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1、浅谈核设设备缺陷陷自身高高度超声声波测量量技术摘 要要 超超声检测测是核电电站设备备常用的的一种体体积检验验方法，在在核设备备各个阶阶段都有有广泛地地应用。超超声检测测在保证证核设备备的安全全运行方方面起着着不可替替代的作作用。而而在核设设备的超超声检测测技术中中，根据据目前国国内外经经验，目目前普遍遍认为缺缺陷的自自身高度度测量技技术也是是属于较较难的课课题。本本文重点点叙述了了核容器器设备和和管道焊焊缝缺陷陷自身高高度超声声波测量量技术的的试验研研究和测测量方法法，对提提高在用用核设备备超声检检测技术术的可靠靠性和有有效性有有一定的的适用价价值。关键词 超声声检测，缺缺陷自身身高度，尖尖端
2、衍射射1. 前前言超声检测测是核电电站设备备最常用用的一种种体积检检验方法法，核原原材料检检测、制制造过程程中的检检测、安安装过程程中的检检测、役役前检查查和在役役检查都都离不开开超声检检测。由由于超声声检测能能测量缺缺陷的长长度和壁壁厚方向向的自身身高度，在在含缺陷陷部件的的安全评评定时，是是一种较较好的无无损检测测手段。超声检测测技术在在核设备备的在役役检查中中应用较较广泛，例例如在AASMEE标准中中，轻水水堆核电电站要求求进行超超声检测测的焊缝缝或部位位有：一一级部件件包括反反应堆压压力容器器承压焊焊缝；其其他容器器承压焊焊缝；容容器上接接管的全全焊透焊焊缝；承承压容器器接管的的异种金
3、金属焊缝缝；直径径大于22in.(500.8mmm)的的承压螺螺栓件；管道的的承压焊焊缝；泵泵壳的承承压焊缝缝；阀体体的承压压焊缝。二二级部件件包括：压力容容器上的的承压焊焊缝；容容器上的的承压接接管焊缝缝；直径径2in.（511mm）的的承压螺螺栓件；奥氏体体不锈钢钢或高合合金钢管管道上的的承压焊焊缝（环环焊缝）；碳钢或或低合金金钢管道道上的承承压焊缝缝。超声检测测在保证证核设备备的安全全运行方方面起着着不可替替代的作作用。而而在核设设备的超超声检测测技术中中，根据据目前国国内外经经验，普普遍认为为缺陷的的自身高高度测量量技术也也是属于于较难的的课题。在在多年的的无损检检测工作作工程实实践和
4、应应用研究究中，本本文进行行了针对对性的技技术探讨讨。缺陷自身身高度测测量大体体可分为为，容器器设备焊焊缝缺陷陷自身高高度测量量和管道道焊缝缺缺陷自身身高度测测量技术术。在ASMME和RRSEMM标准以以及国内内的JBB/T 47330-220055标准中中，都明明确提出出了在用用设备的的超声检检测均需需要进行行缺陷自自身高度度的测量量，为了了满足标标准的要要求，需需要作大大量的研研究工作作。在进行缺缺陷验收收和缺陷陷评定时时，要求求必须给给出缺陷陷沿壁厚厚方向的的自身高高度值，因因此必须须通过试试验研究究确定有有效的缺缺陷自身身高度测测量技术术。2. 容容器设备备焊缝缺缺陷自身身高度测测量从
5、目前国国内外的的经验来来看，尖尖端衍射射信号测测量法，是是目前设设备焊缝缝比较通通用而有有效的一一种缺陷陷自身高高度的测测量方法法。尖端衍射射信号：根据惠惠更斯原原理，超超声波入入射到缺缺陷（如如裂纹）上上时，在在裂纹上上下尖端端会形成成次波源源而产生生衍射（称称为衍射射波）。端端点衍射射波测量量法是通通过测量量裂纹端端点衍射射回波的的传播时时间差值值来求得得裂纹自自身高度度的。具体方法法为，从从焊缝两两侧，分分别探测测缺陷的的上端点点和下端端点衍射射信号（有有时也可可用上下下端点的的反射信信号进行行测量，本本文重点点讨论尖尖端衍射射信号测测量技术术），和和/或角角反射信信号：a) 对对于较近
