核電主管道奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測

葛廣林，姚建松，朱 琪 ，徐 寧

(1.中國能源建設集團有限公司工程研究院，北京 100022；2.浙江無損檢測工程技術有限公司，浙江 杭州 310016；3.安徽津利能源科技發展有限責任公司，安徽 合肥 231200；4.中國能建工程研究院相控陣檢測技術應用研究所，安徽 合肥 231200；5.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

奧氏體不銹鋼(austenitic stainless steel，ASS)是指常溫下有奧氏體組織的不銹鋼。因具有很高的耐蝕性，良好的冷加工性、韌性、塑性、焊接性和無磁性，ASS 在核電廠主管道等系統中大量應用。

目前，國內核電、火電和特種設備行業已有關于ASS 焊接接頭相控陣超聲檢測的方法。我國能源行業標準NB/T 47103.15—2021《承壓設備無損檢測 第15 部分：相控陣超聲檢測》[1]在資料性附錄I 中提出了10 ～80 mm ASS 對接接頭超聲檢測方法和質量分級，但工藝方法和參數設計部分描述較為簡潔。該標準未提及針對核電主管道中厚壁(≥80 mm)ASS 對接接頭，目前普遍采用的相控陣超聲扇掃描并不能對厚壁ASS 對接接頭進行有效檢測。黃文大[2]等提出了采用FMC-TFM(full matrix capture-total focusing method)全聚焦技術檢測厚壁ASS 對接接頭，驗證了全聚焦技術檢測ASS 對接接頭的可行性。張子健[3]等提出了采用雙面陣相控陣探頭激勵聲場檢測厚壁管ASS 接頭，可以提高相控陣超聲檢測靈敏度。

本文采用雙面陣相控陣探頭和平面波激勵的PWI-TFM(plane wave imaging-total focusing method)全聚焦技術檢測ASS 對接接頭，通過模擬試塊和對比試塊試驗比對，提高檢測靈敏度、信噪比和分辨力，并在某核電廠主管道對接接頭檢測應用驗證。

1 ASS對接接頭組織特點和相控陣超聲檢測方法

1.1 ASS對接接頭組織特點

與鐵素體焊接接頭不同，ASS 對接接頭晶粒粗大、柱狀晶粒具有各向異性與母材存在明顯的異質界面，特別是在熔合面處組織變化明顯，這樣焊縫組織對相控陣超聲檢測而言是一種彈性非均勻的材料，對相控陣超聲檢測影響較大[4]，主要影響體現在晶粒粗大和各向異性2 個方面。

1)晶粒粗大的影響

當焊縫晶粒的直徑接近超聲波波長的1/10時，就會產生明顯的散射；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。很多奧氏體焊縫的平均晶粒直徑一般大于0.5 mm，長度往往超過10 mm，晶界間的散射能量損失較多，加速了超聲波束的能量衰減，雜亂的散射回波會導致檢測信噪比較低，這是檢測粗晶焊縫的主要困難所在。

2)各向異性的影響

超聲波在不均勻、各向異性焊縫中呈現曲線的傳播路徑，難以確定合理的聚焦延遲法則[5]，這不僅會降低檢測聲場的聚焦強度，同時也給缺陷的定位和定量帶來極大的不利影響。

1.2 相控陣超聲探頭設計

ASS 對接接頭粗大晶粒組織會加速超聲波束能量衰減，改變聲波傳播路徑，而這種影響對于超聲橫波和縱波是不同的。超聲橫波和縱波在ASS 焊縫中的傳播路徑仿真如圖1 所示，可以看出，橫波在ASS 焊縫中的偏轉角較縱波更大。

圖1 縱波和橫波在ASS焊縫中的傳播路徑和能量分布仿真結果

對于316L 奧氏體不銹鋼焊縫縱波的偏轉角約為15°～20°，橫波的偏轉角可達50°，嚴重影響相控陣超聲的檢測結果，造成該結果的主要原因是相同頻率的縱波波長一般是橫波波長的2 倍，縱波受影響更小[6]，同時為了減少超聲波束的能量衰減，一般采用較低的激發頻率。

