浅析双相不锈钢超声波检测的实践应用

乐群立翁启浩

（中国能源建设集团浙江火电建设有限公司浙江杭州310015）

摘要：三代核电技术AP1000机组CB20模块，材质采用A240-S32101双相不锈钢，由于双相不锈钢金相组织粗大，给对接焊缝的超声波检测增加了困难。本工作以检测标准为依据，充分考虑组织对检测过程的影响，分析检测中的工艺要点，针对性的制定检测工艺，提高检测质量。

关键词：AP1000；CB20模块；双相不锈钢；超声波检测

1前言

能源是人类社会生存和发展的基础，中国是世界上能源生产和消费的一个大国。近年来，随着经济的不断发展，能源的生产和消费水平极速增长，原有的能源供给模式对我们的持续发展战略已经带来了不可避免的影响。随着核电技术的不断发展和核电厂的成功运行，越来越多的人意识到，核能是当前能够替代化石能源并有可能大规模发展的唯一现实可行的能源。核能具有能量密度高的特点（1kg235U裂变放出的能量等于2500吨标准煤燃烧产生的能量），而且核能利用可有效减少温室气体的排放、改善生态环境。

纵观中国核电的发展，从上世纪80年代到现在已经投入运行的核电机组来看，安全情况良好，核能利用能力在逐步增强。但是，同发展核电的先进国家相比，我们还有很大的差距，中国核电机组的装机容量在核技术利用国家队列里是最少的。为了适应社会和经济发展的进一步需要，我国政府正在积极推进核电的发展。根据新兴能源产业发展规划，未来十年，核电装机容量将达到7500万千瓦，并因此引进了来自美国西屋公司的第三代核电AP1000技术，率先在三门和海阳两地进行核电机组的建设。AP1000是一种先进的“非能动型压水堆核电技术”，它采用了非能动安全系统，在减少发电站设备、安全、可靠性和减少投资成本等方面做出了突出的改进。面对新引进核电技术、新材料及国外ASME检测标准的要求，我们必须发展充分考虑应用情况、满足质量要求的安装检测技术。近年来随着仪器和探头性能的提高及信号处理理论的发展,不锈钢焊缝的超声波检测技术和检测准确性都有了一定的提高。但目前来说该项技术仍不成熟,特别是国内在该方面的研究工作和实例很少,为保障核电建设的质量,加强不锈钢焊缝超声波检测的研究非常必要。

本文以海阳AP1000钢制安全壳冷却系统CB20模块A240-S32101双相不锈钢为例，从多方面进行分析，制订实施措施，按标准规范要求实施双相不锈钢的超声波检测，为机组顺利建设提供了焊接质量保证。

2CB20模块及A240-S32101双相不锈钢的特点

CB20模块外形接近皇冠，截面为梯形，外径25.9米，内径10.6米，高10.2米，重量约280吨。CB20模块安全等级为C级，抗震等级为I级，位置位于AP1000安全壳顶部,其外形如图1所示：

图1CB20模块外形图

CB20模块主要材质为A240-S32101双相不锈钢，主要的钢板厚度为σ＝12.7mm。CB20模块组装焊缝总长度约2400米，其中，组装主焊缝均为A240S32101的双相不锈钢焊缝。所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，金相组织见图2。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。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。焊接接头各部位金相组织见图3,可见金相显微组织是等轴的,且十分粗大。

图3焊接接头各部位金相组织

组织对超声波的影响

不锈钢焊缝的组织粗大，对双相不锈钢的超声检测带来了严重的影响,导致检测灵敏度变化大,无法测定缺陷的大小和对缺陷进行定位,主要机理如下：

3.1不锈钢结晶的有序性和晶粒粗大,与碳素钢焊缝有所不同。碳素钢焊缝为等轴晶,晶粒组织为细小,对于一般用于检测的超声波来说是均匀的、各向同性的,且晶粒对声波散射很低,超声波检测结果很好;而双相不锈钢焊缝组织对于超声波来说是非均匀的、各向异性的,晶粒尺寸远远大于超声波的波长，约为100μm级别。

