部覆盖，具有较高的效率、较高的缺陷检出率、缺陷检测精度高的优点，不仅弥补了射线探伤安全风险大、占用资源多及对面积型缺陷易漏检的缺陷，同时，提升了该焊缝无损检测的整体可靠性，保障了机组质量安全。

进一步地，作为本发明提供的不等厚对接焊缝检测方法的一种具体实施方式，在步骤10中，包括以下步骤：

S11：选取与不等厚对接结构材料相同的对比试块材料；

具体的，对比试块材料的选取方式可为以下三种：1、在不等厚对接结构的延长部分截取；2、材料和热处理状态均与不等厚对接结构相同的边角料；3、采用声学性能与不等厚对接结构相同或相似的材料。

S12：将对比试块的厚度制成与不等厚对接结构的厚度相同，宽度为30mm，长度为至少能满足一次反射波扇形扫描角度范围移动的空间；

S13：将预设缺陷按照不同深度及不同位置埋藏于对比试块中。具体的，针对不等厚对接焊缝工况下的失效机理和易产生的焊接缺陷，设计试块缺陷，按照1号到12号的方式顺序，依据结构力学计算，设计制作12组自然人工缺陷(如图1、图2)，其中至少包括裂纹、未焊透、坡口未熔合、层间未熔合、条渣、气孔等缺陷类型；1～6号埋藏缺陷的详细设计尺寸见表1。然后将预设缺陷埋藏于对比试块中，且预设缺陷的长度和在对比试块中的深度位置通过相控阵探伤工艺进行调节确认。

进一步地，在步骤S20中，根据不等厚对接焊缝结构特点进行超声参数仿真实验，包括以下步骤：

S21：选定上述不等厚对接结构为大亚湾VVP泄压阀与管道不等厚对接结构，其焊缝材质为碳钢，焊缝壁厚约为40mm，焊缝宽度约为40mm；

S22：选定相控阵探头的参数为3.5MHz L16–9.44×10–U10–P-2.5–HY，选定楔块参数为SU10–N55S–AOD300mm；

S23：选定扫描的角度为35°-70°，二次波，极大声压值为-12dB，能够覆盖焊接区域，则说明有效声速可以完全覆盖焊缝，无盲区。

进一步地，作为本发明提供的不等厚对接焊缝检测方法的一种具体实施方式，在步骤S30中，依据步骤S20的仿真结果、不等厚对接结构特点、本领域工作人员经验以及技术要求确定了相控阵探伤工艺的参数。

在本实施例中，相控阵工艺参数包括相控阵探头参数，相控阵探头包括楔块及晶片，楔块用于定位放置于不等厚对接结构上，晶片沿一维阵列方式排列设于楔块中。

在本实施例中，上述楔块中设有32块晶片，各晶片的频率均为4或者均为5赫兹，各晶片的长度为0.4mm，相邻两晶片之间的间距为0.1mm，楔块角度为36度，楔块折射角为55度。

在本发明的另一些实施例中，上述楔块中设有16块晶片，各晶片的频率均为4或者均为5赫兹，各晶片的长度为0.4mm，相邻两晶片之间的间距为0.1mm，楔块角度为36度，楔块折射角为55度。当然，在本发明的其他一些实施例中，根据实际情况及具体要求，上述晶片的数量及晶片参数也可稍作改变，此处不做唯一限定。

进一步地，作为本发明提供的不等厚对接焊缝检测方法的一种具体实施方式，上述相控阵工艺参数还包括楔块在不等厚对接结构上的扫查面，将楔块沿着扫查面周向扫查，即能将所有的缺陷全部覆盖。本发明通过仿真实验分析出相控阵探伤探头自身的参数，以及该探头应该放置于不等厚对接结构上的什么位置上，然后将探头沿着该位置上的扫查面上进行周向扫描，从而检测出各缺陷为位置以及类型。

在本实施例中，相控阵探伤工艺参数的选择包括以下几个方面：

1、相控阵探头晶片参数：5MHz或4MHz、32晶片或16晶片、P＝0.5mm、e＝0.4mm、g＝0.1mm，楔块角度为36块。其中，e为晶片长度，g为晶片之间的间距。

2、制作距离-波幅曲线及角度增益补偿的设置：1)在对比试块上制作距离-波幅曲线，确定基准灵敏度；2)在对比试块上制作角度增益补偿曲线；3)采用一次波和二次波分开设置进行检测。

3、扫查面及探头位置：1)扫查面及探头位置见图1所示。探头1位置为主要扫查面，探头2和探头3位置为辅助扫查面，相控阵扇形扫描角度范围为35～70°；2)探头1距焊缝边缘的距离为51mm，探头2距焊缝边缘的距离为18mm，探头3距焊缝边缘的距离为5mm。最终的距离参数可能要修改，最终的距离要以实际测试时数据为准。

