厚壁347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測

李曉亮 朱生萍 魏劍平 王軍杰 馬小兵

（新疆蘭石重裝能源工程有限公司）

347H 不銹鋼具有較高的高溫強度和塑性，它憑借優良的抗氧化耐腐蝕性能（優于雙相鋼和碳鋼+鎳基堆焊層） 和加工焊接性能在壓力容器制造中被廣泛使用，且成本低廉。 347H 不銹鋼的抗氧化耐腐蝕性能與其母材的晶粒尺寸密切相關：若347H 不銹鋼對接焊縫的晶粒尺寸較大，在超聲波檢測過程中，粗大的晶粒和不同晶粒的各向異性會導致超聲波的嚴重散射和波形轉換，使聲束產生畸變、聲速發生變化，造成對接接頭超聲波檢測出現大量的草狀雜波并覆蓋缺陷波，使缺陷無法被檢出。 而對于厚壁焊接接頭，上述因素對超聲波檢測的影響更加突出。 為此，筆者針對347H 不銹鋼厚壁對接接頭超聲波檢測方法進行探索。

1 概況

新疆蘭石重裝能源工程有限公司承制了一批流化床反應器（圖1），規格為3200mm×66mm×23285mm，材料為347H 不銹鋼。

圖1 流化床反應器示意圖

347H 不銹鋼主要用于制造壓力管道等壓力元件，一般使用厚度都比較薄，其對接接頭的無損檢測方法通常選擇射線檢測。 采用347H 不銹鋼作為主體材料制造壓力容器在國內尚屬首次，66mm 的壁厚也是目前最大的壁厚。 設計文件要求對該產品的A、B 類焊接接頭采用100%RT+100%UT+100%PT 檢測。 目前，347H 不銹鋼對接接頭超聲波檢測參照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》［1］附錄I（資料性附錄）——《奧氏體不銹鋼對接接頭超聲檢測方法和質量分級》中的相關要求執行。

2 347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測方法

2.1 材料成分分析

347H 不銹鋼化學成分見表1。

表1 347H 不銹鋼化學成分 %

2.2 焊縫金相組織

347H 不銹鋼對接焊縫金相顯微組織如圖2所示，可以看出，焊縫及熱影響區附近的平均晶粒度符合E112 試驗方法的要求，測定的347H 不銹鋼對接焊縫具有ASTM N07 號或更粗的平均晶粒度。

圖2 347H 不銹鋼對接焊縫金相顯微組織

2.3 探頭及儀器的選擇

2.3.1 探頭

對于頻率為1.8MHz 的雙晶縱波斜探頭，不銹鋼中的聲速按5 690m/s 計算，得到理論波長為3 000μm。 當焊縫的晶粒直徑接近超聲波波長的1/10 時，就會有明顯的聲散射，當晶粒直徑達到半個波長時，聲散射劇增，無法進行超聲波檢測［2］。347H 不銹鋼對接焊縫具有ASTM N07 號晶粒度， 焊縫的晶粒直徑在超聲波波長的1/10～1/2之間， 而采用低頻率探頭可以解決雜波多的問題，因此將探頭頻率控制在1.8～4.0MHz 之間。

雙晶探頭由兩個晶片組合在一起，一個晶片發射超聲波，另一個晶片接收超聲波，兩個晶片相互傾斜，在接收和發射聲束相交的菱形區域內形成了一個菱形聲束匯聚區，只有菱形區域內的缺陷，其反射波才能被探頭接收［3］。相比于單晶探頭來說，雙晶探頭的菱形聲束匯聚區內的聲能較集中，可提高缺陷檢測的靈敏度，從而提高信噪比。 雙晶縱波斜探頭具備縱波探頭和直探頭的特點，也兼具斜探頭的特點，因此其波束穿透能力強；采用兩個晶片分別發射和接收聲束，檢測通道暢通，在檢測過程中產生盲區較小，檢測靈敏度較高。因此，在347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測過程中優先選用低頻雙晶縱波斜探頭。