3.2从散射角度来讲,波的散射取决于波长与散射体大小的比值及散射体对于声波的各向异性。一般来说,当材料晶粒接近波长的十分之一,弹性非均质材料有明显散射;当材料晶粒接近波长的五分之一,弹性非均质材料有很强散射;当材料晶粒接近波长的二分之一,对声波的散射剧增,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。

3.3焊缝组织对于超声波的各向异性,将引起声束路径弯曲,可能使沿路径能量密度异常降低,导致检测灵敏度下降,造成可能存在漏检区;或可能使能量密度异常升高,导致假缺陷显示,所以用超声波检测双相不锈钢焊缝时具有很大难度。

4检测工艺选择

4.1检测方法选择

横波因受声传播和材质晶粒声衰减各向异性影响较大,假信号干扰较大,应用较困难,故不锈钢焊缝通常选择纵波斜探头进行超声波检测。

4.2探头的选择

检测用的探头,应考虑试件厚度、检测部位(焊接金属或热影响区)、坡口形状等选定。还要根据目的,选用单晶探头、双晶探头、聚焦探头等。

(1)对焊接金属检测,选用可探出对比试块中横孔回波的探头,并要求横孔回波达到规定的基准高度,在使用声程范围内,可得检测灵敏度以上的信噪比。这是判断选用探头性能是否符合相关标准要求的一条相当重要的定量准则。

(2)对热影响区检测,可根据检测目的,选用横波或纵波斜探头。一般多用横波斜探头。

(3)对板厚T>20mm的试件,选用纵波斜探头;对T≤20mm的焊缝及仅通过母材探测坡口面上的缺陷时,也可选用横波斜探头；我们这里主要对T≤20mm的焊缝进行研究。

(4)中心频率一般用2MHz,可按板厚大小,在1.5MHz～5MHz范围内选定;并尽可能使用宽带探头。

(5)折射角通常用45°,但要考虑可能发生的缺陷位置和倾角,及声束对柱状晶的入射角度等,作适当选定。厚板焊缝检测不仅要用折射角45°的探头,还要加用60°或70°探头以探测坡口面缺陷及近表面缺陷。另外,对表面和近表面缺陷,也可使用爬波探头检测。

不锈钢焊缝检测用斜探头的选择可按照表1的规定进行选择。

表1不锈钢焊缝检测用斜探头的选择

4.3对比试块的选择

除已有使用实际成效的RB-S和RB-W型对比试块外,试块应使用同母材材质和热处理工艺一致的材料。标准反射体可以为直径1.6mm的横孔（不得存在大于或等于2mm平底孔当量直径的缺陷）。试块的中部设置一对接焊接接头，反射体位置的方向和公差要符合图4的要求。试块尺寸的要求应该与探头所需要的声程距离相适应。该焊接接头应与被检焊接接头相似，并采用同样的焊接工艺制成。对比试块的形状和尺寸如图4所示。

图4对比试块

4.4检测仪器的调试

4.4.1时基线的调节

零点调节前，先用直探头测出纵波在CSK－IA试块中的声速，再在对比试块中测出纵波在双相不锈钢中的声速。换上纵波斜探头后，在仪器中输入已测定的纵波声速值；找到CSK－IA试块R100圆弧上的最高波，适当调节增益，使最高波能在面板上正常显示，调节探头零点，使R100圆弧上的最高波指示声程为100mm。这样，纵波斜探头的零点就调节完毕。

4.4.2纵波斜探头的K值

用CSK－IA试块可以先测出纵波斜探头在标准试块中的K1值。为了测定准确，建议在CSK－IIIA试块上测定三次后取平均值，然后根据纵波声束在两个不同试块中的声速，根据理论公式计算出该纵波斜探头在对比试块中的K值，并将其输入仪器中。

