插套焊以其裝配簡單的優(yōu)勢，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(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，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。插套焊性能不及對接接頭性能，若軸向間隙不足，熱膨脹受限會產(chǎn)生較高熱應(yīng)力[2]。韓國標(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)針對插套焊焊前組對間隙提出了要求。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，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，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(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(zhì)量進(jìn)行檢測的同時，直觀評價軸向間隙[4-6]，但射線檢測輻射風(fēng)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(fēng)險，且對軸向間隙不能定量評價。

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)選了軸向間隙測量對象并以此設(shè)計了校準(zhǔn)及模擬試塊；設(shè)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(xiàn)有相控陣超聲小徑管Cobra探頭的基礎(chǔ)上，采用CIVA 2021仿真平臺對相控陣超聲探頭頻率參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對檢測工藝進(jìn)行了仿真模擬。然后，在此基礎(chǔ)上開發(fā)檢測工藝系統(tǒng)，并在模擬試塊上進(jìn)行了工藝驗證，為插套焊軸向間隙的定量評價提供了技術(shù)思路。

1. 試驗對象與步驟

1.1 優(yōu)選的試驗對象

RCC-M-2007、GB/T 16702—2019及ASME Ⅲ—2004對插套焊結(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(xié)會）研究報告表明，支管側(cè)焊腳高度為管座側(cè)的2倍時可使焊腳過渡平滑、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)計文件中也均已采用該焊接結(jié)構(gòu)。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(tǒng)的127個插套焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，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(chǔ)上，采用CIVA 2021仿真平臺對探頭頻率進(jìn)行優(yōu)選。

（2）針對優(yōu)選的插套焊結(jié)構(gòu)，設(shè)計相控陣超聲校準(zhǔn)試塊及掃查工裝，采用CIVA 2021仿真平臺分別對管座與支管側(cè)管角信號的檢出性進(jìn)行仿真驗證，并在軸向間隙模擬試塊上進(jìn)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(cè)，固定步進(jìn)偏置使兩個部位的端角信號清晰顯示，采用游標(biāo)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(shè)計優(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仿真平臺在5 MHz~10 MHz的中心頻率范圍對支管側(cè)端角反射的最大幅值響應(yīng)進(jìn)行仿真計算，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(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，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(yīng)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(yīng)

圖 5 1 mm高度裂紋在5 MHz~10 MHz時的聲場響應(yīng)

2.2 試塊設(shè)計

針對優(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，采用中心逼近對校準(zhǔn)用圓弧的尺寸進(jìn)行了設(shè)計改造。

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，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(zhǔn)點(diǎn)靈敏度在±3 dB以內(nèi)變化，但相控陣超聲遵循近場區(qū)聲