Page 6 - 《应用声学》2023年第6期

1116 2023 年 11 月

to the lip welding structure are analyzed and extracted, and the sound velocity of thickness measurement is
corrected by combining the metallographic measurement method. The research results show that the adverse
effect of weld curvature radius change on focused sound field can be improved by water distance correction, the
sound pressure amplitude of the focal zone is only reduced by 11% when the radius of curvature is 28.5 mm,
and the weld penetration can be determined based on the characteristic pulse time interval and sound velocity
correction. Compared with the metallographic test, the absolute error of ultrasonic measurement is less than
0.06 mm, which meets the requirements of non-destructive weld penetration measurement of valve lip welding
in nuclear power plants.
Keywords: Nuclear power valve; Lip weld; Weld penetration; Finite element method; Water-jet ultrasonic
focus testing
入分析声场聚焦能力、水距调整方法以及检测信号
0 引言
特征。在数值模型证明方法可行后，根据检测现场
截止阀通过控制阀门启闭程度调整内部介质 需求将水浸法改进为喷水法进行阀体焊缝熔深测
的流通量或阻断流动，具有密封性好、启闭时间短、 量试验；通过与金相实验对比修正焊缝中声速，实现
工作行程小、耐用性好等优势被广泛应用在核电回 唇焊焊缝的熔深测量。本技术已用于核电站大修检
路系统中 [1−3] 。为保证CPR100 堆型核级截止阀的 测中，对于核电站阀体唇焊焊缝失效预防、保障核
密封性，避免内部介质泄漏，采用钨极氩弧焊将阀体 级阀门安全运行、完善核电站大修检测工序具有重
与阀盖连接形成密封唇焊焊缝 [4] 。阀门唇焊缝既要 要应用价值。
承受正常的运行压力和腐蚀作用，还要承受随机组

运行、停堆状态交替变化而产生交变应力，焊缝熔 1 阀门唇焊结构及熔深测量方法
深不足易导致无预期的唇焊缝开裂和泄漏事故。因
核级阀门材料为碳钢A42AP，唇焊焊缝位于阀
此，焊缝熔深的焊后无损检测非常重要。但受阀门
体和阀盖之间的结合位置。图1(a) 为焊缝结构图及
结构的影响，国内外还未开发此无损检测技术。超
检测示意图：喷水式探头放置于焊缝表面并使检测
声波具有方向性好、穿透性强、检测范围大以及对
声束垂直入射至焊缝内部；通过脉冲反射法可接收
小尺寸缺陷敏感的特性，广泛应用于材料或构件的
内部缺陷检测、腐蚀检测及构件测厚中 [5−9] 。从技 探头 -水界面反射回波脉冲 F 1 、水 -焊缝余高界面反
术原理看，焊缝熔深的超声波测量与构件的超声波 射回波脉冲 F 2 、狭缝端反射波脉冲 F 3 、焊缝底面反
测厚相似。超声测厚主要有两种方式，一是通过超 射波脉冲 F 4 ，检测信号特征如图 1(b) 所示。将脉冲
声波反射回波脉冲时差和材料声速进行测厚，二是 F 3 和F 2 的时差乘以声速除以2 即可得出焊缝熔深
通过在薄层中多次反射叠加形成的共振频谱进行 T，即：
薄层测厚 [10] 。后一种方法主要用于具有两平行表 (t 3 − t 2 ) × C
T = , (1)
面的薄层构件，低频超声波容易在平行薄层表面形 2
成驻波 (共振)，驻波共振信号的频谱分布中含有构 式 (1) 中：t 2 为脉冲 F 2 到达时间，t 3 为脉冲 F 3 到达
件的厚度信息 [11] 。 时间，C 为焊缝中超声波纵波声速。
阀体唇焊焊缝熔深指的是余高表面与根部未 式(1)的焊缝熔深测量原理简单明了。然而，在
熔合形成的狭缝端之间的长度，由于焊缝内部狭缝 具体实施过程中，依然存在两个困难：(1) 焊缝组织
端尺寸较小，低频超声波在端部绕射不能形成有效 结构不均匀，声速需修正；(2) 需保证狭缝端反射
反射；并且，由于焊缝中声衰减较大，无法形成频谱 回波脉冲清晰可见，而较小尺寸的狭缝端反射回波
测厚所需的驻波共振。因此，只能基于焊缝结构反 很弱。如何高效接收狭缝端的反射回波是唇焊焊缝
射波脉冲的时差进行焊缝熔深测量。为了能够捕捉 熔深测量必须解决的关键问题。为了使超声波能够
狭缝端反射回波，必须采用高频超声波高效透过焊 高效穿透余高曲面并在狭缝端形成高能声场，采用
缝曲面并在焊缝内部的狭缝端形成聚焦声场。本文 水浸(喷水)聚焦检测技术开展检测工作。图1(a)显
通过建立唇焊焊缝水浸超声检测的有限元模型深 示，通过调整水距 H 可将聚焦声束的焦区调整至深