對于雙晶縱波斜探頭來說，在超聲波檢測過程中，在波速一定的條件下，頻率與波長成反比，探頭頻率越高，波能衰減越大，穿透能力越弱［4］。由于只有在菱形聲束匯聚區域內的缺陷才能被雙晶縱波斜探頭檢出，因此改變探頭波束入射角度， 就可以改變菱形聲束匯聚區的位置和形狀，當入射角增大時，菱形聲束匯聚區就向試件的上表面移動，菱形區深度范圍變小。 在實際檢測過程中，應根據待檢部件的厚度，選擇探頭的波束入射角度， 獲得相應深度的菱形聲束匯聚區，對整體焊縫不同深度進行分層檢測，以得到較高的檢測靈敏度。

對于347H 不銹鋼焊接焊縫， 在超聲波檢測過程中，對于某一深度為H 的缺陷，檢測設定的水平距離為b， 缺陷反射波與探頭掃查面的夾角為θ， 則H=b/tanθ， 即隨著探頭波束入射角的增大，菱形聲束匯聚區上移，對焊縫上面缺陷的檢測靈敏度升高。 在現場探索檢測的過程中，選用不同的波束入射角探頭對不同深度的缺陷進行檢測，得到不同波束入射角探頭對不同深度缺陷的檢測結果（圖3）。 對檢測數據進行整理對比分析，確定不同波束入射角探頭對應的檢測深度范圍。最后對上述部位缺陷進行射線檢測（圖4），將射線檢測結果與超聲波檢測結果進行對比驗證。

圖3 347H不銹鋼對接焊縫超聲波檢測結果

圖4 347H 不銹鋼對接焊縫射線檢測結果

雙晶縱波斜探頭的性能與其材料和制造工藝有關。 在347H 不銹鋼對接焊縫檢測過程中，選用不同波束入射角的雙晶/單晶縱波斜探頭對不同深度的缺陷進行檢測，得到的檢測靈敏度見表2。

表2 不同波束入射角的雙晶/單晶縱波斜探頭的靈敏度對比

通過分析表2 中所列的檢測靈敏度數據，并結合新疆蘭石重裝能源工程有限公司超聲波檢測工藝標準附錄J——《奧氏體不銹鋼對接接頭超聲波檢測工藝》中的相關內容，推薦347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測的探頭選擇標準見表3。

表3 347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測的探頭選擇標準

2.3.2 超聲波檢測儀

目前，市場上的超聲波檢測儀的性能都能滿足對接焊縫的檢測要求，因此超聲波檢測設備的選擇應與探頭、線纜的選擇相匹配，以獲得最佳的靈敏度、分辨力和信噪比。

3 試塊制作要求

試塊制作時，對其材料、形狀、尺寸和表面狀態有專門的要求和規定，其中標準試塊用于設備和探頭檢測性能的調試和校準。

對于347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測，制作了與347H 不銹鋼同材質的CSK-IA 試塊，消除了因材料差異而產生的設備調試和校準誤差。

在缺陷評估定量過程中， 制作了與347H 不銹鋼對接焊縫相同材料、相同厚度和相同焊接工藝的對比試塊。 由于檢測過程中不得存在不小于φ2mm 的缺陷， 所以347H 不銹鋼對接焊縫對比試塊設置了一個φ2mm 的長橫孔。

4 結束語

347H 鋼屬于奧氏體不銹鋼， 但其材料性能與其他奧氏體不銹鋼存在差異。 針對347H 不銹鋼對接焊縫自身的特點， 對347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測進行了探討和研究。 首先，采用分層檢測的方法，對于不同深度的缺陷，合理選擇探頭的波束入射角，提高缺陷檢出率和檢測靈敏度；其次，對于粗晶材料對接焊縫，選用低頻探頭可以減少檢測過程中產生的雜波，避免雜波覆蓋缺陷波從而產生缺陷漏檢的現象；再次，雙晶縱波斜探頭性能穩定，兼具斜探頭和縱波探頭的特點，波束穿透能力強，波能衰減小，檢測靈敏度高，其聲束發射和接收通道獨立設置，不會出現通道堵塞的現象，檢測盲區小。

經過對347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測方法的探討和研究，使流化床反應器產品對接焊縫的缺陷檢出率得到了充分提高，焊縫射線檢測一次性合格率從87%提高到95%以上，從側面印證了347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測取得了良好的效果。 為今后對347H 不銹鋼對接焊縫的超聲波檢測提供了數據和經驗支持，使同類材料產品的制造質量得到了有效保證。