奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的超聲相控陣檢測

謝 航，張益成，周禮峰，邱進(jìn)杰，蔡家藩

(中核武漢核電運(yùn)行股份有限公司, 武漢 430223)

奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的超聲相控陣檢測

謝 航，張益成，周禮峰，邱進(jìn)杰，蔡家藩

(中核武漢核電運(yùn)行股份有限公司, 武漢 430223)

介紹了奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的超聲相控陣檢測技術(shù)方案，闡述了檢測過程中相控陣探頭的關(guān)鍵參數(shù)選擇方法，并采用CIVA聲學(xué)仿真軟件對選擇探頭的聲場分布進(jìn)行模擬，最后通過對奧氏體不銹鋼自然缺陷試塊進(jìn)行檢測試驗，結(jié)果表明：手動超聲相控陣檢測技術(shù)能夠作為核電站奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫常規(guī)自動超聲檢測的有效補(bǔ)充。

超聲相控陣；奧氏體不銹鋼；焊縫

奧氏體不銹鋼以其優(yōu)良的抗腐蝕性、抗氧化性以及低溫韌性被廣泛應(yīng)用于核電站的管道系統(tǒng)中。由于長期處在高溫、高壓、高放射性和水流沖擊等環(huán)境中，奧氏體不銹鋼管道焊縫及其熱影響區(qū)容易出現(xiàn)腐蝕、疲勞裂紋、沖蝕等缺陷。為了保證核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，核電站的在役檢查規(guī)范中都要求對奧氏體不銹鋼管道焊縫進(jìn)行超聲波檢查。

為了保證檢查質(zhì)量，國內(nèi)核電站不銹鋼管道的超聲檢查一般采用常規(guī)自動超聲檢測技術(shù)。自動超聲檢測技術(shù)可實現(xiàn)多探頭數(shù)據(jù)采集，不僅提高了檢測效率，而且減少了人為因素造成的缺陷漏檢。但是該技術(shù)在核電站現(xiàn)場實施檢測時，由于設(shè)備、被檢對象和場地的限制，會出現(xiàn)缺陷漏檢。解決這些問題的傳統(tǒng)做法是采用常規(guī)手動超聲檢測進(jìn)行補(bǔ)充檢查，但是手動超聲檢測成像只是一維A掃信號(幅值/時間)，奧氏體不銹鋼的粗大柱狀晶粒結(jié)構(gòu)會使得超聲波在傳播過程中產(chǎn)生較大的衰減和散射，造成聲束和衰減的各向異性以及聲束的偏轉(zhuǎn)，引起較高的本底噪聲而使得信噪比大幅度下降。因此采用常規(guī)手動超聲進(jìn)行檢查時，容易出現(xiàn)漏報誤報。

超聲相控陣檢測技術(shù)是一種先進(jìn)的超聲檢查技術(shù)。相比常規(guī)超聲，相控陣超聲聲束靈活可控，其可在不改變探頭布置的前提下對檢測對象進(jìn)行多角度、多方位地掃查，并將信號顯示為直觀的扇掃圖像，從而降低了缺陷的漏檢率，提高了檢測的可靠性，已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的檢測中[1]。目前，超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于核電站的無損檢測中，如核電樅樹型汽輪機(jī)葉片的根部檢測[2]、核電設(shè)備貫穿件的焊縫檢測[3]等。同時國內(nèi)也在對以橫孔為標(biāo)準(zhǔn)反射體的奧氏體不銹鋼焊縫中的體積型缺陷進(jìn)行超聲相控陣技術(shù)研究[4-5]。但是由于較體積型缺陷，面積型缺陷的應(yīng)力更為集中，給安全帶來的危害更大。按照ASME規(guī)范第Ⅺ卷附錄Ⅷ中要求，奧氏體不銹鋼管道焊縫超聲檢測能力驗證中，盲測試塊的設(shè)計缺陷應(yīng)為機(jī)械疲勞裂紋和穿晶應(yīng)力腐蝕裂紋或熱疲勞裂紋，至少75%的裂紋應(yīng)為穿晶裂紋或熱疲勞裂紋。

