厚壁347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測

李曉亮 朱生萍 魏劍平 王軍杰 馬小兵

（新疆蘭石重裝能源工程有限公司）

347H 不銹鋼具有較高的高溫強度和塑性，它憑借優(yōu)良的抗氧化耐腐蝕性能（優(yōu)于雙相鋼和碳鋼+鎳基堆焊層） 和加工焊接性能在壓力容器制造中被廣泛使用，且成本低廉。 347H 不銹鋼的抗氧化耐腐蝕性能與其母材的晶粒尺寸密切相關(guān)：若347H 不銹鋼對接焊縫的晶粒尺寸較大，在超聲波檢測過程中，粗大的晶粒和不同晶粒的各向異性會導(dǎo)致超聲波的嚴(yán)重散射和波形轉(zhuǎn)換，使聲束產(chǎn)生畸變、聲速發(fā)生變化，造成對接接頭超聲波檢測出現(xiàn)大量的草狀雜波并覆蓋缺陷波，使缺陷無法被檢出。 而對于厚壁焊接接頭，上述因素對超聲波檢測的影響更加突出。 為此，筆者針對347H 不銹鋼厚壁對接接頭超聲波檢測方法進行探索。

1 概況

新疆蘭石重裝能源工程有限公司承制了一批流化床反應(yīng)器（圖1），規(guī)格為3200mm×66mm×23285mm，材料為347H 不銹鋼。

圖1 流化床反應(yīng)器示意圖

347H 不銹鋼主要用于制造壓力管道等壓力元件，一般使用厚度都比較薄，其對接接頭的無損檢測方法通常選擇射線檢測。 采用347H 不銹鋼作為主體材料制造壓力容器在國內(nèi)尚屬首次，66mm 的壁厚也是目前最大的壁厚。 設(shè)計文件要求對該產(chǎn)品的A、B 類焊接接頭采用100%RT+100%UT+100%PT 檢測。 目前，347H 不銹鋼對接接頭超聲波檢測參照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》［1］附錄I（資料性附錄）——《奧氏體不銹鋼對接接頭超聲檢測方法和質(zhì)量分級》中的相關(guān)要求執(zhí)行。

2 347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測方法

2.1 材料成分分析

347H 不銹鋼化學(xué)成分見表1。

表1 347H 不銹鋼化學(xué)成分 %

2.2 焊縫金相組織

347H 不銹鋼對接焊縫金相顯微組織如圖2所示，可以看出，焊縫及熱影響區(qū)附近的平均晶粒度符合E112 試驗方法的要求，測定的347H 不銹鋼對接焊縫具有ASTM N07 號或更粗的平均晶粒度。

圖2 347H 不銹鋼對接焊縫金相顯微組織

2.3 探頭及儀器的選擇

2.3.1 探頭

對于頻率為1.8MHz 的雙晶縱波斜探頭，不銹鋼中的聲速按5 690m/s 計算，得到理論波長為3 000μm。 當(dāng)焊縫的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(dāng)晶粒直徑達到半個波長時，聲散射劇增，無法進行超聲波檢測［2］。347H 不銹鋼對接焊縫具有ASTM N07 號晶粒度， 焊縫的晶粒直徑在超聲波波長的1/10～1/2之間， 而采用低頻率探頭可以解決雜波多的問題，因此將探頭頻率控制在1.8～4.0MHz 之間。

雙晶探頭由兩個晶片組合在一起，一個晶片發(fā)射超聲波，另一個晶片接收超聲波，兩個晶片相互傾斜，在接收和發(fā)射聲束相交的菱形區(qū)域內(nèi)形成了一個菱形聲束匯聚區(qū)，只有菱形區(qū)域內(nèi)的缺陷，其反射波才能被探頭接收［3］。相比于單晶探頭來說，雙晶探頭的菱形聲束匯聚區(qū)內(nèi)的聲能較集中，可提高缺陷檢測的靈敏度，從而提高信噪比。 雙晶縱波斜探頭具備縱波探頭和直探頭的特點，也兼具斜探頭的特點，因此其波束穿透能力強；采用兩個晶片分別發(fā)射和接收聲束，檢測通道暢通，在檢測過程中產(chǎn)生盲區(qū)較小，檢測靈敏度較高。因此，在347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測過程中優(yōu)先選用低頻雙晶縱波斜探頭。

對于雙晶縱波斜探頭來說，在超聲波檢測過程中，在波速一定的條件下，頻率與波長成反比，探頭頻率越高，波能衰減越大，穿透能力越弱［4］。由于只有在菱形聲束匯聚區(qū)域內(nèi)的缺陷才能被雙晶縱波斜探頭檢出，因此改變探頭波束入射角度， 就可以改變菱形聲束匯聚區(qū)的位置和形狀，當(dāng)入射角增大時，菱形聲束匯聚區(qū)就向試件的上表面移動，菱形區(qū)深度范圍變小。 在實際檢測過程中，應(yīng)根據(jù)待檢部件的厚度，選擇探頭的波束入射角度， 獲得相應(yīng)深度的菱形聲束匯聚區(qū)，對整體焊縫不同深度進行分層檢測，以得到較高的檢測靈敏度。

