不銹鋼管道焊縫超聲檢測(cè)中探頭檢測(cè)能力的比較

施春豐　尹鵬代　闖金坤

【摘 要】不銹鋼管道是核電廠中大量存在并與電廠運(yùn)行安全息息相關(guān)的常見(jiàn)管道，因而核電廠中存在大量的不銹鋼管道焊縫。相對(duì)碳鋼管道焊縫而言，不銹鋼管道焊縫超聲檢測(cè)難度大，如何正確選擇檢測(cè)探頭成為關(guān)鍵所在。本文以核電廠中最為常見(jiàn)的外徑Φ273mm管道為試驗(yàn)對(duì)象，選擇不同種類超聲探頭進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)不同探頭的檢測(cè)能力進(jìn)行比較，得出相關(guān)結(jié)論，為不銹鋼管道焊縫超聲檢測(cè)的探頭選擇提供依據(jù)和參考。

【關(guān)鍵詞】不銹鋼管道焊縫；超聲檢測(cè)；比較

中圖分類號(hào)： TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）11-0051-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.020

【Abstract】Stainless steel pipeline is a common pipeline which is closely related to the operation safety of the power plant， so there are a lot of stainless steel pipe welds in the nuclear power plant. Relative to carbon steel pipe weld，the ultrasonic testing for stainless steel pipe weld is more difficult， and the key point is how to choose the ultrasonic probe correctly. In this paper， select the 273mm diameter pipe which is common in nuclear power plant as test object， different types of ultrasonic probes were used to perform testing， and the results were analyzed to compare the detection ability of different probes， get relevant conclusions， provide the reference on the probe selection of ultrasonic testing for stainless steel pipe weld.

【Key words】Stainless steel pipe welds； Ultrasonic testing； Comparison

0 引言

不銹鋼管道是核電廠中大量存在并與電廠運(yùn)行安全息息相關(guān)的常見(jiàn)管道，因而核電廠中存在大量的不銹鋼管道焊縫，美國(guó)ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范中對(duì)核電廠不銹鋼管道焊縫明確提出了進(jìn)行體檢檢測(cè)的強(qiáng)制性要求[1]。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，不銹鋼管道焊縫的金屬性能會(huì)逐漸降低，金屬不連續(xù)性也會(huì)產(chǎn)生，國(guó)內(nèi)某核電廠就曾在服役的不銹鋼管道焊縫中發(fā)現(xiàn)存在裂紋。如果這類管道一旦失效，導(dǎo)致的后果將不堪設(shè)想。

不銹鋼管道焊縫相對(duì)碳鋼管道焊縫而言，各向異性，超聲檢測(cè)難度大[2]，如何正確選擇檢測(cè)探頭成為關(guān)鍵所在。本文以核電廠中最為常見(jiàn)的外徑Φ273mm管道為試驗(yàn)對(duì)象，選擇不同種類超聲探頭進(jìn)行檢測(cè)性能比較試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)不同探頭的檢測(cè)能力進(jìn)行比較，得出相關(guān)結(jié)論，為不銹鋼管道焊縫超聲檢測(cè)的探頭選擇提供依據(jù)和參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析，對(duì)于不銹鋼粗晶材料，如下幾個(gè)方面會(huì)對(duì)超聲檢測(cè)能力產(chǎn)生影響[3]：

超聲波在材料中的衰減，波長(zhǎng)越大，衰減越小；

超聲波在材料中是否聚焦，這由探頭的型式?jīng)Q定；

超聲波在材料中對(duì)相鄰反射體的分辨能力，這由探頭的頻帶決定。

所以在不銹鋼管道焊縫超聲檢測(cè)的探頭選擇上就存在：縱波探頭與橫波探頭的選擇[4]，雙晶探頭和單晶探頭的選擇，寬頻帶探頭和窄頻帶探頭的選擇等問(wèn)題。為了在實(shí)際檢測(cè)工作中能夠準(zhǔn)確的選擇探頭，設(shè)計(jì)了不同探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測(cè)能力的比較試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比，得出結(jié)論。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)項(xiàng)目包括：

縱波和橫波探頭檢測(cè)能力的比較試驗(yàn)；

雙晶縱波探頭和單晶縱波探頭檢測(cè)能力的比較試驗(yàn)；

不同頻帶寬度雙晶縱波探頭檢測(cè)能力的比較試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)實(shí)施

目前對(duì)管道焊縫進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)已成為一種趨勢(shì)，自動(dòng)檢測(cè)時(shí)超聲系統(tǒng)將自動(dòng)記錄采集的數(shù)據(jù)，便于存檔及分析，便于缺陷信號(hào)的定位、定量及不同次檢查間的比較，減少了人為因素的影響，提高了檢測(cè)質(zhì)量。所以本文中所有試驗(yàn)項(xiàng)目均采用自動(dòng)檢測(cè)方式進(jìn)行。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

◇超聲儀

為了能夠進(jìn)行自動(dòng)超聲檢測(cè)，采用Zetec公司生產(chǎn)的多通道超聲波檢測(cè)儀，含有16個(gè)以上獨(dú)立通道。

◇掃查裝置

自動(dòng)掃查裝置是自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的AUMA系列管道自動(dòng)超聲掃查裝置。掃查裝置能夠反饋位置信號(hào)給超聲儀，并能夠在兩個(gè)垂直方向上往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。