筆者從核電站奧氏體不銹鋼管道焊縫相控陣檢測技術(shù)出發(fā)，針對奧氏體不銹鋼環(huán)焊縫中不同深度的面積型缺陷，設(shè)計了不同聚焦深度的探頭和楔塊，并將檢測結(jié)果同常規(guī)自動超聲檢測進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，手動超聲相控陣檢測技術(shù)能夠作為核電站奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫常規(guī)自動超聲檢測的有效補(bǔ)充。

1 奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫相控陣檢測技術(shù)

1.1 相控陣探頭設(shè)計 由于奧氏體不銹鋼在熱處理時不發(fā)生相變，因此不能使其晶粒細(xì)化。研究表明，橫波受奧氏體不銹鋼各向異性的影響較大，橫波聲束會在焊縫中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生類似缺陷的偽信號[6-7]。因此，采用縱波探頭進(jìn)行奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的檢測時，可以獲得更好的聲束穿透性。為了避免楔塊或界面回波的影響，采用雙晶探頭可以有效降低噪聲信號的干擾。針對不同缺陷深度和不同管徑，筆者設(shè)計了不同孔徑、不同頻率的兩種相控陣探頭，探頭的主要參數(shù)如表1所示。其中2.25 MHz、孔徑為19 mm×12 mm的探頭主要用于較小管徑(254～457 mm)管道環(huán)焊縫全體積掃查及定量，和較大管徑(558.7～787.4 mm)管道環(huán)焊縫上部的掃查及定量；1.5 MHz、孔徑為36 mm×20 mm的探頭主要用于較大管徑管道環(huán)焊縫中下部的掃查及定量。

表1 管道檢測相控陣探頭參數(shù)

1.2 探頭楔塊設(shè)計及仿真

對于管道檢查，ASME規(guī)范要求以內(nèi)表面1/3壁厚為檢查范圍，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷擴(kuò)展至1/3壁厚范圍以外時，需要對其他深度內(nèi)的缺陷進(jìn)行檢查。為了保證聲束在試塊內(nèi)全體積覆蓋，對于一定厚度的管道，需要設(shè)計不同聚焦深度的楔塊。

采用壁厚30，90 mm的兩種規(guī)格管道作為試驗對象。CIVA超聲仿真軟件可以為檢測工藝參數(shù)的設(shè)計提供依據(jù)。為了保證楔塊聲束聚焦范圍，采用CIVA超聲仿真軟件對相控陣探頭和楔塊聲場進(jìn)行仿真，相控陣探頭楔塊聲束覆蓋范圍的CIVA軟件仿真結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，-6 dB范圍的聲場能夠覆蓋從管道上表面5～6 mm到管道內(nèi)表面的范圍?？讖?6 mm×20 mm、 1.5 MHz、軸向聚焦深度65 mm的探頭楔塊聲場仿真如圖1所示，從圖中可以看出，超聲波聲束較為集中，未出現(xiàn)較大的柵瓣。

表2 相控陣探頭楔塊聲束覆蓋范圍的CIVA軟件仿真結(jié)果

圖1 探頭楔塊聲場仿真示意

2 試驗方法及試驗結(jié)果

2.1 設(shè)備及試塊

采用Olympus Omniscan MX2型便攜式相控陣超聲檢測儀進(jìn)行試驗，試塊為帶自然缺陷的奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊。試塊有A和B兩種規(guī)格，其中試塊A外徑為273 mm、壁厚為30 mm，試塊B的外徑為880 mm、壁厚為90 mm。試塊中缺陷均為平面型缺陷，缺陷類型為內(nèi)表面缺陷、外表面缺陷和埋藏缺陷。試塊A和試塊B中人工缺陷設(shè)計參數(shù)如表3，4所示。

表3 試塊A中人工缺陷設(shè)計參數(shù)

