相控陣超聲檢測在大厚度高強鋼及奧氏體不銹鋼焊縫上的應用

王永強

（招商局重工（江蘇）有限公司，南通 226100）

1 前言

大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼，以其優良的抗腐蝕性、抗氧化性 以及低溫韌性被廣泛應用于海洋工程中。由于長期處在高腐蝕和水流沖擊等環境中, 大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼管道焊縫及其熱影響區容易出現腐蝕、疲勞裂紋、沖蝕等缺陷。

為了保證設備的安全穩定運行,必須對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼管道焊縫進行檢查。但大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼大都采用手工焊多道焊,由于焊接工藝、規范存在差異,導致焊縫中不同部位的組織結構不同,出現晶粒粗大、組織不均,具有明顯的各向異性,給超聲波探傷帶來困難：同一晶粒從不同方向測定有不同的尺寸,對于這種晶粒從不同方向探測引起的衰減與信噪比不同,聲速及聲阻抗也隨之發生變化,從而使聲速傳播方向產生偏離，給缺陷定位帶來困難；在焊接過程中，如果工藝處理不當，則易產生熱裂紋；在使用過程中，如果環境達到某些特定條件，則會產生應力腐蝕裂紋和晶間腐蝕裂紋，輕則造成海洋環境污染和經濟損失，重則造成人民生命財產的損失。

考慮到奧氏體不銹鋼焊縫的晶粒組織粗大，當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，無法進行超聲檢測；在焊縫中晶粒增長方向平行于熱量流動的方向，并且受外延工藝支配，柱狀晶粒沿珠粒邊界增長，產生大量長且具有特定晶體取向的晶粒；長枝晶軸幾乎是垂直于焊縫中心和近似垂直于熔合線，很難用一般橫波斜探頭進行超聲檢測；此外，雜亂的散射回波會導致檢測信噪比降低，這是檢測奧氏體焊縫的主要困難所在；其次，產品壁厚大于100 mm，聲波衰減將大幅增加且聲束偏轉，檢測難度隨之增加。

針對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫檢測的難題，通過CIVA 工藝仿真，采用線陣相控陣探頭在試塊上進行檢測，可為攻克該類檢測難題提供思路。

2 缺陷檢測工藝

焊縫中的焊接缺陷，涵蓋裂紋、未熔合、未焊透等面積型缺陷和氣孔、夾渣等體積型缺陷，這些缺陷會減少焊縫的有效承載面積,削弱焊縫性能甚至引起焊縫斷裂,造成壓力容器、壓力管道失效,影響安全性能。

為了解決對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內部缺陷的檢測，將進行檢測工藝驗證：制作了2 塊試件（100 ～120 mm 大厚度對接焊縫和100 ～120 mm的奧氏體不銹鋼角焊縫），工藝上著重考慮聲束覆蓋和檢測能力兩項內容；利用CIVA 模擬的探頭，其頻率為2.25 MHz 和5 MHz、晶片間距為0.6 mm、晶片高度為10 mm、晶片總數為64 塊，對試塊進行仿真測試，并將參數進行極限化設置，以研究檢測中一些參數的邊界條件。

仿真要求實現相控陣超聲波束對焊縫及規定的熱影響區的全面覆蓋，并進一步確定檢測覆蓋方式對設定的人工缺陷的檢出能力，在此基礎上給出推薦的檢測工藝方案。

通過CIVA 仿真技術，得到優化檢測工藝，采用相控陣超聲檢測技術進行檢測（PAUT），并將檢測結果同解剖驗證對比，最終確定大厚度特種鋼焊縫相控陣超聲檢測工藝。

3 CIVA 仿真

（1）本次使用的仿真軟件CIVA10.1,是法國原子能委員會開發的專業無損檢測仿真平臺。它由超聲、射線、渦流三個仿真模塊組成，每個模塊都有相應的仿真、成像和分析工具；仿真試驗使用的是超聲模塊，它是最早開發也是應用最成熟的模塊；CIVA 的主要作用是預測實際無損檢測的結果，設計和優化檢測工藝；