4、扫查方式及扫查速度：1)采用手动扫查，扫查速度应根据现场表面状态，依据对比试块中预设缺陷的检验测试结果，建议速度不大于10mm/S；2)手动扫查后，应实施编码器扫查，以采集原始焊缝质量信息数据，采用编码器扫查时，速度依据现场表面状态，建议速度不大于10mm/S。此外，采用编码器扫查时需要一个扫查装置。

5、扫查结果保存：1)采用手动扫查时扫查结果保存图像为A扫描和扇形扫描；2)采用编码器扫查时扫查结果保存图像为A扫描、扇形扫描、B扫描及C扫描，即采用三视图形式保存结果。

进一步地，在步骤S40中，通过相控阵探伤工艺参数，以埋藏的12组预设缺陷中的7号和9号为例进行检测，其检出情况如图3所示，均实现了缺陷的有效检出，并针对其具体位置进行了精确定位。

进一步地，在步骤S40中，针对埋藏的多组缺陷进行射线探伤检验包括如下步骤；

S41：针对上述不等厚对接焊缝特点结合埋藏的12组缺陷，分别对对比试块进行中心曝光、偏心曝光及双壁单影三种方式的射线探伤实验；

S42：将中心曝光、偏心曝光及双壁单影三种方式对自然缺陷的检出率与可靠性进行对比。

S43：在几何清晰度不满足的情况下，评估出中心曝光和偏心曝光方式对各组缺陷的的检测率，为后续中心曝光是否可以作为一种曝光方式进行现场的辅助检查提供依据。

各射线探伤工艺曝光方式下，对埋藏缺陷检测的对比实验结果如表2。

通过上述对比可知：1、对于根部裂纹和接近根部坡口处未熔合，3种曝光方式(除中心曝光检出2号外)无法检出；2、对于此类大厚壁对接焊缝，接近根部的5个危害性缺陷，双壁单影未能有效检出；3、针对该不等厚对接焊缝结构特点，中心曝光或偏心曝光方式可以作为后续伴随阀门解体实施的一种辅助在役检查方法进行缺陷质量检查。

注:根据实施现场环境，该管道无法钻人进去布片，在役阶段一直采用的是双壁法透照，阀门解体时若中心透照可以把导源管伸进去，在外面布片，上述试验未实施X射线单壁外透法的试验。

在步骤S40中，按照RCC-M规范标准，采取45°手动超声探头在探头1处对埋藏有12组预设缺陷的对比试块进行了手动超声检查，以7号和9号缺陷为例，请参阅图4，手动超声对接近深度中部位置的7号缺陷较明显检出，而对于9号缺陷的缺陷反射回波较小，对于检验人员的技能需要较高的要求，且可靠性降低。

经对比试验验证，结论如下：1、对于根部裂纹和接近根部坡口处未熔合射线探伤没法检出，手动超声探伤和相控阵探伤均可以实现检出；2、对于手动超声探伤，探头45度位置具有较好的检出率，在未知缺陷位置的情况下，检验人员可以实现9组缺陷的快速检出(如靠近上部区域的8号夹渣、12号气孔、9号未熔合)，但对于定性和定量判断速度很慢；3、对于相控阵探伤工艺，可以实现12组缺陷的快速检出及定性判断，但对于长度等定量判断较手动超声探伤和射线探伤有偏差。

通过按既定工艺方案开展的射线探伤、手动超声探伤、相控阵探伤三种检验方法的详细对比，总结出了三种方法针对不同缺陷种类各自的可靠性特点，基于上述细致的对比试验，归纳出针对该焊缝结构类型的相控阵检验工艺。

