核電廠主管道窄間隙焊縫射線檢驗疑似線性缺陷分析

郭彥輝，王巖，張曉峰，劉麗麗，張靈宇

（1.生態環境部核與輻射安全中心，北京 102488；2.中國核工業二三建設有限公司，北京 101300）

0 前言

壓水堆核電廠主管道是連接壓力容器、主泵和蒸汽發生器的關鍵設備，是一回路系統承壓邊界的重要組成部分[1]，其安裝質量對于反應堆的安全運行起著重要保障作用。主管道厚度一般為60～90 mm，材質為奧氏體不銹鋼。窄間隙鎢極氬弧自動焊技術由于焊接效率高、質量穩定、經濟性好，已經廣泛應用于壓水堆核電站主管道的焊接安裝過程中[2]。在主管道焊接安裝過程中，射線檢驗技術是主管道焊接質量檢驗的主要手段，但是在國內多個核電項目主管道窄間隙焊接檢驗過程中發現，焊縫的部分射線檢驗（RT）底片上常出現疑似缺陷的顯示，且主要以黑色線性顯示特征居多[3-4]。這類顯示已經被研究和討論，但是對于疑似線性缺陷的產生原因不完全相同[5-8]。這類異常顯示多在主管道正式焊接安裝過程中發現，由于無法對正式管道進行破壞性檢驗，限制了對此問題的深入分析和研究，影響了對異常顯示的評判與處理。因此，對疑似線性缺陷的產生原因進行分析，研究其產生的機理，準確評價主管道窄間隙焊縫射線底片，評估主管道的安裝質量具有重要意義。

該研究的試樣取自與正式產品材質、規格和焊接工藝完全相同的主管道焊接產品見證件。通過射線檢驗、顯微組織分析及力學試驗，探究了射線檢驗疑似線性缺陷的產生機理，為準確判斷和評估焊縫質量提供了重要參考。

1 試件制備及檢驗

1.1 試件焊接

試驗試件取自核電廠主管道焊接見證件的正式焊縫。管道材質為Z3CN20.09M 奧氏體不銹鋼，鍛造工藝，管道規格?939 mm×90 mm，所用焊接材料牌號為焊絲ER316L，母材與焊材主要元素含量見表1。主管道焊接采用窄間隙鎢極氬弧自動焊工藝，焊接參數見表2，焊接位置為管道軸線水平固定的全位置焊接（5G），坡口寬度約10～12 mm。

表1 母材與焊材化學成分（質量分數，%）

表2 窄間隙鎢極氬自動焊工藝參數[4]

1.2 無損檢驗

主管道在焊接過程中，分別在不同熔敷金屬厚度進行射線檢驗，檢驗依據ASME V 卷射線篇，檢驗結果應該符合I 級焊縫要求。

射線檢驗放射源采用Ir192，源尺寸?3 mm ×2 mm，中心曝光，焦距470 mm，膠片系統配合增感屏使用，曝光底片選擇柯達膠片，幾何不清晰度 ≤0.6 mm，增感屏類型為鉛，厚度0.2 mm，檢驗參數及結果見表3。

如表3 所示，在熔敷金屬厚度20～45 mm 檢驗時，射線底片上出現了黑度非常低的疑似線性缺陷的線性顯示，線性顯示位于焊縫中間，寬度約1 mm，形狀及位置如圖1 所示，依據ASME V 的底片評定標準，其黑度變化率與形態難以準確判定為缺陷。由于主管道對于核電廠運行安全極其重要，因此，這些線性顯示的存在影響了對焊縫質量的評判。

圖1 疑似線性缺陷示意圖

2 試驗

對含有疑似線性缺陷的焊縫采用單壁曝光方式進行射線檢驗驗證，并且對線性顯示區域顯微組織進行宏觀金相、微觀金相、化學成分、顯微硬度等測試，統計孔隙率分布，分析線性顯示產生原因。

2.1 射線檢驗

射線檢驗放射源采用Ir192，透照方式為外側單壁透照，如圖2 所示，放射源偏離中心約3°，焦距為300 mm，對不同厚度熔敷金屬進行射線檢驗，檢驗參數及結果見表4。

圖2 偏心單壁透照示意圖

2.2 顯微組織及力學試驗

對線性顯示的焊縫區域進行取樣，焊縫橫截面及試樣截取位置如圖3 所示。分別在熔敷金屬的橫截面A 面和縱截面B 面進行分析，C 面為無射線檢驗陰影顯示區域，作為對比試樣分析。

圖3 試樣截取及分析位置示意圖

對A 面、B 面和C 面進行宏觀和微觀組織分析，如圖4 所示。把焊縫截面分為3 個區域，分別為中心區域（區域1）、邊緣區域（區域2）、熔合線區域（區域3）。焊縫中心區域寬度約1 mm，即RT 底片顯示疑似線性缺陷區域，焊縫邊緣區域寬度約2 mm，熔合線區域寬度約2 mm。每個區域進行光學顯微金相和掃描電鏡觀察，采用金相法統計不同區域δ 鐵素體含量，利用電子探針分析不同區域的化學成分。

