插套焊以其裝配簡單的優勢，被廣泛應用于核電廠主冷卻劑回路、安全殼噴淋、余熱排出等系統的排水管線、采樣管線及儀表管線中，僅一臺1 000 MWe（1 MWe=1 000 kW）級壓水堆（PWR）電站中，就約有40 000個小支管插套焊接頭[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，于支管與管座交界處施以角焊縫連接，其結構示意如圖1所示。插套焊性能不及對接接頭性能，若軸向間隙不足，熱膨脹受限會產生較高熱應力[2]。韓國標準核電廠（KSNP）主回路插套焊結構的取樣管曾發生過多起無軸向間隙導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  插套焊結構示意

因此，不同標準針對插套焊焊前組對間隙提出了要求。結合ASME Ⅲ—2004、RCC-M-2007、GB/T 16702—2019等標準要求及安裝經驗，插套焊焊前軸向間隙Y應滿足1.5 mm≤Y≤3 mm，且當名義壁厚t≥8.74 mm時，1.5 mm≤Y≤4 mm。焊前組對通常將支管完全插入管座，在距管座側壁一定距離Z處劃線標記，將支管拉出W距離后施焊，焊后劃線標記距管座側壁若大于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。除采用焊前組對控制軸向間隙外，還可通過垂直透照的射線檢測工藝，在對角焊縫焊接質量進行檢測的同時，直觀評價軸向間隙[4-6]，但射線檢測輻射風險高且檢測窗口較長，非核安全1級并非100%檢測，存在一定漏檢風險，且對軸向間隙不能定量評價。 

文章在資料調研某常規島及其BOP（電站輔助系統）插套焊結構應用的基礎上，優選了軸向間隙測量對象并以此設計了校準及模擬試塊；設計掃查工裝并采用相控陣超聲雙探頭同時掃查的方法，在現有相控陣超聲小徑管Cobra探頭的基礎上，采用CIVA 2021仿真平臺對相控陣超聲探頭頻率參數進行了優化，并對檢測工藝進行了仿真模擬。然后，在此基礎上開發檢測工藝系統，并在模擬試塊上進行了工藝驗證，為插套焊軸向間隙的定量評價提供了技術思路。 

1.   試驗對象與步驟

1.1   優選的試驗對象

RCC-M-2007、GB/T 16702—2019及ASME Ⅲ—2004對插套焊結構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，插套焊結構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（美國電力研究協會）研究報告表明，支管側焊腳高度為管座側的2倍時可使焊腳過渡平滑、減小應力集中，顯著提高插套焊結構的疲勞性能[8]。在建核電插套焊設計文件中也均已采用該焊接結構。對某堆型主蒸汽、高壓給水加熱、主給水流量、汽水分離等主要系統的127個插套焊結構進行了統計分析，其中3/4”規格、304奧氏體不銹鋼材料的管座支管標準件占比約39%，管座及支管尺寸如圖2，3所示。 

圖  2  3/4”規格管座標準件結構示意

圖  3  3/4”規格支管標準件結構示意

因此，文章選擇代表性的3/4”規格、304材料、焊腳高度比為2∶1的插套焊結構為試驗對象，對焊后軸向間隙的相控陣超聲測量工藝展開研究。 

1.2   試驗步驟

（1）在小徑管自聚焦Cobra探頭的基礎上，采用CIVA 2021仿真平臺對探頭頻率進行優選。 

（2）針對優選的插套焊結構，設計相控陣超聲校準試塊及掃查工裝，采用CIVA 2021仿真平臺分別對管座與支管側管角信號的檢出性進行仿真驗證，并在軸向間隙模擬試塊上進行工藝驗證。 

（3）采用單接口的雙Cobra探頭，相對置于管座與支管側，固定步進偏置使兩個部位的端角信號清晰顯示，采用游標卡尺測量兩探頭前沿間距X3，在相控陣儀器上讀取端角信號與探頭前沿的水平距離X1，X2，得到軸向間隙Y=X3−X1−X2。 

2.   設計優化

2.1   中心頻率優選

選擇小徑管Cobra自聚焦相控陣探頭，探頭及楔塊參數如表2所示。采用CIVA 2021仿真平臺在5 MHz~10 MHz的中心頻率范圍對支管側端角反射的最大幅值響應進行仿真計算，結果如圖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逐漸減小，5 MHz較10 MHz時的最大幅值大于20 dB。同時，對焊根位置45°方向1 mm高度裂紋缺陷進行模擬仿真，結果如圖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，且當中心頻率大于7 MHz時，1 mm高度裂紋才能有效識別。另外，頻率升高衰減增大的同時，脈沖寬度會減小從而改善分辨率[9]。因此，綜合考慮幅值響應及分辨率對聲場的影響，探頭頻率選擇7.5 MHz。 