（2）CIVA 的超聲仿真模塊，主要有聲場計算和缺陷響應兩大功能，本次試驗使用的是缺陷響應功能。它能夠在工件內部設置任意數量的缺陷，并將缺陷放置在工件中的任何位置；CIVA 的仿真建模是基于半解析法，因此在計算速度上比有限元方法更快；

（3）在CIVA 中，聲波在工件中的振幅衰減是利用鉛筆模型來描述的，它把非均勻介質分成若干個均勻介質區域，并將各區域傳播矩陣相乘，從而得到非均勻介質中的振幅衰減；

（4）在缺陷仿真上，CIVA 的使用了基于近似理論的散射模型。對于空心的體積型缺陷及類似的裂紋缺陷，釆用基爾霍夫近似，忽略沿著缺陷表面傳播的波，在波的反射方向接近于波的接收方向時，這個模型是有效的；在類似裂紋缺陷的端角衍射波的模擬上，釆用幾何衍射理論模型；而對類似于夾雜等實心體積型缺陷的模擬，釆用修正的波恩近似模型。

3.1 高強鋼對接焊縫CIVA 仿真

對接焊縫模擬厚度為120 mm 高強鋼對接，仿真試驗采用的參數如下：相控陣探頭的晶片總數為32 個，晶片間距為0.6 mm,晶片高度為10 mm,探頭頻率為2.25 MHz，使用的楔塊是SA2-N55S 橫波楔塊，扇形掃查角度范圍為35°～ 73°，角度增益步進為1°；預設缺陷為：焊接表面缺陷、單個氣孔、橫向裂紋、縱向裂紋、坡口未融合。

此次實驗采用雙面雙側4 次掃查全覆蓋焊縫和熱影響區：對接焊縫覆蓋的仿真掃描如圖1 所示；在與各個缺陷相同的位置添加直徑為2 mm 的長橫孔，將長橫孔的信號波高作為基準波高對各個缺陷進行仿真計算，記錄各個缺陷的波高與對應長橫孔的信號比較，對檢測能力進行評估：對于比基準孔低10 dB 以上的信號，評估為一般；對比基準孔信號低4 dB～10 dB 的信號，評估為較好；比基準孔信號高10 dB 以下的信號，評估為好。

圖1 對接焊縫覆蓋仿真的掃描圖像

2.2 奧氏體不銹鋼角接焊縫CIVA 仿真

角接焊縫模擬厚度為100 ～120 mm 奧氏體不銹鋼，仿真試驗采用的參數如下：相控陣超聲波探頭的晶片總數為32 個晶片間距為0.6 mm，晶片高度為10 mm，探頭頻率為2.25 MHz，使用的楔塊為SA2-N60 L 縱波楔塊， A/B 面扇形掃查角度范圍為35°～73°，角度增益步進為1°；C 面使用的楔塊為SA2-N0L 縱波楔塊，扇形掃查角度范圍為-45°～+45°，角度增益步進1°；預設缺陷為：表面缺陷、單個氣孔、未焊透、裂紋、坡口未熔合。

此次實驗選擇在角焊縫A/B/C 面分別檢測，通過A/B/C 面3 次掃查全覆蓋焊縫和熱影響區。仿真掃描圖像見圖2，檢出評估見表1。

圖2 不銹鋼角接焊縫仿真缺陷檢測圖

表1 角接焊縫典型缺陷檢測結果

通過仿真數據分析，可以得到以下結論：

（1）從聲束覆蓋的結果看，對于厚度較大的工件釆用超聲相控陣檢測可以實現聲束全覆蓋；

（2）從檢出能力的仿真結果看，超聲相控陣檢測對于聲束指向性高的缺陷（如未熔合缺陷），其檢測的可靠性優勢明顯，對預設缺陷可以有效的檢出。

3 試塊制作

3.1 試塊坡口及缺陷類型

試塊坡口類型：對接焊縫X 型坡口；角焊縫K型坡口；對接焊縫坡口角度60°；角焊縫坡口角度45°。試塊長度1 m，包含5 種類型（裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔）的12 個缺陷。

