核电作为清洁、高效的优势能源之一，以其较好的环境效益和经济效益，已经在国内取得了长足发展。核安全与核电发展相辅相成，保障核电机组的安全稳定运行一直是最重要的课题。主蒸汽管道是核电厂的主设备之一，其本身在设计、制造、安装、在役检查期间都十分严格，而主蒸汽管道与支管连接的BOSS头焊缝，因其高温、高压、高应变的恶劣工况，加之其复杂结构在当时的历史条件和检测技术的限制，导致其长期处于“带伤工作”的状态，严重降低了可靠性，如无法及时排除，其失效的概率将大大增加。
为了解决这一难题，一种无损检测的“新宠”-相控阵超声检测技术（PAUT），因其检测直观、高效、可靠、可记录，尤其适应复杂工件检测等优势，被得到推广运用。
1、BOSS头常见结构
任何检测方法的运用，都是建立在对备件工件结构、尺寸、材质等之上，尤其是超声检测技术，工件的内部结构直接关系到检测结果的可靠性。下面以高压排汽管BOSS头为例进行分析。
高压排汽BOSS
高压排汽压力测点的BOSS，其扩孔位置（台阶）位于BOSS上（焊缝上部），外观均成“锥形”，支管与BOSS对接。BOSS为合金材质，母管为薄壁管。
2.检测技术
采用相控阵超声（PAUT）技术对BOSS头焊缝内部缺陷进行检测。相控阵超声探头是由许多独立的晶片构成的，每个晶片都能被单独激发。根据系统软件设置，每个晶片能通过不同的时间延时来激活，并发射和接受超声波信号。同时，相控阵超声探头可加装楔块或延迟块以辅助声束的偏转。本文采用具有64通道的支持扇形扫查的GEKKO相控阵检测仪，相控阵探头由16个晶片组成阵列，选用与BOSS头外径尺寸相匹配的楔块，扫查器为链式扫查器CRS-24。
由于母管圆周方向弧度的变化，导致单一从母管上进行相控阵超声检测时无法完成声束全覆盖，因此我们选用在实际中更为容易实现有效检测的位置—支管（即BOSS头本体上）作为检测位置，在必要时增加母管侧检测。同时结合直射和反射法（实际为改变探头前沿到母管表面的偏移）来覆盖被检区域进行仿真检测，以保证检测有效性。
将楔块带曲率的16晶片的线阵相控阵超声探头放在支管上进行扇形扫查，为了保证探头的声束覆盖需要扫查两个序列。
图2-1：一次波声束覆盖示意图
图2-2：二次波声束覆盖示意图
从图2-1、图2-2可知，通过改变相控阵探头的偏移量，被检焊缝的大部分区域被声束有效覆盖，但是BOSS头内部的扩孔变径区域无法得到检测覆盖；且从两次声束覆盖的仿真示意图中发现，一次波和二次波能有效检测出气孔、夹渣及与声束方向形成一定角度的裂纹等缺陷，而由于BOSS头的坡口大致与声束平行，坡口未熔合可能信号比较弱不好分辨，而导致漏检。为避免该情况的发生，在实际检测中需要增加一次调整偏移补充扫描，以尽可能达到垂直扫描的效果，见图2-3。
图2-3：补充扫描
通过声束仿真模拟，我们在软件中模拟增加了气孔、未熔合、裂纹等不同类型的缺陷并进行了缺陷仿真检测。
图2-4：气孔检测仿真
图2-5：未熔合检测仿真
图2-6：裂纹检测仿真
从图2-4中看出，气孔一般在相控阵超声检测B扫或C扫中呈单点或多点信号，信号具有一定高度，各个角度的幅值变化不大，缺陷尺寸一般都较小，位置一般出现在焊缝中间。
从图2-5中看出，未熔合的方向性较明显，往往一次波和二次波的幅值差异较大，沿坡口方向延伸。BOSS头焊缝的未熔合判断需要重点考虑台阶信号的干扰。台阶信号一般靠近BOSS头内壁位置，一般为整圈，信号尖锐，而坡口未熔合的位置靠近外部，长度较台阶信号短。
从图2-6中看出，裂纹的信号判断与常规超声类似，主要从是否具有端点衍射信号上来判断。
3.现场实施
某核电站为彻底解决BOSS头焊缝的“带伤工作”的隐患，在集团内首次运用相控阵超声检测技术对主蒸汽相关BOSS头焊缝普查，排查出坡口未熔合、气孔、裂纹及安装与设计不符等多种缺陷，经过使用渗透检测（PT）、射线检测（RT）和目视（VT）等方法，对部分缺陷进行对比验证，确定了相控阵超声检查发现的缺陷真实可靠。
①气孔
检测人员发现在22#压力测点BOSS焊缝存在超标缺陷，根据检测波形初步判断为气孔，最后在对该BOSS进行切割后，在对应部位经过渗透检测发现气孔真实存在，如图3-1、图3-2。
图3-1 相控阵超声检测缺陷图-气孔
图3-2 渗透检测对比验证图-气孔
②未熔合
在检测人员发现39#温度测点BOSS存在超标缺陷信号，该缺陷位于坡口位置，且缺陷基本与坡口方向平行。由于该温度测点无备件，电厂采用了挖补的消缺方式。在挖补过程中，维修人员在坡口处进行渗透检测，均发现了坡口未熔合的真实缺陷，如图3-3、图3-4。
图3-3 相控阵超声检测缺陷图-未熔合
图3-4 渗透检测对比验证图-未熔合
4.结论
通过BOSS焊缝的仿真模拟、对比验证以及现场实施，证明该检测技术高效、可靠，能够发现制造安装、在役运行期间的不同缺陷，不仅优化了大修射线窗口，为机组的安全稳定运行提供了保证。结合检测实践，主要形成以下结论：
1、BOSS头的失效主要发生在母管与BOSS头连接的角焊缝，失效诱因既可能为在役运行产生的新缺陷，也可能为由于安装不规范而带入的旧伤，实际中坡口未熔合、气孔最为常见，应重点关注。
2、BOSS头焊缝相控阵检测需要根据不同的结构形式而加以区分判断，其中高压压力测点BOSS相控阵检测重点考虑扩孔端角信号和缺陷信号的区分。
3、相控阵超声检测对于焊缝内部的缺陷检测可靠性很高，但根据现场检测发现，其对于焊缝表面及近表面的缺陷不敏感，因此在实际检测中必须结合表面检测方法（优先磁粉检测）进行缺陷排查。
参考文献：
[1]孙磊，田国良，樊传琦等.DL/T1718-2017火力发电厂焊接接头相控阵超声检测技术规程；
[2]阎长周,郑晖,许遵言等.NB/T47013.3-2015,承压设备无损检测 第3部分：超声检测；
[3]郑晖，阎长周，候金刚等.NB/T47013.15-2015,承压设备无损检测 第15部分：相控阵超声检测；
[4]SY-WD-PG-045-A/2,大亚湾核电厂、岭澳核电厂常规岛BOSS焊缝专项检测程序。