厚壁ASS 對接接頭受壁厚增加影響較大，需采用高阻尼窄脈沖的雙晶縱波聚焦探頭，減少晶界的影響，提高超聲束的聚焦效果，減少特定檢測區域的波束界面積和晶粒散射的作用面積，有利于提高檢測靈敏度，且激發晶片序列和接收晶片序列完全獨立，有效提高靈敏度和信噪比[4]。目前使用的雙晶縱波聚焦探頭主要分為雙線陣和雙面陣。

為了提高不同深度區域的檢測靈敏度和分辨率，雙線陣相控陣超聲探頭的2 個晶片序列一般設計為具有一定的夾角，即“楔塊屋頂角”。相控陣探頭激發超聲束通過斜楔塊實現聲束偏轉，某雙線陣相控陣探頭聚焦檢測模型如圖2所示，由圖2 可知，雙線陣相控陣探頭通過楔塊屋頂角實現被檢區域投影深度方向的聚焦；實際檢測過程中，為保證投影深度方向的聚焦效果，需要相控陣探頭激發聚焦法則和接收聚焦法則高度一致性，而僅通過改變楔塊屋頂角是難以做到的，如圖2(b)所示，雙線陣相控陣探頭在進行投影深度聚焦檢測時，2 個線陣陣列呈現一定的夾角，雙線陣相控陣探頭在進行聚焦檢測時，需要定制化設計楔塊屋頂角和探頭線陣陣列夾角兩個參數，對于現場檢測工件尺寸、被檢區域、檢測距離等影響因素的變化，采用雙線陣相控陣探頭檢測ASS 對接接頭操作繁瑣，且成本較大。

圖2 某雙線陣相控陣探頭聚焦檢測模型

圖2 為采用雙面陣相控陣探頭投影深度聚焦檢測模型，可通過控制二維晶片序列激發時序，實現最優的聚焦效果，針對現場檢測因素的變化，雙面陣相控陣探頭可以通過改變晶片激發/接受時序，或楔塊屋頂角，便可達到預期檢測效果。與雙線陣相控陣相比，減少了相控陣探頭數量，降低了成本，且雙面陣相控陣探頭可以根據現場的檢測因素誤差，對聚焦法則進行適當調整，更適用于ASS 焊縫檢測。

1.3 相控陣超聲聚焦方法分析

采用縱波雙晶相控陣超聲扇掃描檢測，因探頭參數不同，聚焦效果也有明顯的差異。采用頻率2.5 MHz，晶片數量4×8 個，晶片大小分別為1.4 mm× 1.8 mm 和2.7 mm×3 mm 的兩個雙面陣相控陣探頭，對5 mm、15 mm 和20 mm 這3 個不同深度的2 mm 橫通孔進行聚焦檢測實驗，得到的結果如圖3 所示。

圖3 雙面陣相控陣探頭激發不同聚焦距離對反射體的回波幅值關系

由圖3 可知，ASS 焊縫采用縱波雙面陣相控陣探頭檢測，聚焦距離設置對不同深度的檢測靈敏度影響較大，要提高厚度范圍內所有區域的檢測靈敏度，需要多組不同的檢測工藝。

雙線陣相控陣探頭通過改變2 個晶片序列的夾角實現不同區域的聚焦檢測，雙面陣相控陣探頭通過控制橫向排布晶片的激發延時，實現超聲束的橫向偏轉和聚焦，由于受到有效孔徑的影響，偏轉范圍也有限，因此，在近表面區域存在一個無法檢測的盲區。

相控陣超聲全聚焦檢測技術可提高有效區域內所有位置的檢測靈敏度和分辨力，近表面盲區較扇掃描更小。針對厚壁ASS 焊縫，常規FMC-TFM 全聚焦方法單晶片激勵，能量較弱，而且發射次數較多，數據處理量大，并不適用于現場檢測。而采用平面波激勵的PWI-TFM 全聚焦技術依次激發所有晶片，激發能量大，且數據激發次數更少，數據處理更快，適用于厚壁ASS 焊縫檢測。結合式(1)和式(2)，考慮到平面波的角度數量Q遠小于晶片數量N，因此，PWI-TFM 全聚焦技術數據疊加次數更少。

式中：AFMC(P)和APWI(P) 分別為FMC-TFM 和PWI-TFM 在P點數據次數；Tip、Tqp為激發時序；Tjp為接受時序；P為檢測區域的任一位置；S表示信號矩陣；i表示激發晶片；j表示接受晶片。