表4 試塊B中人工缺陷設(shè)計參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果

對試塊A和試塊B進(jìn)行相控陣檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷后，采用-12 dB法進(jìn)行測長，端點衍射法進(jìn)行測高。為了對比檢查結(jié)果，將相控陣的檢查結(jié)果同常規(guī)自動超聲的檢查結(jié)果，以及缺陷的設(shè)計值進(jìn)行比較。試塊A和試塊B的檢測結(jié)果如表5，6所示。試塊A中某缺陷的相控陣檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 試塊A中某缺陷的相控陣檢測結(jié)果

從檢測結(jié)果可以看出，采用超聲相控陣檢測技術(shù)，均可以實現(xiàn)內(nèi)表面開口平面型缺陷、埋藏缺陷和外表面開口缺陷的檢測，相控陣探頭和楔塊能夠?qū)崿F(xiàn)聲波對被檢管道的全體積覆蓋。采用超聲相控陣技術(shù)的缺陷高度測量誤差在-3.8～1.4 mm，缺陷長度誤差在-1～13 mm，缺陷高度均方根誤差為1.7 mm，滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)中高度均方根小于3.2 mm的要求 ，長度均方根誤差為6.0 mm，滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)中長度均方根小于19 mm的要求 ；采用常規(guī)自動超聲檢查高度測量誤差在-2.5～0.8 mm，長度測量誤差在-0.6～18 mm，缺陷高度均方根誤差為1.5 mm，長度均方根誤差為8 mm。

表5 試塊A的檢測結(jié)果 mm

表6 試塊B的檢測結(jié)果 mm

3 結(jié)語

針對核電站的奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫，在某些不易于實現(xiàn)超聲自動掃測的部位，提出采用手動相控陣檢查技術(shù)替代常規(guī)超聲手動檢測。選用二維雙晶面陣探頭，并設(shè)計了不同聚焦深度的楔塊。利用CIVA仿真軟件進(jìn)行聲場仿真，模擬了相控陣探頭和楔塊的覆蓋范圍。最后對兩種規(guī)格含自然缺陷的奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊進(jìn)行試驗，結(jié)果表明：提出的手動超聲相控陣技術(shù)可以實現(xiàn)試塊全體積缺陷的檢測和定量，定量結(jié)果符合ASME規(guī)范的要求。如果通過進(jìn)一步改進(jìn)，該技術(shù)可以推廣到核電站鐵素體管道焊縫和異種金屬管道環(huán)焊縫的檢測中。

[1] 左延田，方雨，劉晴巖，等. 角焊縫裂紋類缺陷相控陣超聲檢測工藝[J]. 無損檢測，2016，38(6)：6-9.

[2] 張益成，邱進(jìn)杰，蔡家藩，等. 核電樅樹型汽輪機(jī)葉片根部的超聲相控陣檢測技術(shù)[J]. 無損檢測，2014，36(9)：38-41.

[3] 郝豐，劉恩凱. 相控陣超聲檢測技術(shù)在核電設(shè)備貫穿件焊縫檢測中的應(yīng)用[J]. 壓力容器，2015，32(7)：63-69.

[4] 胡棟，王強(qiáng)，肖琨，等. 奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，34(1)：8-11.

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Ultrasonic Phased Array Testing for the Girth Weld of Austenitic Stainless Steel Pipeline

XIE Hang, ZHANG Yi-cheng, ZHOU Li-feng, QIU Jin-jie, CAI Jia-fan

(China Nuclear Power Operation Technology Co., Ltd., Wuhan 430223, China)

Based on the phased array inspection technology, this paper introduces the ultrasonic phased array program for testing the austenitic stainless steel pipe weld and the selection of phased array probe key parameters. The sound field of the selected probe is demonstrated by the CIVA acoustic simulation software. The inspection performance of this method is demonstrated by the experiment on the natural defects block.

Ultrasonic phased array; Austenitic stainless steel; Weld

2016-07-09

謝 航(1982-),男，工程師，主要從事核電無損檢測技術(shù)研究工作。

謝 航，E-mail: xieh@cnpotech.com。

10.11973/wsjc201703006

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0023-03