一种压水堆核电站主管道窄间隙自动焊焊缝 超声检测技术
朱德才 刘以亮 李予卫
（中广核工程有限公司，广东 深圳 518000）
The ultrasonic examination technique of main coolant
pipelines automatic weld in PWR
Zhu Decai; Liu Yiliang; Li Yuwei
（China Nuclear Power Engineering Company, Shenzhen of Guangdong Prov.518000, China）
缝质量。 reactor the primary equipments like Abstract：The
coolant generator and reactor stress vessel, steam
关键词：主管道；自动焊；不锈钢；超声检测
pipelines are connected main coolant by the pumps
0 前言 (MCL). The MCL is the biggest and thickness pipeline
压水堆核电站主管道由奥氏体-铁素体 of welding quality nuclear in the island of PWR, the 不锈钢材料（Z3CN20.09M）离心和静态铸 MCL reactors．The MCL welds is critical to nuclear 造而成，它是联接核岛主设备的管道，属于 metal is austenitic-ferrite stainless steel formed base 一 回路压 力边界。 主管道 外径范 围为 by case, its internal structure contains coarse columnar 828mm-976mm，厚度范围为 66mm-98mm， is crystal and anisotropy. inspection So the ultrasonic 属于大厚壁、大管径的铸造不锈钢材料。主 not quire valid for the MCL welds and according to the 管道焊接是核岛安装过程中的关键环节，具 not do the design requirement MCL manual welds 有工序流程逻辑性强、工期紧张、焊接工作 of with (UT). ultrasonic need test But the application 量大、焊接应力及变形控制要求高等特点。 MCL technique automatic narrow gap welding in 随着核电批量化建设和安装质量要求的提 is now weld the inspection the welding, UT for 高，窄间隙自动焊技术开始应用于核电主管 required in order to guarantee the quality of the welds. 道安装中，为保证主管道焊接质量，国内外 Automatic pipe Primary ：Key words coolant ；监督机构要求对主管道自动焊焊缝增加超 Ultrasonic examination ；Stainless steel；welding声检测以验证其焊缝质量。 由于铸造奥氏体-铁素体不锈钢材料的 摘 要：压水堆核电站主管道是连接核岛主设备的晶粒组织不均匀，且存在的粗大柱状晶，其 - 大管径、大厚壁承压管道，主管道母材由奥氏体内部组织的各向异性更加严重。这种粗大组 铁素体不锈钢材料铸造而成，其内部组织包括粗大织对于超声波具有强烈的衰减作用，导致采 柱状晶且具有各向异性的特点。因此，主管道焊缝用超声波检测时灵敏度变化大。另外，粗大 实施超
声检测技术难度很大，传统主管道手工焊焊组织也会引起强烈散射声波的叠加及波型 - 缝不要求进行超声检验，也没有大厚壁铸造奥氏体转换，导致假信号出现，其各向异性对声波 铁素体不锈钢焊缝的超声检测验收标准。随着窄间有扭曲作用，严重影响缺陷大小的测量及定 隙自动焊技术在核电站主管道安装中的应用，根据位。因此，核电站主管道自动焊焊缝超声检 窄间隙自动焊工艺特点，为保证主管道焊接质量， 验存
在很多技术上的难点。 需要在主管道自动焊焊缝中增加超声检验以验证焊
主管道自动焊焊缝特点1
压水堆核电站主管道窄间隙自动焊是 ，采用全位置脉冲一项先进的焊接技术 TIG 打底和GTAW 焊接工艺，相对传统手工 电弧焊（SMAW）填充的组合工艺，窄间隙 自动焊具有焊缝成形好、焊接质量稳定、生 产效率高等优势。主管道窄间隙自动焊的显 著特点如下：
多层单道焊接工艺 2 图 1.1 窄间隙坡口 Fig.2 The one pass per layer welding process
相对传统手工焊宽坡口，窄间隙坡口不 但可减少焊接残余应力和变形，同时减少了 主管道自动焊焊缝无损检测项目1.3
焊缝金属的填充量，降低生产成本，提高生 考虑超声检测相对射线检测对面积型 产率。但是窄间隙坡口由于坡口角度较小， 缺陷如：裂纹、未熔合、夹层等的检测敏感 坡口两侧基本处于垂直状态，因此在焊接过 性强。为确保核电站主管道焊接质量，提高 程中，坡口侧壁是发生未熔合概率最高的区 对未熔合缺陷的检出率和定位精度，因此， 域。检窄间隙自动焊焊缝在传统
手工焊焊缝无损
验 测基础上增加了超声检测要求。其无损检射 ）、T）VT、液体渗透（P验：项目包括目视检（ UT）和超声检测（）。线检验（RT
手工焊和自动焊对比1 图
Fig.1 The compare of manually and automatically
welding
