厚壁奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭的相控陣超聲檢測

吳 豪，單魯維，路曉衛(wèi)，呂 博

(1.天津市達(dá)安特工程檢測有限公司，天津 300357;2.中國石油西氣東輸管道分公司,上海 200131；3.中石化河北建投天然氣有限公司,石家莊 050011;4.圖邁檢測技術(shù)(成都)有限公司,成都 610041)

奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性、成型性和較好的韌性，在工藝管道中應(yīng)用廣泛。但奧氏體不銹鋼焊縫中枝晶方向性很強(qiáng)，枝晶間存在低熔點(diǎn)雜質(zhì)的偏析，加之奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)低而膨脹系數(shù)大，會(huì)使焊縫區(qū)產(chǎn)生較大的溫差和收縮內(nèi)應(yīng)力，所以焊縫中容易產(chǎn)生熱裂紋[1]，從而給工藝管道的安全運(yùn)行帶來一定隱患。

目前常用的奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭無損檢測手段有射線檢測和超聲檢測技術(shù)，射線檢測對(duì)安全防護(hù)要求很高，對(duì)人體有一定危害，且射線檢測對(duì)厚壁奧氏體不銹鋼的檢測靈敏度也偏低，對(duì)危害性缺陷容易產(chǎn)生漏檢[2]。利用傳統(tǒng)超聲檢測方法檢測奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭時(shí)，一般采用高阻尼窄脈沖縱波斜探頭、雙晶縱波聚焦斜探頭或聚焦縱波斜探頭，由于奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭凝固時(shí)未發(fā)生相變，在室溫下以鑄態(tài)柱狀?yuàn)W氏體晶粒存在，所以其晶粒粗大，會(huì)造成聲束嚴(yán)重散射，衰減大；柱狀晶粒具有各向異性，超聲波在其中傳播時(shí)聲束被扭曲，定位誤差較大[3]；常規(guī)超聲檢測的檢測結(jié)果不可追溯，檢測質(zhì)量受人為因素影響大。綜上所述，厚壁奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭的焊接質(zhì)量檢測一直是無損檢測的難點(diǎn)。為解決此難題，文章使用相控陣超聲檢測技術(shù)對(duì)厚壁奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭試塊進(jìn)行檢測。

1 相控陣超聲檢測技術(shù)

相控陣超聲檢測技術(shù)是采用多陣元的陣列換能器，依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)控制陣列中各陣元的發(fā)射和接收，從而實(shí)現(xiàn)聲束在聲場中偏轉(zhuǎn)、聚焦的一種技術(shù)[4]。與傳統(tǒng)超聲檢測相比，相控陣超聲檢測技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)勢，如下所述。

(1) 掃描特性。相控陣技術(shù)可以在不移動(dòng)探頭的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢區(qū)域的掃查。

(2) 偏轉(zhuǎn)特性。相控陣技術(shù)可以激發(fā)多角度聲束，實(shí)現(xiàn)檢測區(qū)域的大面積覆蓋，從而提高檢測效率及缺陷檢出率。

(3) 聚焦特性。相控陣技術(shù)可以提高聲場信號(hào)強(qiáng)度、回波信號(hào)幅度和信噪比，從而提高缺陷檢出率，以及缺陷深度、長度的測量精度。

(4) 豐富的成像顯示。相控陣檢測不僅有常規(guī)超聲的A型顯示，根據(jù)檢測需求,其可以同時(shí)或單獨(dú)顯示S視圖、C視圖、D視圖或3D視圖等，缺陷不同剖面的信息更全面，更有利于回波信號(hào)的判斷和缺陷的評(píng)定。

(5) 檢測數(shù)據(jù)和檢測過程可以記錄并保存。

2 檢測工藝

厚壁奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭材料是一種彈性非均勻材料，焊接接頭內(nèi)部晶粒粗大，聲波能量衰減大，雜亂的散射回波會(huì)導(dǎo)致檢測信噪比急劇降低[3]。超聲波在各向異性介質(zhì)中傳播時(shí)，聲束的方向和聲速的大小都會(huì)受到影響，理論和試驗(yàn)都證明了縱波在奧氏體不銹鋼焊縫組織中傳播時(shí)的衰減和扭曲更小，定位更精確，因此采用縱波來實(shí)施檢測。

窄脈沖探頭的脈沖寬度窄，可降低晶界的影響，故試驗(yàn)選擇高阻尼窄脈沖雙晶面陣聚焦探頭和高阻尼窄脈沖單晶線陣探頭,另外選用一個(gè)普通線性相控陣探頭作為對(duì)比。

