焊缝超声波检测回波信号分析

焊缝超声波检测回波信号分析
秦山三期(重水堆)核电站工程是九五期间国家重点建设项目,装机容量2 728MW,
设计寿命40a(年),工程造价几十亿美元,其主要工艺采用加拿大技术。CANDU6是具有
成熟运行经验的堆型,它安全可靠、技术先进,是国内唯一重水堆核电机组。1998年6
月一号反应堆厂房底板浇灌第一罐砼,宣布工程建设正式开始。役前检查项目由核工业
无损检测中心承担。重水堆核电站要求在建造、安装的同时进行役前检查,系统水压试
验后再抽查10%。役前检查主要任务是对反应堆厂房(核岛)主管道焊缝(包括主热传输
系统、压力和装量控制系统、停堆冷却系统、应急堆芯冷却系统和回收系统)和主设备
焊缝(包括蒸汽发生器、稳压器和除气冷凝器)进行超声波检测(UT),共要检查近千条焊
缝。

1超声波检测的基本要求及面临的困难
CANDU项目要求核岛安装公司对主管道焊缝进行100%射线检测(RT)和100%液体渗
透检测(PT),对主设备支撑进行100%PT。由于RT和PT自身存在一定的局限性,焊缝
中可能有很多缺陷被漏检。役前检查要求进行100%UT,正好弥补了上述检查方法的不
足,但超声波检测的难度和工作量增大,检测人员要面对各种各样的焊接缺陷和伪缺陷的
检查及甄别。

超声波检测规程要求记录所有20%DAC(距离幅度校正)的回波信号,对缺陷采用6dB法
测长,>50%DAC的缺陷还要用6dB法测高,对几何显示和干扰信号等要进行区分并记
录。使用的A型超声波检测仪虽然精度高、功能全,但也只能提供回波信号的时间和幅
度两方面的信息。要辨别各个声程的回波信号性质,不但要求检测人员具备扎实的超声
波检测理论基础,还要求了解焊缝的材料、结构特点和加工、焊接工艺[1,2]。对每个达
到记录灵敏度的信号都要求认真分析,麻痹大意就可能造成漏检,给日后的在役检查留下
隐患,而过评会产生不必要的返修,延误工程进度。

2焊缝基本情况及主要缺陷
CANDU项目核岛主管道内径为6~20in.(15 24~50.80cm),标称壁厚为14.2~32.5m m,
采用单面焊双面成形。焊缝坡口形式主要为U型,坡口宽度为20~30mm,倾角为30左
右,钝边高度为2~3mm,根部间隙2~3mm,在焊缝中心线两侧12~16mm范围内有镗孔,
如图1所示。焊接完成后,根部具备打磨条件的都要求磨平,外表面焊缝余高磨平。主设
备标称壁厚为49~129.5mm,采用双面焊。焊缝坡口形式主要为双U型和I型,内外表
面余高均已磨平。焊缝中主要缺陷为气孔、夹渣、未熔合、根部未焊透和咬边等。焊
缝内表面如根部、镗孔等经常产生各种波形显示,它们容易与内壁缺陷波和焊缝中缺陷
二次波混淆。
3各种回波信号分析超声波检测经验表明[1,3,4],出现在底波与始波信号之间的回波多
为缺陷波,主要是气孔、夹渣和未熔合等,其特征分别如下:

3.1气孔
由于气孔通常不大,其回波高度一般较低,波形尖锐,较稳定,斜探头环绕移动,反射波
高大致相同,但纵向与横向稍一移动,信号很快消失。密集气孔为一簇反射波,其波高随
气孔的大小而不同,当斜探头作定点转动时,会出现此起彼落的现象。

3.2夹渣
点状夹渣的回波信号与点状气孔相似,但有方向性,斜探头从不同方向探测,反射波高
不同。条状夹渣的回波信号多呈锯齿状,波宽而带有多个波峰,探头横向移动时,各个波
峰的高度随之发生变化。

3.3未熔合
坡口未熔合对斜探头较敏感,当超声波垂直入射到其表面时,回波高度大,探头横向移
动时,波形较稳定。从两侧探测时,反射波幅不同,有时只能从一侧探到。直探头容易探
到层间未熔合,当超声波垂直入射到其表面时,回波很强,底波明显降低,甚至消失。

