奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測國內(nèi)研究進展

宋鵬 曹素紅 曹玉庫 呂靜波

摘 要：奧氏體不銹鋼焊縫由于其晶粒粗大，聲學特性各向異性，致使奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測信噪比低以及缺陷定位定量困難，成為超聲檢測的一大難題，本文詳細介紹了國內(nèi)無損檢測人員針對其檢測難點開展的研究和試驗工作以及提出的相應解決方案，然而在實際應用過程中，經(jīng)濟性和檢測的難易程度成為其推廣應用的障礙，一種檢測簡單并且經(jīng)濟可行的超聲檢測方法有待進一步的研究。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼；焊縫；超聲波檢測

奧氏體不銹鋼由于具有抗腐蝕性、抗氧化性以及屈服強度高等優(yōu)良性能而被廣泛的應用在石油化工，機械制造和壓力容器等行業(yè)，在奧氏體不銹鋼壓力容器生產(chǎn)制造中，難免遇到縱、環(huán)焊縫不能采用射線檢測的情況，但是根據(jù)設計文件或相關標準規(guī)定，壓力容器此類焊縫應當采用射線或者超聲波檢測，因此對奧氏體不銹鋼焊縫進行超聲波檢測勢在必行，然而，奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測技術一直是制約其發(fā)展的一大瓶頸，這與其內(nèi)部組織結構密切相關[ 1-2 ]。

1 奧氏體不銹鋼焊縫組織結構特點

奧氏體不銹鋼相對碳鋼具有較小的熱導率，并且奧氏體不銹鋼焊縫凝固時未發(fā)生組織相變，室溫下以鑄態(tài)柱狀奧氏體晶粒存在，這種柱狀晶晶粒粗大，組織不均勻，具有明顯的各向異性；柱狀晶與母材存在明顯的異質(zhì)界面；奧氏體不銹鋼焊縫組織對超聲檢測而言是一種彈性非勻質(zhì)材料，對超聲檢測的主要影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 粗大晶粒的影響

超聲波聲能衰減大小和晶粒直徑與超聲波長的比值相關，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，奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，聲散射嚴重，散射回波沿著復雜的路徑傳播到探頭，在示波屏上顯示雜亂的草狀回波，導致檢測信噪比嚴重下降。

1.2 各向異性的影響

超聲波在各向異性介質(zhì)中傳播時，聲衰減值和聲速大小都受波束方向和晶軸之間夾角的影響，并且超聲能量的傳輸方向并不與波前相垂直，造成超聲波聲束被扭曲，給缺陷定位定量造成困難。

1.3 異質(zhì)界面的影響

奧氏體不銹鋼焊縫熔合面與基體組織差異顯著，超聲波束入射到該熔合面會發(fā)生反射、折射和波形轉換，產(chǎn)生假信號，另外焊縫晶粒間的界面反射回波疊加累積也會產(chǎn)生假信號，給缺陷的識別帶來困難。

2 奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測研究

根據(jù)奧氏體不銹鋼焊縫組織結構特點可知，要實現(xiàn)奧氏體不銹鋼焊縫的超聲檢測，必須解決的問題為：

①提高奧氏體不銹鋼焊縫的檢測信噪比；

②提高缺陷定位定量精確度。

自上世紀以來，許多無損檢測研究學者和工程技術人員從以上兩個方面對奧氏體不銹鋼焊縫的超聲檢測技術進行了大量的理論研究和試驗工作。

2.1 提高奧氏體不銹鋼焊縫的檢測信噪比

奧氏體不銹鋼晶粒粗大，聲衰減嚴重，致使缺陷信號混雜于草狀回波之中，示波屏上難以識別缺陷，因此嚴重影響缺陷的檢出率。聲衰減程度取決于超聲波長與晶粒大小的比值和頻率的高低，在檢測波形選擇上，縱波波長比橫波大，對聲能的衰減較小，另外頻率越低，聲衰減越小，因此理論上認為采用低頻縱波檢測可能會提高不銹鋼焊縫的檢測信噪比，不少研究學者以此為突破口，對其展開一系列的研究工作。

陳明[ 3 ]等分別采用頻率為2.5MHz的K2橫波斜探頭和縱波斜探頭對5.5mm和10mm的奧氏體不銹鋼對接焊縫工件進行超聲檢測試驗研究，檢測之前進行奧氏體不銹鋼焊縫和碳鋼焊縫衰減系數(shù)的測定，結果表明：奧氏體不銹鋼焊縫和碳鋼焊縫的衰減系數(shù)分別為0.132dB/mm和0.062dB/mm，奧氏體不銹鋼焊縫對超聲波存在嚴重的衰減；縱波的檢測能力優(yōu)于橫波，縱波斜探頭檢測奧氏體不銹鋼焊縫的信噪比高于橫波斜探頭，信噪比能達到12dB；然而，縱波斜探頭也存在一些缺陷：①缺陷反射波較寬及信號游動范圍大，使得信號間相互干擾，不利于缺陷的準確判斷；②縱波斜探頭中伴有橫波會影響檢測結果的準確性；③與同頻率橫波相比縱波的指向性差，分辨率較低。