1.2 多层单道焊接工艺 主管道自动焊焊缝无损检测图 3
窄间隙自动焊接中采用多层单道焊接Fig.3 The NDT of MCL automatic welding
工艺，不但可提高生产效率，简化焊机机头
结构和焊接操作，还可实现焊接过程的精密 主管道窄间隙焊缝组织特性1.4
控制，适合大厚壁管道焊接。但多层单道焊 主管道母材为铸造奥氏体-铁素体不锈 接工艺对焊接操作工的技能要求较高，操作 钢材料，该材料为粗晶材料，晶粒粗大且组 不当也容易出现层间未熔合缺陷。 织不均匀，存在各向异性。另外该材料焊缝 在凝固过程中没有相变，且导热性差，焊缝 熔池中金属的冷却速度慢，温度梯度小，导 致了粗柱状晶的形成。因此，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。对于采用多道焊的大壁厚管道 焊缝，柱状晶生长方向沿着原晶粒方向，能 过多穿层焊道度能达到其长生长，持续 。焊道中部相<1mm以上，直径大约为10mm
邻晶粒的方向相差微小，形成了有序的成排 二分之一，对声波的散射将剧增，以至小缺 4) 中可清晰地柱状晶。从焊缝宏观金相(图 陷信号完全埋没在噪声信号中，无法进行小 看到粗大柱状晶的纤维结构。缺陷的超声波检测。另外，焊缝组织对于超
声波的各向异性，将引起声束路径弯曲，可 能使能量密度异常降低，导致检测灵敏度下 降，从而导致存在漏检区，或可能使能量密 度异常升高，导致假缺陷显示，因此主管道 焊缝的超声检测实施难度很大。 主管道窄间隙自动焊焊缝超声检测
2
技术
本技术通过设计和制作一批与受检对 象同材质、同工艺并带有不同人工缺陷的模 拟试件，编制了完善的超声检验程序，采用 图 主管道焊缝焊接接头宏观形貌4
特制超声探头和超声检测方法进行检测和Fig.4 The macro metallographic of MCL automatic
分析，最终实现了对焊缝的超声检验。具体welding
实施方法如下： 由于奥氏体不锈钢焊缝没有固态相变， 2.1 分层检验 所以焊缝不可能通过热处理的方式使晶粒 由于受检对象检验厚度大，且为粗晶材 细化。焊接接头各部位金相组织如图 所示，5 料，检测时考虑采用不同聚焦深度和不同角 可见金相显微组织是等轴的，且十分粗大。 度的探头分区进行检验。
检验区域的分层按厚度方向分为三层， 分别利用不同的探头进行检验，具体分层见 20mm 为第一层；0示意图：扫查表面以下 － 20-60mm 为第二层；表面以下扫查表面以下
至底面范围为第三层。此分层并不是60mm 绝对的，因为各种探头在实际检测时会存在 一定的重叠。实际检验时从被检部件外表 6 所 面进行检验，检验分层方式示意图如图 焊缝横切面纤维
组织
示。
焊缝纵切面等轴组织 5
图 焊接接头不同部位微观金相组织
Fig.5 The micro metallographic of MCL automatic
welding
图检验区域的分层示意图6
主管道焊缝组织对于超声波来说是非Fig.6 The schematic diagram of multilayer
均匀且各向异性的，其晶粒尺寸大于超声波examination 的波长。一般来说，当材料晶粒接近波长的．
方向），采用了不同焦距和不同晶片尺寸的 2.2 检验探头双晶聚焦探头。 普通纵波直探头很难满足粗晶材料检根据图 6 所示：第一层，采用 0o、70o、 故选用了经过特殊设计的高阻尼双测要求,
60o 探头轴向检测，45o 探头周向检测；第 主要是考虑了大晶聚焦探头,频率为 1-2MHz 二层采用 0o、45o 探头轴向检测，35o 探头 衰减的原因。为保证与主管道焊缝表面的良周向检测扫查；第三层采用 0o、45o 探头轴 好耦合，加工了一批与主管道外表面相匹配向检测，35o 探头周向检测。主管道窄间隙 的超声波探头（探头接触面凹形）。探头主焊缝扫查探头汇总如表 1 所列： °和 要包括0°、45°、35°、60 70°双晶 纵波聚焦探头。为覆盖整个被检区域（深度
表 1 主管道焊缝超声检测探头清单
Tab.1 The probes list of MCL welding ultrasonic examination
探头 5#缺陷 可发现 ?3.2-7.5 可发现6#缺陷 ?3.2+1.0Tab.2 探头 型号 35 36 入射点 (mm) 40 40 折射角 ) °( 频率 (MHz) 备 注 The mock-up result of ultrasonic examination 编09465 09468 09472 08560 09657 08-965 08-961 09469 09474 08576 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 双晶纵波 0 18 25 22 30 12 12 14 24 26 0 51.7 39.1 42.6 43.9 68.9 56.7 44.6 37 35.2 1 1.5 1 1 1 2 2 1.5 1 1 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面轴向 外表面周向 外表面周向 外表面周向
藏的面状缺陷（未熔合）及加工的内、外表 2.3 试块设计面槽。 采用与产品同材质同规格
的主管道材2.4 检测系统 料，设计和制作一批检验对象的探头性能测 试试块、对比试块（参考试块）及验证试块。根据受检主管道焊缝尺寸规格及焊缝
测探头性能测试试块：该套试块主要用于 位置尺寸，采用自动超声检测的装置，包括 度、试超声波探头的主要性能参数，如探头角 管道扫查小车、扫查自动控制系统、探头固 检频率、前沿等。试块包括轴向检验和周向 定装置等。
一种压水堆核电站主管道窄间隙自动焊焊缝超声检测技术