进一步地，作为本发明提供的不等厚对接焊缝检测方法的一种具体实施方式，在步骤S50中，使用相阵控探伤工艺进行缺陷检验之前，需要对不等厚对接结构进行做以下准备：

S61：扫查面探头移动区内应清除焊接飞溅、铁屑、油垢及其他杂质，一般应进行打磨，扫查面应平整，便于探头的移动，机加工表面粗糙度(Ra)不大于6.3um。

S62：可不必去除焊缝的余高，如果焊缝表面有咬边、较大的隆起和凹陷等也应进行适当的修磨，并作圆滑过渡以免影响检测结果的评定。

S63：应采用有效且适用于被检工件的介质作为超声耦合剂。耦合剂的材料应具有良好的透声性和适宜的流动性，对被检工件、人体及环境无损害，同时便于检测后清理。

S64：实际检测采用的耦合剂应与检测系统设置和校准时的耦合剂相同。本检测可采用机油、浆糊、洗涤剂等作为耦合剂。

进一步地，作为本发明提供的不等厚对接焊缝检测方法的一种具体实施方式，在步骤S50中，使用相控阵探伤工艺进行现场缺陷检测时，包括下午步骤：

S51：根据仿真实验及在对比试块上做的相控正探伤工艺选定相控阵探头的实际参数及实际扫查面；

S52：将相控阵探头沿着实际扫查面周向扫查，以获得焊缝缺陷数据。

表1各预设缺陷的设计参数单位：mm

项目	长度	深度	自身高度	缺陷位置(逆时针)
					1-根部开口裂纹	35±5	53	4±1	30-65
2-根部坡口未熔合	25±5	49	4±1	130-155
					3-下部气孔	6(直径)	38		19
4-拐点处坡口未熔合	25±5	35.5	5±1	235-260
					5-中部坡口未熔合	25±5	44	5+1	325-360
6-根部未焊透	50±5	55	2±1	460-510
					7-填充区坡口未熔合	35±5	38	4.8	548-583
8-夹渣	27±5	21.5	5±1	624-656
					9-坡口未熔合	28±5	10	4±1	700-730

表2不同曝光方式对预设缺陷的检出对比实验结果

曝光方式	中心曝光	偏心曝光	双壁单影
				1-裂纹	未检出	未检出	未检出
2-未熔合	检出	未检出	未检出
				3-气孔	检出	检出	检出
4-未熔合	检出	检出	未检出
				5-未熔合	检出	检出	未检出
6-未焊透	检出	检出	未检出
				7-12号缺陷	检出	检出	检出

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：制作对比试块，并在所述对比试块的不同深度埋藏多组不同类型的预设缺陷；

S20：根据不等厚对接焊缝结构特点进行超声参数仿真实验；

S30：根据超声仿真结果及不等厚对接焊缝结构特点制定相控阵探伤工艺参数；

S40：针对埋藏的多组预设缺陷，进行射线探伤、手动超声探伤及相控阵探伤的工艺对比实验；

S50：根据试验研究结果，最终确定以100％相控阵探伤检测，然后辅以射线探伤抽检的方式进行现场作业。

2.如权利要求1所述的不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，在步骤S10中，对比试块的制作步骤包括：

S11：选取与不等厚对接结构材料相同的对比试块材料；

S12：将对比试块的厚度制成与不等厚对接结构的厚度相同，长度为至少能满足一次反射波扇形扫描角度范围移动的空间；

S13：将预设缺陷按照不同深度及不同位置埋藏于对比试块中。

3.如权利要求2所述的不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，在步骤S13中，在所述对比试块中埋藏预设缺陷的类型至少包括裂纹、未焊透、坡口未熔合、层间未熔合、条渣及气孔。

4.如权利要求1所述的不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，在步骤S30中，所述相控阵工艺参数包括相控阵探头参数，所述相控阵探头包括楔块，以及沿一维阵列方式排列设于所述楔块内的晶片。

5.如权利要求4所述的不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，所述楔块内设有32块晶片，所述晶片的频率均为4赫兹或均为5赫兹，所述晶片的长度为0.4mm，相邻两所述晶片的间距为0.1mm，所述楔块角度为36度，所述楔块折射角为55度。

6.如权利要求5所述的不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，所述相控阵工艺参数还包括所述楔块在不等厚对接结构上的扫查面。

7.如权利要求6所述的不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，在步骤S40中，采取45度手动超声探头在所述扫查面上对埋藏有预设缺陷的对比试块进行手动超声检查。

8.如权利要求1所述的不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，在步骤S40中，针对埋藏的多组预设缺陷进行射线探伤检验包括如下步骤；

S41：对埋藏有预设缺陷的对比试块进行中心曝光、偏心曝光及双壁单影三种方式进行射线探伤实验；

S42：将中心曝光、偏心曝光及双壁单影三种方式对预设缺陷的检出率与可靠性进行对比。

9.如权利要求1所述的不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，在步骤S50中，使用相控阵探伤工艺进行缺陷检验之前，需要对不等厚对接结构做以下准备：

S51：对扫查面的相控阵探头移动区内的焊接飞溅、铁屑、油垢及其他杂质进行清除，并进行打磨；

S52：对焊缝表面的咬边、较大的隆起和凹陷进行修磨，并作圆滑过渡；

S53：选用具有良好透声性和适宜流动性的材料制作超声耦合剂；

S54：实际检测采用的耦合剂应与检测系统设置和校准时的超声耦合剂相同。

10.如权利要求9所述的不等厚对接焊缝检测方法，其特征在于，在步骤S50中，使用相控阵探伤工艺进行现场缺陷检测，包括以下步骤：

S51：根据仿真实验及在对比试块上做的相控正探伤工艺选定相控阵探头的实际参数及实际扫查面；

S52：将相控阵探头沿着所述实际扫查面周向扫查，以获得焊缝缺陷数据。