圖4 顯微組織分析區域示意圖

由于試樣尺寸限制，力學性能測試只進行維氏顯微硬度分析。顯微測試載荷0.49 N，加載時間10 s。從左側熔合線開始至右側熔合線，每隔1 mm 取一個微測試區域，共取11 個區域，每個區域測量3 個數據點，用算數平均值表示本測試區域的顯微硬度值。A面測試A1與A2兩條線，B 面、C 面隨機測試一條線。

對A 面、B 面和C 面的孔隙率進行統計，以孔隙面積占圖片總面積的百分比表示，表達式如式（1）所示

式中：η為孔隙率；Sv為分析區域內孔隙面積和；S 為分析區域面積。

由于窄間隙焊縫采用單層單道焊接工藝，焊縫截面屬于軸對稱圖形，因此孔隙率的統計僅分析焊縫半寬區域?？紫堵式y計照片采用掃描電鏡照片，試樣表面不腐蝕?？紫堵式y計選點位置示如圖4 所示，1 號、2 號、3 號線間距分別為0.5 mm，3 號、4 號、5 號、6 號線間距分別為1 mm。A1與A2表示A 面分析區域不同焊縫厚度，在橫向上A1，A2線與各號線的交點附近拍攝20 張SEM 照片，A 面共計240 張，進行孔隙率統計。B 面分析區域選點在焊接方向上，沿每號線拍攝30 張照片，共計180 張，進行孔隙率統計。C 面取點方式與A 面類似，但僅取一條線，6 個點，共計120 張照片，進行孔隙率統計。

3 試驗結果

3.1 無損檢驗結果

單壁偏心外透照方式的檢測結果與中心透照結果基本相同，見表4。根據李衍提出[6]的判斷疑似線狀缺陷的方法，可以初步判定試件的線性顯示并不是射線衍射產生的偽缺陷。此外，采用相同的焊接工藝，同一主管道焊縫的其他位置底片沒有類似線性顯示，也表明線性顯示也不是因奧氏體晶粒粗大導致的衍射斑紋[3]。

采用角向磨光機、拋光輪等對存在線性顯示的部位進行機械研磨，仔細清理，在研磨清理過程中，并未在不同厚度熔敷金屬中發現有密集氣孔、夾渣、未熔合等缺陷存在。

3.2 微觀組織

圖5 是焊縫橫截面的宏觀金相，整個焊縫熔敷金屬寬度約10 mm，焊道呈單層單道分布，熔敷金屬從邊緣向中心凝固，可以看到明顯的凝固取向，整個截面不存在未熔合、夾渣和氣孔等缺陷，特別是在線性顯示區域內無可見缺陷。圖6 是A 面3 個區域的光學照片，區域1 是焊縫中心，由于δ 鐵素體含量的差別，可能導致耐腐蝕程度不同，所以視場內明暗程度不同。區域2 是臨近焊縫中心區域，圖中可以看出明顯的焊道分布。區域3 與區域2 相鄰，靠近熔合線，其組織形貌與區域1 和區域2 基本類似，但是由于靠近熔合線，熔池形態導致焊道傾斜度較大。3 個區域的組織均為奧氏體與δ 鐵素體的混合組織，且δ 鐵素體呈枝晶狀分布在奧氏體中。A 面、B 面、C 面的光學金相顯微組織基本一致，限于篇幅，B 面和C 面金相照片不再列出。

圖5 焊縫橫截面宏觀金相

圖6 A 面不同區域的光學顯微組織

圖7 是A 面與B 面不同區域的掃描電鏡形貌。A 面的掃描電鏡圖片顯示3 個區域的顯微組織基本相同，主要由奧氏體和δ 鐵素體組成，δ 鐵素體分布于奧氏體邊緣，屬于鐵素體-奧氏體凝固模式。在δ鐵素體的邊緣，特別是δ 鐵素體端點出現許多圓形的微細“孔隙”，其尺寸約0.5～2.0 μm。區域1 中微細孔隙數量最多，區域2 次之，區域3 最少。B 面的顯微組織形貌與A 面基本相同，由于取樣界面與A 面垂直，B 面中δ 鐵素體多呈條狀分布。

圖7 不同區域的掃描電鏡形貌

采用金相統計法對A 面、B 面、C 面不同區域的δ 鐵素體含量進行統計，每個區域選擇200 倍金相照片25 張，統計結果見表5。A 面區域1 中δ 鐵素體含量略高，但與區域2 中的δ 鐵素體含量沒有明顯差別，區域3 的δ 鐵素體含量最低，但與區域1 和區域2 鐵素體含量最大相差僅0.7%，所以，3 個面的δ 鐵素體含量無明顯差別。