3.2 試塊制作

參照NB/T47013-2015 標準，制作了對接焊縫和角焊縫2 種類型試塊：對接焊縫采用Φ2*60 mm 長橫孔試塊；角接焊縫采用缺陷段制作Φ2*60 mm 長橫孔試塊。

4 檢測參數選擇

（1）按CIVA 仿真結果對2 塊試塊的五種缺陷進行實際檢測：采用Omniscan X32/128 和M2M 64/128相控陣超聲檢測系統，配合5L64A2 和2.25L64A2 線陣列探頭進行實驗；奧氏體不銹鋼焊縫為高衰減材料，選擇低公稱頻率探頭和增加晶片尺寸，試驗使用水耦合；

（2）按儀器性能和探頭晶片數量，通過不同的探頭和激發孔徑設置檢測參數，通過選用不同激發孔徑和不同聚焦法則，結合人工對比試塊進行測驗，驗證PAUT 檢測的可行性；PAUT 法采用扇形掃查方法,對接焊縫采用雙面雙側掃查和單面雙側掃查；角焊縫采用A、B、C 進行3 面掃查；

（3）通過對晶片激發數量的改變來模擬不同的激發孔徑：對接焊縫選用激發32 塊晶片進行驗證，奧氏體不銹鋼角接焊縫選用激發64 塊晶片進行驗證。

經過以上驗證測試：PAUT 法采用扇形掃查方法,可以實現對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼角焊縫進行檢測；通過不同的激發孔徑對試塊檢測后的數據進行分析，分析采用，采用波幅超聲波檢測方法（A 掃描），凡信號波幅超過20%DAC 基準線，先確定其超聲信號顯示是缺陷信號顯示還是幾何形狀顯示，當反射體判定為缺陷信號，即超過評定線的缺陷，應確定其位置、波幅和長度范圍。

5 檢測結果

5 種常見缺陷的相控陣檢測成像結果，如圖3 所示：PAUT 的界面均可顯示S 掃(扇掃圖)、A 掃、C 掃(俯視圖)和D 掃(側視圖)。

由圖3 可知：相控陣超聲具有良好的檢測缺陷能力，缺陷顯示直觀、重復性好，且能較準確提供缺陷的長度、深度和高度等信息。特別是從缺陷顯示的角度來觀察，傳統超聲設備是用脈沖回波來展示結果，而相控陣是用非常接近缺陷實際形狀的顯示圖像來展示檢測結果。

圖3 五種典型缺陷檢測成像結果

6 解剖驗證

在所有對比檢測完成后，對缺陷試塊進行解剖驗證。由于缺陷試塊制作時，對缺陷的定位和高度存在一定的誤差,為了較準確地確定焊道內焊接裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔的長度、自身高度和深度，同時考慮到大厚度試塊體積和機加工能力，對整條試塊焊縫采用銑床逐層解剖并測量的方法。將試塊由右端向左端進行切片，每次去除量為0.5 mm，直至缺陷發現并完全清除；由切割后截面為缺陷的俯視圖,可以測量焊縫未熔合、未焊透、夾渣、氣孔的長度、自身高度和深度。

根據解剖驗證結果：對2 塊試塊的24 個缺陷進行解剖驗證，除1 個單氣孔未檢出外，其他缺陷都能有效檢出，PAUT 檢出率達95.83%。

7 結論

對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內部缺陷進行了CIVA 仿真、相控陣檢測以及解剖驗證。對比仿真試驗和實際檢測結果發現：CIVA 軟件仿真試驗的結果與對比試塊試驗結果吻合性較好；采用基于CIVA 仿真所選用的線陣相控陣探頭，能在一定程度上解決大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內部缺陷超聲檢測的難題，為大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內部缺陷的超聲檢測提供一種參考。