特别应注意出现在底波信号位置的回波,其中既可能有根部形状、镗孔等的波形显示,
也可能有内壁缺陷,如咬边、未焊透等回波信号。

3.4未焊透
如图2所示,直探头探测时,焊缝中心线上回波信号声程低于两侧底波信号声程,探头
纵向移动时,明显有两个信号上下跳动。斜探头探测时,根部未焊透类似端角反射,探头
横向移动时,波形较稳定,对应深度等于母材壁厚。从两侧探测时,均能得到大致相同的
反射波幅。

3.5内凹
如图3所示,直探头探测时,焊缝中心线上回波信号声程略低于两侧底波信号声程,探
头纵向移动时,回波信号略有起伏,两侧底波信号波幅略高。斜探头探测时,回波信号波
幅不高,对应深度略小于母材壁厚。从两侧探,入射声束不交叉。

3.6咬边如图4所示,咬边信号出现在根部信号的前面,波幅较低。若根部已磨平,则两侧
都能发现;若根部未打磨,则只能从一侧探到,另一侧因根部信号移动范围较大而无法发
现。

3.7内壁机械划痕如图5所示,在加工坡口预制镗孔时,由于操作失误或加工不当,经常在
镗孔附近造成内壁机械划痕。这种划痕有时只有一小段,有时是半圈,甚至是一整圈。一
般只能从一侧探到,另一侧因镗孔信号移动范围较大而无法发现。

3.8近底面缺陷产生的干扰信号
在绘制DAC曲线时,发现在CANDU项目所有参考试块上3/4横孔和1横孔回波信号
之间都有一干扰信号,该信号对应深度约等于壁厚,反射点位于3/4孔正下方,波幅一般
在DAC-6dB附近,且随孔深/壁厚比的增加而增大。研究认为,声束扩散角内>45的声束
直接入射到缺陷表面,经底面反射后被探头接收;<45的声束经底面间接入射到缺陷表面,
反射后被探头接收。在6dB扩散角范围内,这两部分回波叠加后,波幅可达到DAC曲线,
甚至超过DAC曲线6dB以上,如图6所示。

检测蒸汽发生器下封头接管焊缝时出现了特殊情况,笔者选取回波信号当量最大的一
例作一介绍。某接管壁厚为81mm,焊缝内外表面均已磨平,其中内表面已加工成光滑圆
柱面。在距焊缝中心线10m m处发现一当量为DAC-0.8dB的内壁反射信号,经渗透、
磁粉检测已排除是内壁缺陷的可能。进一步检测发现在同一位置有一深度为75mm的
缺陷,其波幅只有DAC-5.8dB。研究证实波幅较高的内壁反射信号是由深度为75mm的
缺陷引起的伪信号。

底波信号位置后面的回波多为伪缺陷波,主要是根部或镗孔变型波和二次横波等的波
形显示。

3.9根部或镗孔变型波和二次横波
如图7,8所示,超声波入射到根部或镗孔表面,表面形状使横波入射角ɑS小于第三临
界角ɑⅢ时,焊缝中既有反射横波,也有反射纵波,通常示波屏上只有一次反射横波S1。当
内表面形状使反射波恰好垂直入射到焊缝表面或某些特殊位置时,经垂直反射,再沿原路
径返回探头,示波屏上就会出现变型波L和二次反射横波S2。示波屏上,一次横波S1对
应深度T,变型波L对应深度T+T cos ßSCS/C L,二次横波S2对应深度T+T cosßS。对于
变型波L,用油手拍打焊缝上表面时,会出现明显的波峰跳动现象。CANDU项目管道焊
缝中这种显示较常见,主要波形如图9所示。对于单独出现在变型波L1或二次横波S2
位置的回波要特别留意,因为它们有可能是缺陷二次波,应结合超声波入射到内表面的位
置,用油手拍打焊缝表面看波峰是否跳动,前后移动探头看是否能检测到缺陷一次波,根
据具体情况进行综合判断。

4超声波检测结果
至2003年3月,历时近三年的役前检查项目基本完成,笔者选取具有代表性的管道焊
缝进行统计,超声波检测结果如表1,2所示。

表1核岛管道焊缝检测结果
1号核岛管道焊缝总计检查308条,其中56条返修,返修率为18.18%,84条焊缝含有记
录性缺陷,缺陷率为27.27%。

2号核岛管道焊缝总计检查308条,其中47条返修,返修率为15.25%,70条焊缝含有记
录性缺陷,缺陷率为22.72%。
1号核岛异种金属焊缝总计24条,其中14条返修,返修率为58.33%,12条焊缝含有记
录性缺陷,缺陷率为50%。

2号核岛异种金属焊缝总计24条,其中16条返修,返修率为66.66%,8条焊缝含有记录
性缺陷,缺陷率为33.33%。