2 檢測工藝驗證

核電主管道ASS 對接接頭一般采用窄間隙焊，上半部分焊縫較寬，下半部分焊縫較窄，因此，焊縫上部分的聲能衰減和影響較下部分嚴重。采用雙面陣相控陣探頭和PWI-TFM 全聚焦檢測方法，與常規案頭橫波檢測和雙線陣探頭扇掃描檢測進行試驗比對，驗證不同工藝檢測ASS 對接接頭的靈敏度、信噪比和分辨力，得出最佳檢測方案。

2.1 坡口缺陷檢測

坡口缺陷位于母材和焊縫的界面上，縱波的檢測效果優于橫波。采用型號為2.25DM4×7-A17，平面楔塊角度為18.9°，孔徑大小18.72 mm×11.75 mm 的雙面陣相控陣探頭，分別采用全聚焦和扇掃描分區檢測2 種方法，對標準試塊進行比對檢測。#1 標準試塊厚度為94 mm，在焊縫單側坡口處加工5 個不同深度的2 mm 長橫孔。#1 標準試塊采用雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測圖像如圖4 所示，雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測結果見表1所列。

表1 坡口缺陷雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測結果

圖4 雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測圖像

#1 標準試塊采用雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測圖像如圖5 所示。#1 標準試塊采用雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測結果見表2所列。

表2 雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測結果

由圖4、圖5、表1 和表2 可知：

1)采用扇掃描和全聚焦檢測都可發現焊縫同側和對側長橫孔發射體，由于穿過焊縫粗晶組織，同側反射體的靈敏度明顯優于對側。而采用全聚焦檢測長橫孔反射體的靈敏度和分辨力優于扇掃描檢測。

2)焊縫上部較寬，聲能損失更大，對聲束偏轉的影響更大，尤其是扇掃描檢測，對側焊縫上部的反射體檢測靈敏度較低，檢測位置偏離嚴重，因此，在現場檢測過程中，應采用嚴格控制掃查軌跡，以減少缺陷定位的誤差。

2.2 焊縫內部缺陷檢測

檢測ASS 焊縫內部缺陷，超聲束均需要穿過焊縫粗晶組織，縱波的檢測效果優于橫波。采用2.5 MHz、晶片數4×8 的雙面陣相控陣探頭，分別采用全聚焦和扇掃描分區檢測2 種方法，對標準試塊進行比對檢測。在標準試塊焊縫中部加工5 個不同深度的2 mm 長橫孔。

標準試塊采用雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測圖像如圖6 所示，雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測結果見表3 所列。

表3 內部缺陷雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測結果

圖6 雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測圖像

標準試塊采用雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測圖像如圖7 所示，雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測結果見表4 所列。

表4 內部缺陷雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測結果

圖7 內部缺陷雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測圖像

由圖6、圖7、表3 和表4 可知，采用全聚焦和扇掃描檢測均能發現所有長橫孔反射體，由于反射體位于焊縫中部，穿過的焊縫部分較少，缺陷檢測靈敏度和信噪比都較好，從焊縫兩側檢測差異較小。對于深度較大的反射體，全聚焦檢測靈敏度和分辨力稍優于扇掃描檢測。

2.3 焊縫近表面缺陷檢測

1)上表面缺陷檢測

雙面陣相控陣全聚焦和扇掃描檢測ASS 焊縫內部缺陷，都存在表面盲區。為了驗證2 種檢測方法的盲區高度，采用2.5 MHz、晶片數4×8 的雙面陣相控陣探頭，分別采用全聚焦和扇掃描分區檢測2 種方法，對標準試塊進行比對檢測。在標準試塊焊縫上表面加工深度為2 mm 的開口槽，規格為長60 mm×寬2 mm×高1 mm。全聚焦檢測和雙面陣探頭相控陣扇掃描2 種檢測方法的檢測圖像如圖8 所示，可見，扇掃描聲束無法覆蓋上表面，因此，無法檢出表面開口槽。

