插套焊以其裝配簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于核電廠主冷卻劑回路、安全殼噴淋、余熱排出等系統(tǒng)的排水管線、采樣管線及儀表管線中，僅一臺(tái)1 000 MWe（1 MWe=1 000 kW）級(jí)壓水堆（PWR）電站中，就約有40 000個(gè)小支管插套焊接頭[1]。插套焊是一種特殊的角焊縫，支管插入內(nèi)徑大于其外徑的管座或法蘭中，焊前保證一定軸向間隙的同時(shí)，于支管與管座交界處施以角焊縫連接，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。插套焊性能不及對(duì)接接頭性能，若軸向間隙不足，熱膨脹受限會(huì)產(chǎn)生較高熱應(yīng)力[2]。韓國(guó)標(biāo)準(zhǔn)核電廠（KSNP）主回路插套焊結(jié)構(gòu)的取樣管曾發(fā)生過多起無(wú)軸向間隙導(dǎo)致的熱疲勞泄露事件，泄露量約為0.01 gpm（1 gpm=0.227 m3/h）[3]。 

圖  1  插套焊結(jié)構(gòu)示意

因此，不同標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)插套焊焊前組對(duì)間隙提出了要求。結(jié)合ASME Ⅲ—2004、RCC-M-2007、GB/T 16702—2019等標(biāo)準(zhǔn)要求及安裝經(jīng)驗(yàn)，插套焊焊前軸向間隙Y應(yīng)滿足1.5 mm≤Y≤3 mm，且當(dāng)名義壁厚t≥8.74 mm時(shí)，1.5 mm≤Y≤4 mm。焊前組對(duì)通常將支管完全插入管座，在距管座側(cè)壁一定距離Z處劃線標(biāo)記，將支管拉出W距離后施焊，焊后劃線標(biāo)記距管座側(cè)壁若大于Z，則可保證焊后軸向間隙不為零，但該方法受人為因素的影響較大。除采用焊前組對(duì)控制軸向間隙外，還可通過垂直透照的射線檢測(cè)工藝，在對(duì)角焊縫焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)，直觀評(píng)價(jià)軸向間隙[4-6]，但射線檢測(cè)輻射風(fēng)險(xiǎn)高且檢測(cè)窗口較長(zhǎng)，非核安全1級(jí)并非100%檢測(cè)，存在一定漏檢風(fēng)險(xiǎn)，且對(duì)軸向間隙不能定量評(píng)價(jià)。 

文章在資料調(diào)研某常規(guī)島及其BOP（電站輔助系統(tǒng)）插套焊結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了軸向間隙測(cè)量對(duì)象并以此設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)及模擬試塊；設(shè)計(jì)掃查工裝并采用相控陣超聲雙探頭同時(shí)掃查的方法，在現(xiàn)有相控陣超聲小徑管Cobra探頭的基礎(chǔ)上，采用CIVA 2021仿真平臺(tái)對(duì)相控陣超聲探頭頻率參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)檢測(cè)工藝進(jìn)行了仿真模擬。然后，在此基礎(chǔ)上開發(fā)檢測(cè)工藝系統(tǒng)，并在模擬試塊上進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，為插套焊軸向間隙的定量評(píng)價(jià)提供了技術(shù)思路。 

1.   試驗(yàn)對(duì)象與步驟

1.1   優(yōu)選的試驗(yàn)對(duì)象

RCC-M-2007、GB/T 16702—2019及ASME Ⅲ—2004對(duì)插套焊結(jié)構(gòu)的使用有明確的限制條件[7]，如表1所示（表中備注1表示僅限非間隙腐蝕工況，備注2表示僅限疏水、旁通與閥門或配件連接）。由表1可知，插套焊結(jié)構(gòu)適用于接管公稱直徑DN50及以下，且RCC-M-2007與GB/T16702—2019插套焊的限制條件幾乎一致，但與ASME Ⅲ-2004的限制條件存在差異，主要差異為核1級(jí)支管直徑。另外，RCC-M-2007、ASME Ⅲ-2004與GB/T 16702—2019均要求兩焊腳高度相同，且大于等于1.09倍支管名義壁厚。但EPRI（美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)）研究報(bào)告表明，支管側(cè)焊腳高度為管座側(cè)的2倍時(shí)可使焊腳過渡平滑、減小應(yīng)力集中，顯著提高插套焊結(jié)構(gòu)的疲勞性能[8]。在建核電插套焊設(shè)計(jì)文件中也均已采用該焊接結(jié)構(gòu)。對(duì)某堆型主蒸汽、高壓給水加熱、主給水流量、汽水分離等主要系統(tǒng)的127個(gè)插套焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其中3/4”規(guī)格、304奧氏體不銹鋼材料的管座支管標(biāo)準(zhǔn)件占比約39%，管座及支管尺寸如圖2，3所示。 

圖  2  3/4”規(guī)格管座標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)示意

圖  3  3/4”規(guī)格支管標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)示意

因此，文章選擇代表性的3/4”規(guī)格、304材料、焊腳高度比為2∶1的插套焊結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)焊后軸向間隙的相控陣超聲測(cè)量工藝展開研究。 