6、近表面位位置的缺缺陷，主主要用660横波探探头进行行缺陷自自身高度度测量，用用45横波探探头进行行核实。b) 对对于较远远区域位位置的缺缺陷，主主要用445横波探探头进行行缺陷自自身高度度测量，用用60横波探探头进行行核实。尖端衍射射信号测测量技术术可以用用来测量量深埋和和表面缺缺陷的自自身高度度。用合合适的探探头，探探测到缺缺陷的尖尖端衍射射信号，调调整增益益，使信信号幅度度至500%70% 。扫扫查探头头找到上上端点衍衍射信号号（M11），记记录探头头位置和和声程/或深度度，移动动探头，找找到下端端点衍射射信号（MM2）的的最大回回波，记记录探头头位置和和声程/或深度度。对于于表面缺缺陷，
7、可可以探测测角反射射信号（CC1）和和缺陷的的尖端衍衍射信号号。 深埋埋缺陷的的高度测测量对于深埋埋缺陷见见图2-1：M2 M1(D2) (D1)图2-11 深埋埋缺陷探探测示意意图 记录录声程：缺陷自身身高度 = (M2 - MM1) x CCos 记录录深度：缺陷自身身高度 = (D2 - DD1) 表面面开口缺缺陷的高高度测量量对于表面面缺陷，如如图2-2：M2 M1(D2) (D1)C1图2-22 表面面缺陷探探测示意意图 记录录声程：缺陷自身身高度 = (M22 - M1) x Coss /2= (MM2 - C11) xx Coos= (CC1 - M11) xx Coos 记录录
8、深度：缺陷自身身高度 = (D2 - DD1) / 22= (DD2 - C11)= (CC1 - D11)3. 管管道焊缝缝缺陷自自身高度度测量技技术根据ASSME标标准的要要求，管管道焊缝缝的检测测区域为为内壁11/3壁壁厚的区区域，在在用设备备的超声声波检测测主要考考虑检测测从内壁壁萌生的的裂纹，针针对这种种情况，具具体缺陷陷自身高高度测量量技术有有别于设设备焊缝缝的缺陷陷自身高高度的测测量技术术。目前通过过试验研研究，比比较适合合于管道道焊缝缺缺陷自身身高度的的测量技技术主要要有：绝绝对传播播时间尖尖端衍射射技术、相相对传播播时间尖尖端衍射射技术和和波型转转换技术术等。探头波型型选择：
9、主要使使用横波波，纵波波或波型型转换，包包括探头头在外表表面形成成爬波。探头角度度：横波探头头，角度度为455 700之间间；纵波探头头，角度度为455 700之间间，大角角度探头头可以形形成外表表面爬波波或300/700/700波型转转换方式式。 绝对对传播时时间技术术如果能发发现缺陷陷的尖端端衍射信信号，那那么就可可直接知知道缺陷陷的尖端端信号的的深度，就就可用壁壁厚直接接减去尖尖端衍射射信号的的深度，计计算缺陷陷的自身身高度，见见图3-1。此此技术适适合于常常规的445 70，横波波或纵波波斜探头头检测。应应该还要要用大角角度外侧侧表面爬爬波探头头进行核核实。位置 1 HRLT位置 2图
10、3-11(a) 绝对对传播时时间测量量位置1：缺陷根部反射信号位置2：探头往前移动时，缺陷面和尖端信号图3-11(b) 绝对对传播时时间测量量技术示示意图 相对对传播时时间技术术如果能探探测到缺缺陷的内内侧端角角反射信信号和缺缺陷尖端端衍射信信号，可可以用端端角反射射信号和和尖端衍衍射信号号的深度度差，计计算出缺缺陷的自自身高度度。通常常此技术术适合于于45 600的常常规横波波或纵波波探头，对对较浅的的缺陷效效果更好好。见图图3-22。根部反射缺陷尖端图3-22 相对对传播时时间测量量技术示示意图步骤：1. 同时观察察到根部部反射和和尖端衍衍射信号号，见图图3-33；2. 测量两个个信号的的