崔建英[ 4 ]等從電端口和力阻抗端口采取措施，首先在背襯端口加以改進，然后與儀器匹配時再在探頭的電端口采取一定措施，得到了脈沖較窄、靈敏度較高的探頭，并自制60mm厚奧氏體不銹鋼焊縫試塊，對比研究普通探頭、美國EPOCH-2002上的V403窄脈沖探頭和自制窄脈沖探頭對焊縫缺陷的檢測能力，試驗發(fā)現(xiàn)：普通探頭難以檢測60mm厚的奧氏體不銹鋼焊縫，自制窄脈沖縱波斜探頭檢測靈敏度高、信噪比大，對60mm厚的不銹鋼焊縫具有很好的檢測能力。

鄭中興[ 5 ]設計了一種雙晶縱波斜探頭，采用一發(fā)一收的T-R方式，增長了傳播路徑，消除了近場范圍的噪聲，并配以低頻和大尺寸晶片，使得聲能衰減明顯減小，在隨后的三峽水電站奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測中取得了良好的效果。

2.2 提高缺陷定位定量精確度

缺陷的準確定位定量對于焊縫的返修至關重要，由于奧氏體不銹鋼焊縫造成聲束的扭曲，致使缺陷反射回波聲程實際值和理論值不符，使得檢測人員對缺陷難以準確定位定量，和世海[ 6 ]等將奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測得到的缺陷指示長度與射線影像進行對比，發(fā)現(xiàn)實際檢測缺陷尺寸與缺陷的真實尺寸之間的測量誤差近似為±6mm，張鷹[ 7 ]等自制帶有人工反射體的試塊，經(jīng)超聲檢測發(fā)現(xiàn)焊縫中人工發(fā)射體的深度偏差最大可達到2.3mm，因此一種精確定位定量方法的問世一直激勵著眾多超聲檢測人員。

張富生[ 8 ]等采用雙晶縱波斜探頭并自制對比試塊研究奧氏體不銹鋼焊縫的缺陷定位方法，發(fā)現(xiàn)隨著焊縫厚度的不斷增加，其可探性下降，效果并不理想。

張鷹[ 7 ]等制作與實際焊縫尺寸一致的試塊，在其上制作一定數(shù)量的同深度、不同水平位置的人工反射體，并測定每個反射體的反射強度，將焊縫劃分多個區(qū)域，利用插值法獲得焊縫各個區(qū)域的反射強度，制成二維距離波幅表，以此作為評定的基準，采用60mm厚的不銹鋼焊縫進行驗證，發(fā)現(xiàn)檢測結果與射線檢測結果偏差為±4mm，在一定程度上可提高缺陷定位定量的準確度。

經(jīng)過大量的研究和試驗工作，無損檢測人員對奧氏體不銹鋼焊縫的超聲檢測難點已有一定程度的認知和解決方法，為了將其應用于實際的壓力容器制造中，國內(nèi)初步形成了關于奧氏體不銹鋼焊縫的推薦性標準JB/T4730.3-2005附錄N（以及隨后的NB/T47013.3-2015附錄I）。

張延奎[ 9 ]依據(jù)標準對奧氏體不銹鋼焊縫進行現(xiàn)場檢測工作，結果發(fā)現(xiàn)雖然依據(jù)標準能順利進行距離-波幅曲線的制作，然而在實際檢測過程中依然存在諸多問題：

①超聲波檢測厚度大于30mm的焊縫時，衰減嚴重，信噪比低；

②探頭價格昂貴；

③焊縫只能從單面雙側或單面單側進行掃查時，由于焊縫余高需要去除至與基體齊平難度較大，無形中給檢測加大了難度。

3 結語

針對奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測兩大難點，國內(nèi)無損檢測人員做了大量的研究和試驗工作，并提出了相對應的可行性解決方案，然而在實際應用過程中，經(jīng)濟性和檢測的難易程度成為其推廣應用的障礙，一種檢測簡單并且經(jīng)濟可行的超聲檢測方法有待進一步的研究。

參考文獻：

[1] 盧威，聶勇，許遠歡，尹鵬.寬頻帶窄脈沖TRL探頭與在奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測中的優(yōu)越性.無損檢測.2013，35（6）：77-80.

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[3] 陳明，安大為，閆留青，唐超.探討奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測方法.中國機械.

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[6] 和世海，辛宇.奧氏體不銹鋼焊縫超聲波探傷.中國科技投資，2013：178.

[7] 張鷹，張延豐，雷毅.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測方法研究.無損檢測，2006，28（3）：119-122.

[8] 王發(fā)民，張富生.奧氏體不銹鋼焊縫中缺陷的超聲波定位方法.壓力容器.2006，23（9）：47-49.

[9] 張彥奎.奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測實際應用.現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2015，5（4）：52-54.

作者簡介：

宋鵬（1986-），男，漢族，河南上蔡縣人，碩士，助理工程師，主要工作方向為壓力容器制造和檢驗。