表5 A 面、B 面、C 面不同區域的δ 鐵素體含量（%）

對掃描電鏡照片中發現的微細孔隙，采用電子探針（EMPA）分析形貌與化學成分。圖8(a)是采用電子探針背散射獲得的微細孔隙形貌，微細孔隙基本呈圓形，邊緣較圓滑，初步判定為氣孔。圖8(b)～圖8(h)分別是Fe，Cr，Ni，Si，O，S，Mn 電子探針分析元素分布，微細孔隙中幾乎不存在Fe，Cr，Ni 等主要組成元素，僅含O，S，Mn 等雜質元素，進一步分析判斷微細孔隙應是含有硫化物、氧化錳等雜質的氣孔。

圖8 微細孔隙形貌及元素分布

3.3 顯微硬度

對A 面、B 面、C 面進行維氏顯微硬度測試，結果如圖9 所示。A1面，A2面，B 面和C 面的焊縫邊緣兩側顯微硬度比焊縫中心略高，C 面顯微硬度值整體略高于A 面和B 面。A，B 和C 面的顯微硬度平均值分別為186 HV，181 HV，190 HV，即異常線性顯示區域A 面、B 面硬度基本相同，且與無線性顯示的C 面區域的顯微硬度無明顯差異。

圖9 顯微硬度分布曲線

3.4 孔隙率統計

由圖7 觀察發現，焊縫不同區域的微細孔隙數量、大小存在差異，因此，對A 面、B 面、C 面的微細孔隙按照2.2 章節的孔隙率統計方法進行統計計算，定量比較不同分析面不同區域的孔隙率大小。為了確保微細孔隙數量和大小統計得準確性，用于分析的試樣拋光后，用超聲進行清潔但不腐蝕，避免腐蝕導致新的孔隙產生和已有孔隙的擴大。

圖10 為圖4 中A1線的6 個微區域拍攝的微細孔隙典型SEM 照片。視場內的微細孔隙隨機分布，每個微細孔隙基本都呈圓形。由于篇幅限制，不一一列出其他分析面不同分析區域的SEM 照片。圖11為A 面、B 面、C 面的孔隙率統計計算曲線。表6 為孔隙率統計數據的置信區間。A 面孔隙率的置信區間為3.69%，B 面孔隙率的置信區間為4.19%，C 面空隙率置信區間為5.21%，偏差范圍均在可接受范圍內。焊縫中心孔隙率最高，隨著遠離焊縫中心，孔隙率逐漸下降，在熔合線附近孔隙率最低。A 面、B 面的孔隙率要高于無線性顯示的C 面孔隙率，A 面、B 面中心的孔隙率最高約0.06%，而C 面焊縫中心孔隙率最高僅約0.03%。A 面或B 面，孔隙率較高的范圍在焊縫中心，寬度約1 mm。

圖10 A1～A6 面微細孔隙分布圖

圖11 孔隙率分布曲線圖

表6 孔隙率統計數據置信度

3.5 討論

采用Ir192 進行偏心的單壁透照與中心單壁透照結果基本相同，由此可以判斷疑似線性缺陷不是γ 射線衍射產生的陰影。同一焊縫其他位置的底片未出現疑似線性缺陷，也推斷疑似線性缺陷也不是由于晶粒的粗大等產生的衍射斑紋。通過對顯微組織的分析發現，不同的分析位置其顯微組織沒有明顯區別，但是在顯微組織中存在大量直徑約0.5～2.0 μm的微細孔隙，而且不同區域的微細孔隙數量存在差異。

射線檢驗的原理是利用射線穿過被檢工件，當結構上存在不連續性時，使射線產生衰減、吸收或散射，然后在底片上形成影像[9]。含有微細孔隙的焊縫組織相對于致密金屬，其對射線的衰減作用減弱，特別是當微細孔隙數量累積達到一定閾值時，可能會產生一定射線影像。通過對焊縫橫截面和縱截面不同位置的微細孔隙率的統計，孔隙率較高的焊縫區域寬度與疑似線性缺陷的位置、寬度基本一致，而且相比無疑似線性缺陷的焊縫的孔隙率高，因此判斷線性顯示是由于焊縫組織中在存在一定量的微細孔隙形成體積“缺陷”，導致底片產生線性顯示。但是由于孔隙率較低，不足以對射線產生足夠的衰減，隨著熔敷金屬厚度的增加，微細孔隙的影響減弱，所以當熔敷金屬厚度達到55 mm 以上時，疑似線性顯示又在底片上消失。

4 結論

（1）焊縫中的各個區域顯微組織主要是δ 鐵素體與奧氏體組成，其δ 鐵素體含量基本相同，而且不同區域的顯微硬度基本一致。

（2）產生疑似線性缺陷的焊縫中心區域的微細孔隙率要高于同一焊縫的其他區域，且高于無線性缺陷的焊縫區域。

（3）疑似線性缺陷不是真實的焊接缺陷，其產生原因主要是由于焊縫組織中存在微細孔隙導致的對射線吸收率不同而產生的顯示。