主管道窄間隙焊縫相控陣與常規超聲檢測技術對比分析

張志鵬 陳 飛 歐陽標 李迎春

（中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢430223）

0 引言

主管道窄間隙自動焊焊縫為粗晶奧氏體材料，晶粒組織不均勻，對超聲波具有強烈的衰減、散射、扭曲作用，因此，這類焊縫的超聲檢測存在很多技術上的難點。在國內的實際應用中，通常采用常規超聲方法對窄間隙焊縫進行檢測，如采用縱波、低頻檢測，通過寬頻帶窄脈沖探頭提高信噪比，利用多種深度的聚焦探頭實現全壁厚覆蓋。近年來，隨著相控陣超聲檢測技術在核電廠的廣泛應用，也為主管道窄間隙焊縫檢測提供了新的思路，本文根據窄間隙焊縫的結構特點，制訂一種相控陣檢測方案，通過試驗與已經廣泛應用的常規檢測方法進行對比分析，從而驗證相控陣檢測技術對主管道窄間隙焊縫的檢測能力。

1 被檢對象介紹

主管道窄間隙自動焊焊縫材料為奧氏體不銹鋼，坡口為V形和U形組合坡口，坡口底部寬度約7 mm，坡口單邊寬度≤10 mm。窄間隙焊縫壁厚最大可達95.7 mm，其檢測區域包括焊縫及兩側各10 mm熱影響區。窄間隙焊縫主要可能產生的缺陷包括晶間腐蝕、熱裂紋和疲勞裂紋等。

2 窄間隙焊縫常規超聲與相控陣超聲檢測技術概述

2.1 常規超聲檢測技術

為了使聲束在奧氏體不銹鋼中獲得更好的穿透力，對主管道窄間隙焊縫主要采用接觸式雙晶縱波探頭進行檢測，采用低頻、寬帶、窄脈沖、不同焦距和不同晶片尺寸的探頭從外表面進行自動檢測。檢測區域按厚度方向分為三層，分別利用不同的探頭進行檢測，掃查表面以下0～30 mm為第一層；掃查表面以下20～60 mm為第二層；表面以下50 mm至底面范圍為第三層。窄間隙焊縫超聲檢測不同分層采用的探頭如表1所示。

表1 不同分層采用的探頭

2.2 相控陣超聲檢測技術

相控陣超聲波探頭由多個晶片按照一定規律排列組成，晶片的激發時間可以單獨調節，形成一定的延遲法則，從而實現聲束角度和焦點等參數控制，如圖2所示。相較于常規超聲技術來說，相控陣技術可以采用一個探頭生成不同角度、不同聚焦深度的超聲波聲束，生成多角度的扇掃圖像。

圖2 相控陣檢測原理圖

結合常規檢測方法的應用經驗以及相控陣檢測的特點，本文分別采用頻率為1 MHz和2 MHz的二維面陣相控陣探頭進行窄間隙焊縫相控陣檢測技術的試驗分析。2 MHz探頭頻率較大，對于大壁厚區域的衰減增大，信噪比減小，因此，采用該探頭進行近表面和中間區域的檢查。1 MHz探頭頻率較低，衰減較小，進行中下部分區域的檢查。

3 信噪比對比試驗

3.1 試驗設備

采用DYNARAY相控陣和常規多通道檢測兩用超聲儀進行試驗，以對比試塊中的φ3.2 mm橫孔進行信噪比測試。

3.2 常規超聲探頭信噪比測試

（1）針對近表面區域，采用頻率為2 MHz，角度為70°的近表面聚焦探頭，將深度為10 mm深的橫孔最大反射回波信號調至80%，信噪比測試結果如圖3（a）所示。

（2）針對近表面至中部區域，采用頻率為1.5 MHz，角度為的45°的淺焦探頭，將深度為20 mm深的橫孔最大反射回波信號調至80%，信噪比測試結果如圖3（b）所示。

（3）針對中部區域，采用頻率為1 MHz，角度為的45°中焦探頭，將深度為50 mm的橫孔最大反射回波信號調至80%，信噪比測試結果如圖3（c）所示。

（4）針對底部區域，采用頻率為1MHz，角度為的45°深焦探頭，將深度為70 mm的橫孔最大反射回波信號調至80%，信噪比測試結果如圖3（d）所示。

圖3 常規探頭信噪比測試信號

3.3 相控陣超聲探頭信噪比測試

根據探頭參數設置好相應的扇掃聚焦法則，分別對試驗試塊上不同深度的φ3.2mm橫孔進行信噪比測試，2 MHz面陣探頭信噪比測試結果如圖4所示，1MHz面陣探頭信噪比測試結果如圖5所示。

圖4 2MHz相控陣探頭信噪比測試信號

圖5 1 MHz相控陣探頭信噪比測試信號

3.4 試驗結果及分析

常規探頭及相控陣探頭信噪比試驗詳細測試結果如表3所示。

表3 常規探頭及相控陣探頭信噪比測試試驗結果 dB

根據以上實驗結果，進行綜合分析總結如下：

（1）在近表面區域，2 MHz相控陣探頭信噪比要優于1 MHz探頭，在底部區域，1 Mhz相控陣探頭信噪比要優于2 MHz探頭，在中間區域，兩者信噪比相差不大；

（2）在近表面區域，相控陣探頭信噪比要明顯優于常規探頭，在中間及底部區域，相控陣探頭及常規探頭的信噪比相差不大；

（3）對于常規檢測方法，最少要采用4種聚焦深度探頭才能覆蓋全壁厚檢測，而相控陣探頭可以設置不同的聚焦法則，采用2個探頭就能達到常規探頭的檢測效果，可以獲得更高的檢測效率。

4 結論與展望

本文通過相控陣與常規超聲檢測的信噪比對比試驗，確定了主管道窄間隙焊縫實施相控陣檢測的可行性，在部分區域，相控陣探頭的試驗結果優于常規探頭，而且相控陣可以利用較少的探頭實現較好的檢測效果，這對提高現場實施效率意義重大。通過進一步的研究和改進，窄間隙焊縫相控陣超聲檢測技術可以推廣到各核電現場的實際應用中，并逐步取代常規超聲檢測方法。