試驗(yàn)采用扇形掃描，扇形掃描角度范圍為30°85°，角度步進(jìn)為0.5°。扇形掃描的終止角度盡可能地設(shè)置得大，以減小近表面盲區(qū)。聚焦模式設(shè)置為投影面聚焦，聲束的焦點(diǎn)設(shè)置在反射體處，以減小此區(qū)域的晶粒散射作用面積，提高此區(qū)域的檢測靈敏度，以獲得更好的檢測效果。

試塊的焊縫余高雖然已經(jīng)磨平，但為模擬現(xiàn)場余高未磨平的檢測情況，根據(jù)試塊中的焊縫坡口角度和蓋面寬度在試塊表面劃出了焊縫兩側(cè)邊緣線，以此作為確定最小掃查中心距的界限。

3 試驗(yàn)設(shè)備及器材

3.1 設(shè)備、探頭及楔塊

(1) 主機(jī)為M2M-GEKKO型相控陣超聲檢測儀。主機(jī)外觀如圖1所示。

圖1 檢測儀主機(jī)外觀

(2) 探頭1為窄脈沖雙晶面陣探頭[頻率為2.5 MHz，32(8×4)面陣]，楔塊角度為20°。探頭外觀如圖2所示。

圖2 探頭1(雙晶面陣探頭)外觀

(3) 探頭2為窄脈沖單晶線陣探頭(頻率為2 MHz，32線陣)，楔塊角度為14.3°。探頭外觀如圖3所示。

圖3 探頭2(窄脈沖單晶線陣探頭)外觀

(4) 探頭3為單晶線陣探頭(頻率為5 MHz，64線陣)，楔塊角度為20°。探頭外觀如圖4所示。

圖4 探頭3(單晶線陣探頭)外觀

3.2 對(duì)比試塊和刻槽試塊

(1) 2#奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭試塊(見圖5)，材料為304不銹鋼，厚度為45 mm，坡口類型為V型，單側(cè)坡口角度為15°，反射體為φ2 mm×40 mm(直徑×長度)的長橫孔，埋藏位置和深度分別為焊縫中心線和坡口融合線的5，15，25，30 mm處。

圖5 2#奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭試塊

(2) 1#刻槽試塊(見圖6)，材料為304不銹鋼，厚度為50 mm，坡口類型為V型，單側(cè)坡口角度為10°，設(shè)置的缺陷為矩形刻槽，缺陷的高度方向垂直于試塊的上下表面，規(guī)格為50 mm×1 mm×5 mm(長×寬×高)，埋藏位置為焊縫中心線的5，22，39 mm深處。

圖6 1#刻槽試塊外觀

(3) 2#刻槽試塊(見圖7)，材料為304不銹鋼，厚度為50 mm，坡口類型為V型，單側(cè)坡口角度為10°，設(shè)置的缺陷為矩形刻槽，缺陷的高度方向平行于焊縫坡口線，規(guī)格為50 mm×1 mm×3 mm(長×寬×高)，埋藏位置為焊縫坡口融合線的7，24，41 mm深處。

圖7 2#刻槽試塊外觀

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 探頭側(cè)坡口熔合線處反射體的比對(duì)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康闹饕潜葘?duì)缺陷位于坡口面，探頭與缺陷在同側(cè)時(shí)的檢測情況，此時(shí)超聲波聲束不經(jīng)過奧氏體焊縫組織，只經(jīng)過焊縫側(cè)的母材。3種探頭對(duì)2#奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭試塊的扇掃結(jié)果如圖8所示；3種探頭對(duì)2#刻槽試塊的扇掃結(jié)果如圖9所示;試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，奧氏體不銹鋼的母材相對(duì)于焊縫組織，晶粒較為均勻;超聲波聲束只在母材中傳播，不經(jīng)過焊縫組織時(shí)的檢測類似于普通碳鋼的檢測，3種探頭都取得較好的檢測效果，較高的檢測信噪比以及較精確的深度定位。但應(yīng)注意，對(duì)于近表面反射體(深度為5 mm的φ2 mm×40 mm長橫孔反射體)，大角度縱波的深度定位有一定的誤差。

圖8 3種探頭對(duì)2#對(duì)接接頭試塊的扇掃結(jié)果(探頭側(cè)坡口融合線處反射體)

圖9 3種探頭對(duì)2#刻槽試塊的扇掃結(jié)果(探頭側(cè)坡口熔合線處反射體)

表1 探頭側(cè)坡口熔合線處反射體的檢測數(shù)據(jù)

4.2 焊縫中心線處反射體的比對(duì)試驗(yàn)