11、声程差差或深度度差； 如果果标定时时，按声声程标定定，缺陷陷自身高高度按公式A计计算； 如果果标定时时，按深深度标定定，缺陷陷自身高高度按公式B计计算。公式 AAH = DM / COOSq公式B H = DdH = 缺陷自自身高度度 图图3-33 根部部反射和和尖端衍衍射信号号q = 探头折折射角DM= 根部信信号和尖尖端衍射射信号的的声程差差Dd= 根部信信号和尖尖端衍射射信号的的深度差差 波型型转换技技术波型转换换技术的的探头为为大角度度（大于于或等于于60）纵波波探头，缺缺陷自身身高度的的确定可可以根据据缺陷尖尖端衍射射信号（绝绝对传播播时间技技术）或或根据包包括波型型转换在在内的其其
12、他回波波信号的的综合判判断。多种回波波信号主主要包括括：直接接缺陷本本身回波波或尖端端衍射波波；如果果缺陷高高度大于于6mmm，波型型转后在在缺陷面面的反射射回波信信号（通通常的330/770/770），探探头本身身的355横波，通通过底面面转换为为发射770纵波，在在从缺陷陷面反射射，被探探头接受受；内表表面的爬爬波形成成的回波波。见图图3-55。ID 爬波70 纵波外表面爬波35 横波31非直接横波70 纵波图3-44(a) 波型型转换测测量技术术示意图图较大缺陷 较强的内表面爬波信号 较强的缺陷面的波型转换反射信号(30/70/70) 较强的直接纵波尖端衍射信号较小缺陷 较强的内表面爬波
13、信号 较弱的缺陷面的波型转换反射信号 无直接纵波尖端衍射信号30/770/770波型型转换原原理如下下图：图3-44(b) 波型型转换测测量技术术示意图图波型转换换测量技技术的探探头主要要形式有有： 左右分布布的标准准双晶纵纵波斜探探头，主主要可优优化直接接纵波； 前后分布布的标准准双晶纵纵波探头头，主要要可优化化波型转转换波； 单晶纵波波探头（WWSY 70）,主要可可优化内内表面爬爬波。小结：不不是仅用用一种测测量技术术就能很很有效地地对缺陷陷高度进进行准确确的测量量，应该该使用多多种探头头对缺陷陷进行自自身高度度测量，综综合分析析判断。主主要步骤骤如下： 用较小角角度（445- 60）探
14、探头，尽尽量探测测缺陷的的内表面面角反射射信号，利利用这个个信号回回波可以以粗略测测量壁厚厚； 沿缺陷长长度方向向扫查，观观察缺陷陷的特征征，注意意缺陷反反射回波波方向和和位置，是是否有分分支等； 扫查探头头，探测测角反射射信号。继继续往前前扫查探探头直到到探测到到缺陷的的尖端衍衍射信号号； 换用较大大角度探探头（660 - 770 和外表表面爬波波）； 所有缺陷陷自身高高度都需需要用另另一种探探头或反反方向扫扫查确认认，假如如不能确确认，测测量技术术应该要要进行改改进，如如：换小小探头，改改变频率率和焦距距等。4. 试试验研究究4.1 试验方方法使用仪器器设备： CTTS-220000数字超
15、超声仪和和TOMMOSCCAN-IIII 多通通道超声声检测仪仪探头：445和600横波斜斜探头耦合剂：CG-88试块：（11）在试试块表面面加工一一定深度度的EDDM槽，材材料为碳碳钢，槽槽宽0.2mmm；（2）在在试块内内部加工工一定自自身高度度的人工工裂纹，材材料为碳碳钢；（3）在在试块上上加工一一定深度度的疲劳劳裂纹，材材料为碳碳钢，并并在此表表面上堆堆焊6mmm左右右的不锈锈堆焊层层。试验方法法的基本本要求：CTSS-20000数数字超声声仪配合合探头在在分别试试块的两两个探测测面（裂裂纹开口口侧和裂裂纹背面面侧），或或深埋缺缺陷的任任意侧进进行扫查查；TOOMOSSCANN-III