對于347H 不銹鋼焊接焊縫， 在超聲波檢測過程中，對于某一深度為H 的缺陷，檢測設(shè)定的水平距離為b， 缺陷反射波與探頭掃查面的夾角為θ， 則H=b/tanθ， 即隨著探頭波束入射角的增大，菱形聲束匯聚區(qū)上移，對焊縫上面缺陷的檢測靈敏度升高。 在現(xiàn)場探索檢測的過程中，選用不同的波束入射角探頭對不同深度的缺陷進行檢測，得到不同波束入射角探頭對不同深度缺陷的檢測結(jié)果（圖3）。 對檢測數(shù)據(jù)進行整理對比分析，確定不同波束入射角探頭對應(yīng)的檢測深度范圍。最后對上述部位缺陷進行射線檢測（圖4），將射線檢測結(jié)果與超聲波檢測結(jié)果進行對比驗證。

圖3 347H不銹鋼對接焊縫超聲波檢測結(jié)果

圖4 347H 不銹鋼對接焊縫射線檢測結(jié)果

雙晶縱波斜探頭的性能與其材料和制造工藝有關(guān)。 在347H 不銹鋼對接焊縫檢測過程中，選用不同波束入射角的雙晶/單晶縱波斜探頭對不同深度的缺陷進行檢測，得到的檢測靈敏度見表2。

表2 不同波束入射角的雙晶/單晶縱波斜探頭的靈敏度對比

通過分析表2 中所列的檢測靈敏度數(shù)據(jù)，并結(jié)合新疆蘭石重裝能源工程有限公司超聲波檢測工藝標(biāo)準(zhǔn)附錄J——《奧氏體不銹鋼對接接頭超聲波檢測工藝》中的相關(guān)內(nèi)容，推薦347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測的探頭選擇標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測的探頭選擇標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 超聲波檢測儀

目前，市場上的超聲波檢測儀的性能都能滿足對接焊縫的檢測要求，因此超聲波檢測設(shè)備的選擇應(yīng)與探頭、線纜的選擇相匹配，以獲得最佳的靈敏度、分辨力和信噪比。

3 試塊制作要求

試塊制作時，對其材料、形狀、尺寸和表面狀態(tài)有專門的要求和規(guī)定，其中標(biāo)準(zhǔn)試塊用于設(shè)備和探頭檢測性能的調(diào)試和校準(zhǔn)。

對于347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測，制作了與347H 不銹鋼同材質(zhì)的CSK-IA 試塊，消除了因材料差異而產(chǎn)生的設(shè)備調(diào)試和校準(zhǔn)誤差。

在缺陷評估定量過程中， 制作了與347H 不銹鋼對接焊縫相同材料、相同厚度和相同焊接工藝的對比試塊。 由于檢測過程中不得存在不小于φ2mm 的缺陷， 所以347H 不銹鋼對接焊縫對比試塊設(shè)置了一個φ2mm 的長橫孔。

4 結(jié)束語

347H 鋼屬于奧氏體不銹鋼， 但其材料性能與其他奧氏體不銹鋼存在差異。 針對347H 不銹鋼對接焊縫自身的特點， 對347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測進行了探討和研究。 首先，采用分層檢測的方法，對于不同深度的缺陷，合理選擇探頭的波束入射角，提高缺陷檢出率和檢測靈敏度；其次，對于粗晶材料對接焊縫，選用低頻探頭可以減少檢測過程中產(chǎn)生的雜波，避免雜波覆蓋缺陷波從而產(chǎn)生缺陷漏檢的現(xiàn)象；再次，雙晶縱波斜探頭性能穩(wěn)定，兼具斜探頭和縱波探頭的特點，波束穿透能力強，波能衰減小，檢測靈敏度高，其聲束發(fā)射和接收通道獨立設(shè)置，不會出現(xiàn)通道堵塞的現(xiàn)象，檢測盲區(qū)小。

經(jīng)過對347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測方法的探討和研究，使流化床反應(yīng)器產(chǎn)品對接焊縫的缺陷檢出率得到了充分提高，焊縫射線檢測一次性合格率從87%提高到95%以上，從側(cè)面印證了347H 不銹鋼對接焊縫超聲波檢測取得了良好的效果。 為今后對347H 不銹鋼對接焊縫的超聲波檢測提供了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗支持，使同類材料產(chǎn)品的制造質(zhì)量得到了有效保證。