試驗(yàn)比對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫中心線處各反射體的檢測情況，此時(shí)超聲波聲束穿過焊縫寬度方向的一半。首先使用CIVA軟件，模擬了探頭1和探頭2對(duì)2#奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭試塊焊縫中心線處4個(gè)不同深度的φ2 mm×40 mm長橫孔反射體的檢測情況，仿真結(jié)果如圖10所示。3種探頭對(duì)2#奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭試塊的扇掃結(jié)果如如圖11所示，3種探頭對(duì)1#刻槽試塊的扇掃結(jié)果如圖12所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。仿真結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

圖10 探頭1，2對(duì)2#對(duì)接接頭試塊的仿真扇掃結(jié)果(焊縫中心線處反射體)

圖11 3種探頭對(duì)2#對(duì)接接頭試塊的扇掃結(jié)果(焊縫中心線處反射體)

圖12 3種探頭對(duì)1#刻槽試塊的扇掃結(jié)果(焊縫中心線處反射體)

表2 焊縫中心線處反射體的檢測數(shù)據(jù)

(1) 2#奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭試塊焊縫中心線處，深度為5 mm的φ2 mm×40 mm長橫孔均未被3種探頭檢測出，說明采用縱波實(shí)施檢測時(shí)，近表面有一定深度的檢測盲區(qū)(此盲區(qū)隨著焊縫寬度的增加而變大)，因此應(yīng)將焊縫的余高磨平或采用其他檢測手段補(bǔ)充檢測，例如采用爬波探頭補(bǔ)充近表面檢測[3]。

(2) 探頭3無論是檢測靈敏度還是信噪比都急劇下降，因此不建議將此類相控陣探頭用于厚壁奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭內(nèi)部缺陷的檢測中。

(3) 聲束經(jīng)過焊縫時(shí)，探頭1和探頭2的檢測靈敏度和信噪比雖有所降低，但總體最低信噪比相對(duì)較高(大于8 dB)，且定位誤差相對(duì)較小，滿足檢測需求。

4.3 探頭對(duì)側(cè)坡口熔合線處反射體的比對(duì)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康闹饕潜葘?duì)奧氏體不銹鋼焊縫探頭對(duì)側(cè)坡口熔合線處各反射體的檢測情況，此時(shí)超聲波聲束完全穿過焊縫寬度方向。首先使用CIVA軟件，模擬了探頭1和探頭2對(duì)2#奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭試塊探頭對(duì)側(cè)坡口熔合線處4個(gè)不同深度的φ2 mm×40 mm長橫孔反射體的檢測情況，仿真結(jié)果如圖13所示。3種探頭對(duì)2#奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭試塊的扇掃結(jié)果如圖14所示，3種探頭對(duì)2#刻槽試塊的扇掃結(jié)果如圖15所示。檢測數(shù)據(jù)如表3所示。CIVA仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，超聲波聲束完全穿過焊縫時(shí)，檢測靈敏度和信噪比進(jìn)一步降低。探頭2未發(fā)現(xiàn)深度為15 mm的φ2 mm×40 mm長橫孔和深度為24～27 mm的矩形刻槽，存在漏檢情況；深度為710 mm的矩形刻槽回波信噪比只有3.6 dB，檢測效果不理想。探頭1的檢測效果較為理想，除近表面盲區(qū)的反射體外，其他6個(gè)反射體均被發(fā)現(xiàn)，且檢測信噪比最小為6.2 dB。

圖13 探頭1，2對(duì)2#對(duì)接接頭試塊的仿真扇掃結(jié)果(探頭對(duì)側(cè)坡口熔合線處反射體)

圖14 3種探頭對(duì)2#對(duì)接接頭試塊的扇掃結(jié)果(探頭對(duì)側(cè)坡口熔合線處反射體)

圖15 3種探頭對(duì)2#刻槽試塊的扇掃結(jié)果(探頭對(duì)側(cè)坡口熔合線處反射體)

表3 探頭對(duì)側(cè)坡口熔合線處反射體的檢測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

試驗(yàn)表明，高阻尼窄脈沖雙晶面陣聚焦探頭相較于窄脈沖單晶線陣探頭和普通單晶線陣探頭在檢測厚壁奧氏體不銹鋼對(duì)接接頭時(shí)具有更強(qiáng)的穿透力，更高的信噪比以及更可靠的檢出率。但應(yīng)注意，在焊縫余高未磨平的情況下，存在一定的近表面盲區(qū)，需使用其他手段補(bǔ)充檢測或?qū)⒑缚p的余高磨平。另外，可增加低頻橫波的一次反射波檢測以補(bǔ)充探頭側(cè)坡口未熔合缺陷的檢測，提高特定缺陷的檢出率。