16、I 多多通道超超声检测测仪配合合探头在在试块的的探测面面进行自自动扫查查。 从裂裂纹背面面侧进行行扫查从裂纹背背面侧进进行检测测时，就就会出现现缺陷端端点衍射射信号和和缺陷根根部形成成的角反反射两个个信号，端端点衍射射信号的的声程为为M1，根根部反射射信号声声程为MM2。见见图4-1。缺陷高度度公式 或 （T为为试块厚厚度）H图4-11表面开开口缺陷陷自身高高度衍射射波测量量法 从裂裂纹开口口侧进行行扫查对于如图图4-22的表面面开口裂裂纹检测测，从裂裂纹开口口侧进行行扫查：H图4-22表面开开口缺陷陷自身高高度衍射射波测量量法如果用横横波探头头从裂纹纹开口侧侧检测时时，会出出现缺陷陷端点衍衍
17、射信号号（其声声程为MM1），以以及如果果入射波波为横波波，在端端点处经经波型转转换成纵纵波（LL），再再在底面面反射并并沿原路路返回探探头的回回波(其其声程为为M2)。见图图4-22, 有有两种方方式计算算出缺陷陷的自身身高度，也也就是说说可以两两种方式式可以互互相核实实。a. 直直接根据据端点衍衍射信号号声程计计算自身身高度HH：b. 根根据衍射射波声程程和波型型转换回回波声程程计算自自身高度度H：CL为纵纵波声速速；CSS为横波波声速，TT为壁厚厚。 深埋埋缺陷的的高度测测量采用横波波斜探头头从试块块一侧进进行扫查查，分别别探测缺缺陷的上上下端点点衍射信信号，并并记录上上下端点点的信号号
18、回波波波形图，记记录信号号的深度度值。其其中试块块三个试试块分别别预制了了一个深深埋的人人工裂纹纹缺陷，试试块示意意图见图图4-33（H为为预制裂裂纹高度度）。图4-33 深埋埋缺陷试试块示意意图 堆焊焊层下缺缺陷高度度测量如果从堆堆焊层侧侧检测堆堆焊层下下缺陷，考考虑到不不锈钢堆堆焊层对对超声波波传播的的影响，采采用纵波波双晶探探头对堆堆焊层下下裂纹高高度测量量有较好好的效果果。例如，一一块试块块在碳钢钢上堆焊焊有6mmm左右右的不锈锈钢堆焊焊层见图图4-44，并加加工有两两个高度度分别为为6mmm和8mmm的疲疲劳裂纹纹。用Tommosccan-IIII多通道道超声波波探伤仪仪，配上上纵波
19、双双晶斜探探头在堆堆焊层表表面上进进行扫查查，记录录B-扫扫显示，并并分析信信号特征征，测量量裂纹的的自身高高度。图4-44 堆焊焊层下缺缺陷试块块图4.2 试验结结果（1） 表面开口口裂纹自自身高度度测量结结果见表表4-11注：试块块图同图图4-11，试块块TD0009线线槽d5mmm；TDD0077线槽dd155mm；TD0008线线槽d25mmm （线线槽宽度度为0.2mmm）；下下表中SS代表横横波，LL代表纵纵波。表4-11 缺缺陷自身身高度测测量试验验结果编号试块探头仪器探测面波型缺陷自身身高度(mm)实际高度度（mm）误差(mm)说明备注1TD00092MHzz/455/SCTS
20、-20000裂纹背面面侧S4.84450.166波形见图图4-5522MHzz/455/STOMOOSCAAN裂纹背面面侧S4.750.3波形见图图4-6632MHzz/455/SCTS-20000裂纹开口口侧S5.08850.0884TD00072MHzz/455/SCTS-20000裂纹背面面侧S14.444150.56652MHzz/455/SCTS-20000裂纹开口口侧S15.552150.522S/L转转换S/L14.9920.08862MHzz/455/STOMOOSCAAN裂纹开口口侧S14.99150.1S/L转转换S/L15.990.972MHzz/600/SCTS-200