圖8 雙面陣相控陣探頭全聚焦和扇掃描檢測圖像

采用全聚焦可檢測2 mm 開口槽反射體，信噪比為13.3 dB，反射體幅值為TCG-7 dB，超聲波縱波的檢測靈敏度和分辨率滿足檢測需求。但實際檢測深度為9.2 mm，定位誤差較大，主要原因是ASS 焊縫晶粒大小和方向影響超聲縱波的聲速和傳播方向，雖然影響遠小于超聲橫波，相控陣儀器在激發超聲縱波檢測時，只能按照一個固定的聲速和偏轉范圍計算聚焦法則，對于上表面缺陷檢測，相控陣超聲探頭用于大角度超聲縱波偏轉的有效孔徑長度較小，超聲縱波受晶粒尺寸和方向影響被放大，導致缺陷定位誤差較大；對于深度較大的缺陷，超聲縱波偏轉角度在主聲束附件，有效孔徑大，超聲縱波受晶粒尺寸和方向影響較小，缺陷定位誤差也較小。

2)下表面缺陷檢測

核電ASS 對接接頭采用窄間隙焊，根部焊縫的寬度很小，約為2 mm，對橫波和縱波的影響都較小。為了驗證橫波和縱波對于焊縫根部開口槽的檢出效果，采用頻率5 MHz、晶片數量64 的線陣相控陣探頭激發橫波檢測，頻率2.5 MHz、晶片數量4×8 的縱波雙面陣相控陣探頭分別激發扇掃描和全聚焦檢測，以及頻率1.5 MHz、晶片數量32 激發縱波扇掃描檢測4 種方法進行對比試驗。檢測試塊厚度為94 mm，焊縫根部開口槽為長60 mm× 高2 mm×寬1 mm。4 種檢測方法的檢測圖像如圖9 所示，結果比對見表5 所列。

表5 4種檢測方法的結果比對

圖9 4種檢測方法的檢測圖像

由圖9 和表5 可知，采用線陣探頭激發橫波檢測和雙面陣探頭縱波扇掃描檢測，無法發現根部開口槽缺陷，雙面陣探頭全聚焦檢測和線陣探頭縱波扇掃描檢測均可發現根部開口槽缺陷，但靈敏度和分辨率不高，全聚焦檢測的根部信號易于底波混淆，難以分辨，縱波扇掃描檢測靈敏度優于全聚焦檢測，但缺陷識別同樣受到根部信號的干擾。

2.4 檢測工藝小結

針對厚壁ASS 對接接頭的坡口和焊縫內部缺陷，采用雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測效果優于雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測。采用PWITFM 全聚焦檢測，單次工藝可覆蓋焊縫進行檢測，較扇掃描分區檢測效率更高。

3 模擬試塊檢測對比

采用頻率為2.5MHz、晶片數量4×8的雙面陣相控陣超聲探頭，檢測規格為φ795×72.5 mm 的模擬試管，材質為316L，分別在模擬試管焊縫上部、中部和下部缺陷預制6 個條形缺陷。如圖10 所示為全聚焦檢測缺陷圖像，結果見表6 所列。

表6 扇掃描和全聚焦檢測結果對比

圖10 全聚焦檢測缺陷圖像

由表6 和圖10 可知，采用相控陣超聲全聚焦技術可檢測出模擬試塊內的所有缺陷，檢測靈敏度和信噪比較好，#1 近表面缺陷定位誤差較大，與2.3 試驗結果一致。焊縫中上部缺陷檢測靈敏度和信噪比較好，焊縫中部和中下部缺陷，由于近場區長度較小，缺陷分辨力一般，缺陷測量值大于預制值。

4 結語

針對核電厚壁ASS 對接接頭組織晶粒粗大和各向異性導致的超聲聲能衰減和超聲束定位偏差大的問題，本文對比多種不同檢測工藝方法的優劣，采用模擬試塊和現場應用檢測驗證，表明雙面陣相控陣探頭激發PWI-TFM 全聚焦檢測ASS 焊縫缺陷是可行的，比縱波扇掃描分區檢測缺陷信噪比和分辨率更優，但對于近表面缺陷的定位準確度還需要進一步驗證或補充檢測方案。在厚壁ASS 焊縫相控陣超聲檢測中，晶粒尺寸和方向的影響是不可避免的，但是通過嚴格控制焊接工藝，細化晶粒，有利于減少誤差，提高相控陣超聲檢測的精度。