1.2   試驗(yàn)步驟

（1）在小徑管自聚焦Cobra探頭的基礎(chǔ)上，采用CIVA 2021仿真平臺(tái)對(duì)探頭頻率進(jìn)行優(yōu)選。 

（2）針對(duì)優(yōu)選的插套焊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相控陣超聲校準(zhǔn)試塊及掃查工裝，采用CIVA 2021仿真平臺(tái)分別對(duì)管座與支管側(cè)管角信號(hào)的檢出性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并在軸向間隙模擬試塊上進(jìn)行工藝驗(yàn)證。 

（3）采用單接口的雙Cobra探頭，相對(duì)置于管座與支管側(cè)，固定步進(jìn)偏置使兩個(gè)部位的端角信號(hào)清晰顯示，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)商筋^前沿間距X3，在相控陣儀器上讀取端角信號(hào)與探頭前沿的水平距離X1，X2，得到軸向間隙Y=X3−X1−X2。 

2.   設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1   中心頻率優(yōu)選

選擇小徑管Cobra自聚焦相控陣探頭，探頭及楔塊參數(shù)如表2所示。采用CIVA 2021仿真平臺(tái)在5 MHz~10 MHz的中心頻率范圍對(duì)支管側(cè)端角反射的最大幅值響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著中心頻率增大，端角處最大幅值響應(yīng)逐漸減小，5 MHz較10 MHz時(shí)的最大幅值大于20 dB。同時(shí)，對(duì)焊根位置45°方向1 mm高度裂紋缺陷進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著中心頻率增大，1 mm高度裂紋分辨率提高，且當(dāng)中心頻率大于7 MHz時(shí)，1 mm高度裂紋才能有效識(shí)別。另外，頻率升高衰減增大的同時(shí)，脈沖寬度會(huì)減小從而改善分辨率[9]。因此，綜合考慮幅值響應(yīng)及分辨率對(duì)聲場(chǎng)的影響，探頭頻率選擇7.5 MHz。 

圖  4  5 MHz~10 MHz端角信號(hào)的最大幅值響應(yīng)

圖  5  1 mm高度裂紋在5 MHz~10 MHz時(shí)的聲場(chǎng)響應(yīng)

2.2   試塊設(shè)計(jì)

針對(duì)優(yōu)選的3/4”規(guī)格插套焊結(jié)構(gòu)，支管尺寸（直徑×壁厚）為?26.7 mm×3.9 mm，相控陣超聲60°楔塊偏轉(zhuǎn)角一次反射波的最大聲程為15.6 mm，NB/T 47013.15—2021中Ⅱ型焊接接頭PGS試塊校準(zhǔn)用圓弧曲率半徑為25 mm和50 mm。因此，為了提高軸向間隙的定位精度，以15.6 mm為中間值，采用中心逼近對(duì)校準(zhǔn)用圓弧的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)改造。 

綜合考慮一次反射波深度范圍（約8 mm）的TCG（深度補(bǔ)償曲線）繪制，NB/T 47013.15—2021要求TCG校準(zhǔn)點(diǎn)不少于3個(gè)，PGS試塊可用橫通孔反射體僅為2個(gè)。另外，NB/T 47013.15—2021要求TCG校準(zhǔn)點(diǎn)靈敏度在±3 dB以內(nèi)變化，但相控陣超聲遵循近場(chǎng)區(qū)聲場(chǎng)非均勻的基本規(guī)律，當(dāng)TCG繪制深度及聚焦深度處于近場(chǎng)區(qū)深度范圍內(nèi)時(shí)，非校準(zhǔn)點(diǎn)的當(dāng)量偏差較大[10]。因此，應(yīng)在增加校準(zhǔn)點(diǎn)的同時(shí)減小校準(zhǔn)點(diǎn)間隔。 

相控陣超聲通過控制激發(fā)晶片的延時(shí)法則實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦，不同延時(shí)法激發(fā)的有效孔徑Aeff存在差異，即不同偏轉(zhuǎn)角度的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度存在差異。有效近場(chǎng)區(qū)深度Nd可由式（1）至式（3）[11-12]計(jì)算得出，計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，探頭中心頻率一定時(shí)，近場(chǎng)區(qū)深度隨著偏轉(zhuǎn)角度增大而減小，且50°~70°的近場(chǎng)區(qū)深度均在TCG繪制深度以內(nèi)。因此，需在8 mm深度范圍至少設(shè)置3個(gè)橫通孔，校準(zhǔn)試塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。 

式中：A為激發(fā)孔徑；ct為工件聲速；α為楔塊物理角度；θt為工件中折射角；θi為楔塊入射角；N為近場(chǎng)區(qū)深度；Li為聲束在楔塊中傳播距離；f為探頭中心頻率。 

圖  6  設(shè)計(jì)試塊結(jié)構(gòu)示意

2.3   工裝設(shè)計(jì)