4.4.3距离—波幅曲线的绘制

(1)距离—波幅曲线由选定的探头、仪器组合在对比试块上实测数据绘制

(2)测定横孔的回波高度时，声束应通过焊接接头金属。

(3)其DAC曲线的上位线如下作出:在对比试块上,用纵波斜探头探测各标准孔,将其最大回波高度调至满屏高80%～100%,在灵敏度保持不变的情况下,再将其它深度位置的标准孔回波高度,制作3点以上,即为不锈钢焊缝检测灵敏度调整和缺陷定量评价用的DAC曲线。

4.4.4检测灵敏度的调整

探测焊接金属时,将对比试块中的标准孔回波高度调到与基准线一致,作为基准灵敏度；表面粗糙度不同造成的传输损失,应作相应补偿;传输损失在2dB以下时,可不作灵敏度补偿。扫查灵敏度应该是标准灵敏度加上大约6-12dB。

4.5检测人员的选择

从事不锈钢焊缝的超声波检测人员，应充分考虑以下两个问题:第一,焊接方法和坡口形状等施焊条件；第二,焊缝结构对超声波检测的影响,UT人员对金属组织与超声特性的关系、对超声波的传播途径,并针对UT方法的特殊性,要掌握基本功,能识别真假信号（图5）。

图5不锈钢钢焊缝UT中常见的真假信号的反射源

5检测工艺

根据标准规范规定和实际经验的总结，厚度为σ＝12.7mm的A240-S32101双相不锈钢进行超声波检测时，选择熟知金相组织、结构和真假缺陷判断的检测人员；制作一块与母材材质和热处理工艺一致的对比试块，试块的中部设置一对接焊接接头，试块尺寸的要求应该与探头所需要的声程距离相适应；选择频率2MHz折射角为45°的纵波斜探头；调节仪器制作DAC曲线进行双相不锈钢的超声波检测。

6缺陷评定

双相不锈钢的超声波检测中，对缺陷的测量和判断是至关重要的，影响最终的焊接质量的判断，在缺陷评定过程中要做到：

(1)回波高度的测定是测定指示回波的最大回波高度。

(2)作为评价对象的缺陷是指回波高度超过DAC20%的回波。但即使是评价的回波,由于探头位置、探头方向、声程、焊缝形状等关系,判断试件形状引起的回波,或是金属组织回波中的草状回波或其它假象回波,也不作为评价对象。

(3)缺陷指示长度是指在显示最大回波高度的探头焊缝距离上,通过左右扫查,通过平行移动探头来记录缺陷回波低于50%距离波幅曲线的端点，以此来确定缺陷的长度。用不同折射角或在不同探测面上对同一缺陷进行测长时,应分别找到该缺陷的始端和终端,以其间隔最大的长度作为该缺陷指示长度。

(4)缺陷定位指对每一缺陷,均应由探头收到最大回波高度的位置,标出该缺陷在焊缝中深度、缺陷离焊缝边缘水平的位置。对有长度缺陷,还应标出其在焊缝长度方向的始端和终端位置。

7结论

综上所述，在常规超声检测仪器和检测技术下对双相不锈钢焊缝进行超声波检测时，准确的发现和识别焊缝缺陷还是存在一定的难度。为了有利于发现不锈钢焊缝的超声波检测的实施，可归纳如下:

(1)检测不锈钢焊缝,考虑晶粒粗大引起的衰减问题,多用2MHz以下的低频率纵波斜探头进行检测，焊缝还应采用其它折射角探头进行检测确定；

(2)用被检工件表面状况和材质相同的材料制作一块对比试块，并在试块上调节超声波检测时用的DAC曲线；

(3)双相不锈钢的超声波检测中，对缺陷的测量和判断是至关重要的，检测人员应有良好的知识结构和技能水平；

(4)为提高缺陷检出率和测定精度,有些研究还采用了宽带式和复合式等改进型探头,以及双晶式或点聚焦式等新型探头。参考文献

参考文献

[1]尹清辽.中国核电建设概况及第三代核电施工特点.建筑机械化,2010,31（08）:27-30

[2]冯华平.0Cr25Ni5Mo2双相不锈钢材料及产品的超声波探伤.大型铸锻件,1994,64(2):17-24

作者简介：

乐群立（1971.03），男，大学，高级工程师，从事电力建设技术工作。