圖  4  5 MHz~10 MHz端角信號的最大幅值響應

圖  5  1 mm高度裂紋在5 MHz~10 MHz時的聲場響應

2.2   試塊設計

針對優選的3/4”規格插套焊結構，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，采用中心逼近對校準用圓弧的尺寸進行了設計改造。 

綜合考慮一次反射波深度范圍（約8 mm）的TCG（深度補償曲線）繪制，NB/T 47013.15—2021要求TCG校準點不少于3個，PGS試塊可用橫通孔反射體僅為2個。另外，NB/T 47013.15—2021要求TCG校準點靈敏度在±3 dB以內變化，但相控陣超聲遵循近場區聲場非均勻的基本規律，當TCG繪制深度及聚焦深度處于近場區深度范圍內時，非校準點的當量偏差較大[10]。因此，應在增加校準點的同時減小校準點間隔。 

相控陣超聲通過控制激發晶片的延時法則實現聲束的偏轉和聚焦，不同延時法激發的有效孔徑Aeff存在差異，即不同偏轉角度的近場區長度存在差異。有效近場區深度Nd可由式（1）至式（3）[11-12]計算得出，計算結果如表3所示。由表3可知，探頭中心頻率一定時，近場區深度隨著偏轉角度增大而減小，且50°~70°的近場區深度均在TCG繪制深度以內。因此，需在8 mm深度范圍至少設置3個橫通孔，校準試塊結構如圖6所示。 

式中：A為激發孔徑；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為近場區深度；Li為聲束在楔塊中傳播距離；f為探頭中心頻率。 

圖  6  設計試塊結構示意

2.3   工裝設計

由于軸向間隙較小且精度要求較高，同時掃查是保證軸向間隙測量的關鍵因素，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嚴重影響測量結果。因此，針對小徑管插套焊結構設計專用工裝，其結構示意如圖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，可根據管徑差及步進偏置，對雙探頭的軸向與徑向相對位置進行調節。 

圖  7  間隙測量專用工裝結構示意

3.   仿真與驗證

3.1   軸向間隙測量仿真

由于管座長度尺寸僅為36.5 mm，楔塊長度為16.2 mm，掃查空間有限，且支管側角焊縫熔合線距端角距離較長，端角處聲場覆蓋困難。因此，為驗證軸向間隙測量方法的有效性，采用CIVA 2021仿真平臺分別于管座與支管側，按照優選的探頭中心頻率，對不同軸向間隙的端角信號進行了仿真模擬，結果如圖8所示。 

圖  8  不同軸向間隙的測量仿真結果

由圖8可知，軸向間隙分別為1，2，3 mm時，端角處最大反射信號的y軸坐標分別為917.06，917.99，918.99；將探頭置于管座側掃查對應管角，50°聲束的反射信號較大，探頭前沿y軸坐標為908.23，端角最大反射信號的y軸坐標為916.32；將探頭置于支管側熔合線掃查對應管角，75°聲束的反射信號較大，探頭前沿y軸坐標為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（可不計單位），因此軸向間隙為管座與支管端角最大反射信號坐標之差，計算結果如表4所示。由表4可知，測量結果較實際軸向間隙偏小，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并非位于管角垂直交點，且聲束經垂直兩側面反射后聲束聲程變長，因此軸向間隙測量結果偏小。在軸向間隙測量值的基礎上加上平均偏差進行修正，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   工藝驗證

為了驗證軸向間隙測量的有效性，以軸向間隙為唯一變量，設計并加工1，2，3 mm的軸向間隙試塊進行工藝驗證，軸向間隙試塊結構示意如圖9所示。按照校準試塊及掃查工裝設計優化結果開發工藝，將雙探頭置于管座與支管側同時掃查插套焊結構的同一周向截面，并采用信號最大幅值法讀取數值，1，2，3 mm的軸向間隙試塊某一時刻的掃查圖譜如圖10所示，管座及支管側掃查均可獲得較強的端角信號，軸向間隙測量結果如表5所示。 

圖  9  軸向間隙試塊結構示意

圖  10  不同軸向間隙管座、支管與雙探頭間距實測圖譜

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

4.   結論

（1）采用設計開發的軸向間隙測量工藝，在管座及支管側掃查均可得到較強的端角信號，可實現雙探頭徑向及軸向位置調節與系統校準。 

（2）優選對象的軸向間隙測量仿真與工件實測結果偏差幾乎一致，1~3 mm軸向間隙測量最大誤差率為3%，該方法可用于軸向間隙的定量評價。

文章來源——材料與測試網