◇試驗(yàn)探頭

根據(jù)以往的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，選擇頻率為2MHz的各種探頭，包括單晶橫波、單晶縱波、雙晶縱波探頭[5]，見(jiàn)表1。

◇試驗(yàn)試件

Φ273×30mm的不銹鋼管道焊縫試驗(yàn)試件（共2件）。每件試件上制作4個(gè)不同長(zhǎng)度，不同高度和不同位置的槽，尺寸如表2，試驗(yàn)試件示意圖如圖1。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

◇數(shù)據(jù)采集

在探頭參數(shù)測(cè)試試塊上測(cè)試探頭角度及前沿，在參考試塊上設(shè)置探頭靈敏度，將探頭安裝于探頭支架上，用專用掃查裝置對(duì)試驗(yàn)試塊進(jìn)行外表面掃查。保證每個(gè)探頭能掃查到全壁厚的檢測(cè)體積，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如圖2。

◇數(shù)據(jù)分析

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)試件上的槽信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果分析對(duì)比：

（1）比較縱波探頭和橫波探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測(cè)能力，包括：能否探測(cè)出，數(shù)據(jù)B、C、D掃圖形中信號(hào)的分辨能力等；

（2）比較雙晶縱波探頭和單晶縱波探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測(cè)能力，包括：能否探測(cè)出，數(shù)據(jù)B、C、D掃圖形中信號(hào)的分辨能力等；

（3）比較雙晶縱波45°和60°探頭中寬頻帶和窄頻帶兩種類型探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測(cè)能力和信噪比差異；

（4）比較單晶縱波探頭45°、60°探頭在不銹鋼管道焊縫中檢測(cè)能力的差異；

（5）比較雙晶縱波探頭45°、60°和70°探頭在不銹鋼管道焊縫中檢測(cè)能力的差異；

4 試驗(yàn)結(jié)果

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)探頭是否能檢測(cè)出人工槽，回波信號(hào)信噪比，信號(hào)分辨力，端點(diǎn)信號(hào)探測(cè)能力進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果的比較匯總見(jiàn)表3。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，我們得出如下相應(yīng)結(jié)論：

5.1 縱波探頭和橫波探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測(cè)能力比較

結(jié)論：橫波探頭未探測(cè)出試驗(yàn)試件中的槽，而縱波探頭探測(cè)出試驗(yàn)試件中的所有槽，縱波比橫波衰減和噪聲要小。在不銹鋼管道焊縫中，縱波探頭對(duì)缺陷的檢測(cè)能力比橫波探頭要高。

5.2 雙晶縱波探頭和單晶縱波探頭在不銹鋼管道焊縫中檢測(cè)能力比較

結(jié)論：雙晶縱波探頭的信號(hào)區(qū)分能力要優(yōu)于單晶縱波探頭，單晶縱波探頭的信號(hào)要顯得雜亂一些，干擾信號(hào)較多，雙晶縱波探頭是一發(fā)一收，焦距范圍內(nèi)顯示信號(hào)的信噪比較高，數(shù)據(jù)B、C、D掃圖形中缺陷信號(hào)比較容易分辨。另外寬頻帶的雙晶縱波探頭與單晶縱波探頭相比，在探測(cè)并區(qū)分缺陷端點(diǎn)信號(hào)方面能力要高，圖3為兩類探頭信號(hào)的比較圖。

5.3 雙晶縱波探頭中寬頻帶和窄頻帶兩種類型探頭在不銹鋼管道焊縫中回波信噪比和檢測(cè)能力的比較

結(jié)論：寬頻帶雙晶縱波探頭的信噪比要優(yōu)于低頻帶雙晶縱波探頭。寬頻帶雙晶縱波探頭B掃圖形中缺陷信號(hào)在掃查方向和深度方向的分辨能力要明顯好于低頻帶雙晶縱波探頭。寬頻帶和窄頻帶雙晶縱波探頭相比，由于周期數(shù)較少，在探測(cè)并區(qū)分缺陷端點(diǎn)信號(hào)方面能力要好許多，圖4為兩種類型探頭RF波比較圖，圖5～圖7為兩類探頭信號(hào)的比較圖。

6 結(jié)束語(yǔ)

在不銹鋼管道焊縫超聲檢測(cè)中：

b）雙晶縱波探頭回波信號(hào)的信噪比要優(yōu)于單晶縱波探頭；

c）雙晶縱波探頭對(duì)缺陷信號(hào)的區(qū)分能力要優(yōu)于單晶縱波探頭；

d）寬頻帶雙晶縱波探頭的信噪比要優(yōu)于低頻帶雙晶縱波探頭；

e）寬頻帶雙晶縱波探頭對(duì)缺陷信號(hào)的分辨能力要優(yōu)于低頻帶雙晶縱波探頭。

因此，為了提高不銹鋼管道焊縫超聲檢測(cè)的信噪比和分辨力，應(yīng)該優(yōu)先選擇寬頻帶雙晶縱波探頭，正確的探頭參數(shù)選擇可以提高此類焊縫的檢測(cè)能力以及可靠性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]ASME， Boiler & Pressure Vessel Code，Section XI：Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components[S].

[2]李衍，馮兆國(guó).不銹鋼焊縫的超聲檢測(cè)-現(xiàn)狀與發(fā)展[J].無(wú)損探傷，2005，29（3）： 1-6.

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[4]張鷹嗎，張延豐，雷毅.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測(cè)方法研究[J].無(wú)損檢測(cè)，2006，28（3）：119-122.

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