21、00裂纹背面面侧S15.770150.70084MHzz/455/SCTS-20000裂纹开口口侧S15.220150.200波形见图图4-77S/L14.9900.100S/L转转换9TD00084MHzz/455/SCTS-20000裂纹背面面侧S25.770250.700104MHzz/455/SCTS-20000裂纹开口口侧S25.335250.355112MHzz/600/SCTS-20000裂纹开口口侧S25.111250.111122MHzz/455/SCTS-20000裂纹开口口侧S24.555250.455132MHzz/455/STOMOOSCAAN裂纹开口口侧S25.11
22、250.1注：测量量高度值值与实际际高度值值偏差最最大为00.900mm。表4-11中的选选取了几几组试验验的波形形图及其其测高计计算：从表面开开口槽的的背面进进行扫查查：试验编编号1试验波形形图见图图4-55：S1、S2为线槽尖端衍射信号S1S2根部信号 图44-5l 运用公式式=300.088-255.244得出缺缺陷自身身高度44.844mm。l S1、SS2均为为槽的尖尖端衍射射信号，其其声波传传播路径径图见图图2-22。从表面开开口槽的的背面进进行扫查查：试验编编号2使用TOOMOSSCANN-IIII仪器器和2MMHz/45/S探探头对TTD0009试块块A面补补充扫查查图如下下，
23、结果果类似。试验波形图见图4-6。S1图4-66 l 运用公式式得出缺缺陷自身身高度44.7mmm。l S1为槽槽的尖端端衍射信信号从表面开开口缺陷陷的同侧侧进行扫扫查：试试验编号号8S1注：S1为线槽尖端衍射信号，S2波是横波入射至线槽尖端衍射出纵波，纵波至底面返回线槽尖端，在线槽尖端转换成横波返回，被探头接收。S1S2图4-77l 有两种方方式计算算出缺陷陷的自身身高度。a. 直直接根据据端点衍衍射信号号声程计计算自身身高度HH：运用公式式得出缺缺陷自身身高度115.220mmm。b. 根根据衍射射波声程程和波型型转换回回波声程程计算自自身高度度H：运用公式式=300-8.195.99/3
24、.2=114.990mmm。l S1为线线槽尖端端衍射信信号，SS2波是是横波入入射至线线槽尖端端衍射出出纵波，纵纵波至底底面返回回线槽尖尖端，在在线槽尖尖端转换换成横波波返回，被被探头接接收的信信号（2）对对深埋缺缺陷自身身高度测测量结果果采用KKK公司横横波4550 ，频频率4MMHz的的探头从从试块上上表面进进行扫查查分别探探测缺陷陷的上下下端点衍衍射信号号，并记记录上下下端点的的信号回回波波形形图，记记录信号号的深度度值。其其中试块块TD005-33-022上下端端点回波波图分别别见图44-8和和4-99。试块块图见44-3。图4-88 TDD05-3-002上端端点回波波图4-9 T
25、D005-33-022下端点点回波l 运用公式式：H = Dd 112.773-99.677=3.06mmm试块中深深埋缺陷陷的自身身高度测测量值见见表4-2。表4-22 深埋埋缺陷自自身高度度测量值值试块编号号深埋缺陷陷实际高高度值（mmm）下端点深深度值（DD2 mmm）上端点深深度值（DD1 mmm）缺陷高度度测量值值（D22-D11 mmm）误差（mm）TD055-3-02312.7739.6773.066+0.006TD055-3-04413.99310.0023.911-0.009TD055-3-05717.66110.0097.522+0.552注：测量量高度值值与实际际高度值值