由于軸向間隙較小且精度要求較高，同時(shí)掃查是保證軸向間隙測(cè)量的關(guān)鍵因素，即要求雙Cobra探頭在掃查過程中始終保持相同的圓周位置及角速度，若同一時(shí)刻圓周位置不同或角速度存在差異，則管座與支管偏軸心會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。因此，針對(duì)小徑管插套焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專用工裝，其結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。由圖7可知，該工裝在保證相同圓周位置及角速度的同時(shí)，可根據(jù)管徑差及步進(jìn)偏置，對(duì)雙探頭的軸向與徑向相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。 

圖  7  間隙測(cè)量專用工裝結(jié)構(gòu)示意

3.   仿真與驗(yàn)證

3.1   軸向間隙測(cè)量仿真

由于管座長(zhǎng)度尺寸僅為36.5 mm，楔塊長(zhǎng)度為16.2 mm，掃查空間有限，且支管側(cè)角焊縫熔合線距端角距離較長(zhǎng)，端角處聲場(chǎng)覆蓋困難。因此，為驗(yàn)證軸向間隙測(cè)量方法的有效性，采用CIVA 2021仿真平臺(tái)分別于管座與支管側(cè)，按照優(yōu)選的探頭中心頻率，對(duì)不同軸向間隙的端角信號(hào)進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果如圖8所示。 

圖  8  不同軸向間隙的測(cè)量仿真結(jié)果

由圖8可知，軸向間隙分別為1，2，3 mm時(shí)，端角處最大反射信號(hào)的y軸坐標(biāo)分別為917.06，917.99，918.99；將探頭置于管座側(cè)掃查對(duì)應(yīng)管角，50°聲束的反射信號(hào)較大，探頭前沿y軸坐標(biāo)為908.23，端角最大反射信號(hào)的y軸坐標(biāo)為916.32；將探頭置于支管側(cè)熔合線掃查對(duì)應(yīng)管角，75°聲束的反射信號(hào)較大，探頭前沿y軸坐標(biāo)為937.24；兩探頭軸向水平距離為29.01 mm。 

由于CIVA軟件位置信息為全局坐標(biāo)（可不計(jì)單位），因此軸向間隙為管座與支管端角最大反射信號(hào)坐標(biāo)之差，計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知，測(cè)量結(jié)果較實(shí)際軸向間隙偏小，且間隙1~3 mm的平均偏差為0.31 mm。這是由于端角最大反射信號(hào)并非位于管角垂直交點(diǎn)，且聲束經(jīng)垂直兩側(cè)面反射后聲束聲程變長(zhǎng)，因此軸向間隙測(cè)量結(jié)果偏小。在軸向間隙測(cè)量值的基礎(chǔ)上加上平均偏差進(jìn)行修正，軸向間隙修正后的最大誤差為0.05 mm，最大誤差率為5%。 

3.2   工藝驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軸向間隙測(cè)量的有效性，以軸向間隙為唯一變量，設(shè)計(jì)并加工1，2，3 mm的軸向間隙試塊進(jìn)行工藝驗(yàn)證，軸向間隙試塊結(jié)構(gòu)示意如圖9所示。按照校準(zhǔn)試塊及掃查工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果開發(fā)工藝，將雙探頭置于管座與支管側(cè)同時(shí)掃查插套焊結(jié)構(gòu)的同一周向截面，并采用信號(hào)最大幅值法讀取數(shù)值，1，2，3 mm的軸向間隙試塊某一時(shí)刻的掃查圖譜如圖10所示，管座及支管側(cè)掃查均可獲得較強(qiáng)的端角信號(hào)，軸向間隙測(cè)量結(jié)果如表5所示。 

圖  9  軸向間隙試塊結(jié)構(gòu)示意

圖  10  不同軸向間隙管座、支管與雙探頭間距實(shí)測(cè)圖譜

由表5可知，由于管座側(cè)掃查位置及信號(hào)與間隙無(wú)關(guān)，因此管座側(cè)端角信號(hào)最大幅值的水平距離X1變化較小；支管側(cè)端角信號(hào)最大幅值的水平距離X2有減小趨勢(shì)，這是由于隨著軸向間隙增大，在探頭步進(jìn)偏置不變時(shí)，水平距離減小，雖存在由于信號(hào)最大幅值調(diào)整步進(jìn)偏置的情況，但依然符合水平距離X2降低的趨勢(shì)；間隙實(shí)際測(cè)量值Y平均偏差為0.30 mm，與仿真結(jié)果幾乎一致，按照仿真結(jié)果修正方法，修正后間隙實(shí)際測(cè)量值Y最大偏差為0.06 mm，最大誤差率為3%。 

4.   結(jié)論

（1）采用設(shè)計(jì)開發(fā)的軸向間隙測(cè)量工藝，在管座及支管側(cè)掃查均可得到較強(qiáng)的端角信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)雙探頭徑向及軸向位置調(diào)節(jié)與系統(tǒng)校準(zhǔn)。 

（2）優(yōu)選對(duì)象的軸向間隙測(cè)量仿真與工件實(shí)測(cè)結(jié)果偏差幾乎一致，1~3 mm軸向間隙測(cè)量最大誤差率為3%，該方法可用于軸向間隙的定量評(píng)價(jià)。

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