相控陣超聲波技術在奧氏體不銹鋼管道環焊縫檢測中的運用

文/吳員 張天江 張利園 史學材 權利

大厚度不銹鋼管道焊接是海上平臺工藝管線工作中的一個最重要的部分，主要使用的材料是Cr-Ni奧氏體不銹鋼，這種材料導線性較差，有較大的線膨脹系數，焊接時會產生較大的焊接應力。如果焊接材料、工藝不當，就會使焊接出現晶間腐蝕、熱裂紋等各種缺陷，影響焊縫質量。同時，由于奧氏體焊縫是一種晶粒粗大的柱狀晶組織，當超聲波進入焊縫中時，會因晶粒直徑、柱狀晶組織產生的彈性各向異性而導致聲速變化、波束偏移、散射衰減增加等問題。因此，采用常規超聲方法對奧氏體不銹鋼管道環焊縫檢測的效果不理想。

超聲相控陣檢測技術技術可以通過計算機軟件對聲束角度、聚集距離及焦點尺寸進行控制；能夠用單個多晶片相控陣探頭對同一位置的焊縫進行多角度的檢測；能夠檢測復雜幾何形狀焊縫，且具有較好的機動性與靈活性；能夠與機械夾具配合使用，高速、全面掃查整個試件；能夠通過計算機對信號與數據進行采集處理，使超聲檢測結果顯示更直觀，此外，該技術可以對數據進行存儲及轉移，便于后續的離線分析。采用超聲相控陣檢測技術對海上平臺工藝管線焊縫進行檢測，檢查時間、檢測成本均有顯著降低，對一些接由于空間受限而導致常規超聲無法完成檢測的焊縫，也能夠通過一次掃描進行全覆蓋檢測。目前，相控陣超聲波檢測在奧氏體不銹鋼管道環焊縫的檢測工作中取得了良好的效果。

1 奧氏體不銹鋼管道環焊縫超聲相控陣檢測技術

1.1 合理選擇相控陣探頭

奧氏體不銹鋼不會在熱處理過程中出現相變，也不會出現晶粒細化的現象。橫波檢測時會較大地受到奧氏體不銹鋼各向異性影響，其聲束還會在焊縫中出現偏轉，進而生成一些與缺陷相似的偽信號。因此，需要使用縱波探頭進行檢測，提高聲束的穿透性，并通過雙晶探頭設置進一步降低噪聲信號干擾。

1.2 優化超聲相控陣設置參數

參數設置是影響檢測空間分辨率與對比度分辨率的重要因素，要對各參數在檢測過程及檢測結果中的影響規律進行分析與總結，優化各參數設置原則與方法。超聲相控陣參數主要由通道增幅、采樣頻率、采樣位數、脈沖寬度、脈沖重復頻率、帶能濾波、時基模式、平滑化、平均化及電壓等組成。脈沖寬度在100-1000ns范圍內變化時，掃查圖顯示，脈沖寬度過大或過小獲得的檢測結果都較差，要合理選擇脈沖寬度。在半聲程聚集模式下，繪制脈沖寬度-回波幅值-信噪比曲線，觀察曲線走向，可以發現，脈沖寬度為450-500ns時，目標孔回波幅值會達到最高值，其他寬度下，會出現先增后減的變化趨勢，噪聲幅值也有這一規律。因此，運用相控陣超聲波技術進行檢測時，要將脈沖寬度調節到陣列探頭主頻率周期的1/2左右，同時保證回波幅值與信噪比滿足規范要求。

2 試驗設備與試塊

選擇Omniscan MX2 超聲波相控檢測儀對有自然缺陷的一種奧氏體不銹鋼管道環焊縫試塊進行檢測，試塊包括一個外徑較小（273mm）、壁厚較小（30mm）的試塊A和一個外徑較大（880mm）、壁厚較大（90mm）的試塊B，試塊有平面型缺陷，主要是內表面缺陷、外表面缺陷與埋藏缺陷三類缺陷。試塊A包含5個缺陷，分別為位于x軸位98.64°、y軸位0mm處的長20mm、高9mm的周向外表面缺陷，一個x軸位102.84°、y軸位0mm處的長20mm、高9mm的周向內表面缺陷，一個x軸位282.50°、y軸位0mm處的長20mm、高9mm的周向埋藏缺陷，一個x軸位94.44°、y軸位0mm處的長20mm、高6mm的軸向埋藏缺陷，一個x軸位230.42°、y軸位0mm處的長20mm、高15mm的軸向埋藏缺陷。試塊B有4處缺陷，一個x軸位26.01°、y軸位0mm處的長35.4mm、高15mm的周向內表面缺陷，一個x軸位61.30°、y軸位0mm處的長10mm、高10mm的周向內表面缺陷，一個x軸位280.00°、y軸位-5.0mm處的長40mm、高19.5mm的軸向內表面缺陷，一個x軸位302.28°、y軸位0mm處的長48mm、高15mm的周向埋藏缺陷。

3 試驗結果

采用超聲相控陣檢測儀分別檢測試塊A與試塊B，檢查過程中，若發現缺陷，則通過-12dB法測長，通過端點衍射法測高，并將相控陣檢測結果與常規自動超聲檢測結果進行比較。

定量結果顯示，缺陷高度檢測結果誤差為-3.8-1.4mm，長度誤差則為-1-13mm，高度均方根誤差1.7mm，與ASMΕ規范中要求的均方根誤差低于3.2mm的標準相符合，長度均方根誤差6.0mm，與ASMΕ規范中要求的均方根誤差低于19mm的標準相符合。常規超聲檢測結果顯示高度檢測結果誤差為-2.5-0.8mm，均方根誤差1.5mm，長度誤差-0.6-18mm，均方根誤差8mm。超聲相控陣檢測誤差均符合ASMΕ規范要求，與常規自動超聲檢測結果誤差相近，部分缺陷檢測結果精確度更高。

4 結語

本文通過使用二維雙晶面陣探頭，合理選擇適宜聚集深度的楔塊，使用CIVA仿真軟件的聲場仿真，并對有自然缺陷的兩個試塊進行檢測，結果顯示，相控陣超聲波技術能夠對這兩個試塊進行全體積缺陷檢測與定量，定量誤差能夠滿足ASMΕ規范要求，可以用于海上平臺工藝管線奧氏體不銹鋼管道環焊縫檢測工作。