26、偏差最最大为00.522mm。（3）对对堆焊层层下缺陷陷测量结结果用70双晶纵纵波斜探探头进行行扫查时时，其BB-扫图图如图44-100。试块块图见图图4-44。C1#C2#图4-110 B-扫扫图l 根据尖端端衍射信信号测量量高度值值为C11#=88.6mmm, 和C2#=6.7mmm。非常常接近88mm( C11#) 和 66mm(C2#)的实实际高度度。误差差小于+/-11mm。4.3 试验结结果分析析上述试验验中，可可以发现现根据缺缺陷尖端端信号测测量技术术测量的的缺陷自自身高度度误差小小于+/-1mmm以内内。由于于加工的的是模拟拟自然裂裂纹缺陷陷，和真真实的裂裂纹缺陷陷有一定定的差
27、异异，在某某些情况况下很难难发现真真实缺陷陷的尖端端衍射和和端点反反射信号号，裂纹纹缺陷的的形状决决定了能能否发现现尖端信信号的主主要因素素。为了了更好的的发现缺缺陷尖端端信号，往往往必须须将扫查查灵敏度度提高到到足够高高，才能能发现尖尖端信号号，一般般将灵敏敏度提高高，但须须保持本本底噪声声低于屏屏幕的220%以以下，观观察缺陷陷的动态态回波波波形。在不能发发现尖端端信号时时，应该该采用当当量法或或-6ddB法测测量缺陷的自自身高度度测量不不能单靠靠一种方方法就能能解决问问题，必必须用不不同的测测量技术术，不同同的探头头，不同同的扫查查方向和和动态回回波综合合判断，才才能较好好地对缺缺陷自身
28、身高度进进行测量量。而自自动扫查查更容易易对缺陷陷自身高高度进行行测量。5 应用用通过对表表面开口口缺陷、深深埋缺陷陷和堆焊焊层下缺缺陷的自自身高度度测量试试验研究究发现，只只要缺陷陷形状和和取向适适当，探探头选择择合适，缺缺陷自身身高度测测量精度度较高。为为了提高高对较小小缺陷自自身高度度测量精精度，在在信噪比比满足要要求的条条件下，尽尽量选用用较高频频率探头头，如445MMHz频频率；并并选用宽宽带窄脉脉冲。根据研究究成果，目目前国内内用于反反应堆压压力容器器检查的的堆焊层层下缺陷陷自身高高度测量量技术采采用700纵波双双晶斜探探头探测测和测量量，再用用45纵波双双晶斜探探头进行行高度核核
29、实，测测量技术术采用尖尖端衍射射技术。能能够测量量大于或或等于5mmm的缺陷陷自身高高度。对对于筒体体焊缝的的其他区区域采用用45和600横波单单晶探头头，并用用尖端衍衍射技术术进行缺缺陷自身身高度测测量。6. 结结论缺陷自身身高度的的测量技技术是在在役设备备在运行行期间必必须使用用的超声声检测手手段，这这对设备备中缺陷陷的评定定和寿期期评估有有着重要要意义。尖端衍射射缺陷自自身高度度测量技技术、相相对传播播时间尖尖端衍射射缺陷自自身高度度测量技技术、绝绝对传播播时间尖尖端衍射射缺陷自自身高度度测量技技术和波波型转换换缺陷自自身高度度测量技技术，根根据不同同的应用用对象，有有较高的的测量精精度。缺陷自身身高度测测量与缺缺陷形状状和缺陷陷取向有有密切的的关系，并并且决定定了高度度的测量量准确度度参考文献献1. 无损检测测手册 李家家维 陈积懋懋 主编编2. 无损检测测（高级级教程） 上海锅锅炉厂 上海无无损检测测技术服服务部3. JB/TT 47730 200054. ASMEE XII 220044年版5. RSEMM 19997年年版