奧氏體不銹鋼相控陣檢測的研究

吳萬良，周 琳

(洛陽欣隆工程檢測有限公司，河南 洛陽 471012)

在高溫、高壓和液體沖刷等極端情況下，即便是具有優(yōu)秀耐腐蝕性能的奧氏體不銹鋼，仍會出現(xiàn)腐蝕和破損現(xiàn)象，如晶間腐蝕等，被腐蝕后的奧氏體不銹鋼從外表觀察往往無法發(fā)現(xiàn)異常，從而造成事故的突然發(fā)生，危害性較大[1]。因此對奧氏體不銹鋼進行在役的無損檢測對維護裝置的安全運行至關(guān)重要。目前，對奧氏體不銹鋼焊縫的無損檢測方法主要有射線檢測和超聲檢測，射線檢測是目前對奧氏體不銹鋼焊縫進行探傷的最有效手段之一，但受射線檢測的成像原理限制，對焊縫中垂直于射線方向的面積型缺陷缺乏有效的識別手段，且射線檢測的實際使用受到很多限制，因此一般采用常規(guī)超聲檢測作為補充，而受奧氏體組織晶粒粗大，焊縫具有各向異性的影響，常規(guī)的超聲檢測方法超聲波衰減嚴(yán)重，穿透力不足，缺陷回波信噪比低，檢測結(jié)果沒有足夠的可信度[2]。相控陣超聲檢測技術(shù)作為近年以來新興起的技術(shù)，為奧氏體不銹鋼焊縫檢測這一難題提供了新的思路。

1 相控陣超聲檢測

1.1 相控陣超聲檢測的原理

相控陣超聲檢測技術(shù)通過有序排列的多個晶片組成探頭，并按照一定的順序進行延時激發(fā)，使聲束形成整體波陣面，實現(xiàn)波束的掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦，可以對檢測對象進行多方位、多角度的掃查，有效降低漏檢率，提高檢測可靠性[3]。根據(jù)固體介質(zhì)超聲波衰減系數(shù)方程[4]。

(1)

式中：f，超聲波頻率；d，介質(zhì)的晶粒直徑；λ，波長；F，各向異性系數(shù)；c1、c2、c3、c4，常數(shù)。

由式(1)可知，超聲波頻率、介質(zhì)的晶粒尺寸和各向異性系數(shù)會影響介質(zhì)的散射衰減，當(dāng)介質(zhì)的晶粒直徑小于超聲波波長時，衰減系數(shù)與f4、d3成正比，在奧氏體不銹鋼的超聲檢測中，奧氏體組織的晶粒粗大，當(dāng)采用較高頻率的超聲波時，會受到嚴(yán)重衰減，草波大量的出現(xiàn)在示波屏上，信噪比降低，穿透能力不足，造成檢測困難。

而相控陣檢測依托于波的獨立性原理，通過對各晶片的激發(fā)時間進行設(shè)定，使其成為相干波源，產(chǎn)生可以互相疊加或互相抵消的相干波，進而獲得更強的穿透力，提高信噪比和檢測質(zhì)量，在對奧氏體不銹鋼焊縫的檢測中可以獲得更好的檢測效果。

1.2 相控陣超聲檢測的特點

相控陣超聲檢測的控制相對靈活，通過軟件控制各晶片的激發(fā)，可以獲得不同特征的波陣面，使超聲波束聚焦在不同的深度上，提高檢測質(zhì)量。針對不同種類的工件或焊縫，結(jié)合其可能出現(xiàn)缺陷的位置、類型，可以具體調(diào)整相控陣超聲的檢測參數(shù)，獲得合適的超聲波束聚焦角度(圖1)和聚焦深度，對缺陷的檢測具有針對性，提高缺陷檢出率，實現(xiàn)了更高精度的掃查，檢測效率和檢測質(zhì)量得到了極大的提升。

圖1 相控陣超聲檢測的多角度掃查

相比于常規(guī)超聲檢測在示波屏上實時顯示出回波信號，相控陣超聲檢測技術(shù)通過設(shè)置多個波束進行掃描，獲得更加豐富的檢測數(shù)據(jù)，通過對同一位置焊縫的多角度掃描以及編碼器對檢測探頭步進距離的記錄，可以形成B掃描、C掃描、D掃描等掃描圖像，通過軟件合成處理后，在顯示屏上呈現(xiàn)出焊縫區(qū)域的模擬圖像，保留了可追溯的檢測結(jié)果，提高了檢測質(zhì)量[5]。

2 奧氏體不銹鋼相控陣超聲檢測參數(shù)選擇

2.1 模擬試塊的制備

為了模擬奧氏體不銹鋼焊縫檢測的實際狀況，制備Y型坡口的奧氏體不銹鋼焊縫模擬試塊，母材及焊縫材料均為奧氏體不銹鋼，在坡口處設(shè)置通孔為模擬缺陷。使用相控陣超聲檢測設(shè)備對模擬試塊進行掃查，對相控陣超聲對缺陷的檢出能力進行驗證。模擬試塊的結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖(圖2)所示。

圖2 奧氏體不銹鋼模擬試塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 選擇實驗儀器

由式(1)知道，超聲波頻率越高，在奧氏體不銹鋼中的衰減越嚴(yán)重。李衍等[6]對奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波傳播特性進行研究后，也認(rèn)為使用縱波探頭可以獲得更好的檢測效果。因此，在對奧氏體不銹鋼焊縫的相控陣超聲檢測驗證中使用縱波探頭，以期望提高對缺陷的檢出能力和定性、定量水平。至此，本次實驗所需儀器及材料如表1所示。

表1 實驗用儀器及材料

2.3 調(diào)節(jié)檢測參數(shù)

在開始相控陣檢測之前，需要對設(shè)備進行調(diào)試。首先，將需要檢測的焊縫規(guī)格進行錄入，包括焊縫高度、寬度、余高、坡口尺寸和坡口類型等信息，信息錄入后，調(diào)節(jié)相控陣的掃查角度和步進距離等信息，確保實現(xiàn)對焊縫區(qū)域的覆蓋，防止出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。然后，使用奧氏體不銹鋼材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)試塊，先后進行相控陣設(shè)備的聲速校準(zhǔn)、延遲校準(zhǔn)(角度補償)、靈敏度校準(zhǔn)(能量補償)和TCG校準(zhǔn)。其中，聲速校準(zhǔn)的目的是校正被檢工件的真實聲速；延遲校準(zhǔn)的目的是校正每一條A掃描線到達同一聲程的反射體的距離是相等的，延遲校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性影響反射體的定位；靈敏度校準(zhǔn)的目的是校正每一條A掃描線到達同一聲程的反射體的能量是相等的，靈敏度校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性影響反射體定量的準(zhǔn)確性；最后的TCG校準(zhǔn)目的是制作用于缺陷定量用的曲線。完成設(shè)備調(diào)試后，就可以對奧氏體不銹鋼焊縫進行掃查。

2.4 模擬實驗結(jié)果

完成對相控陣超聲檢測設(shè)備的參數(shù)設(shè)置之后，對所測模擬試塊進行掃查，得到的掃查圖像如圖3所示。

圖3 相控陣掃查圖像

通過對相控陣圖譜的觀察，可以很容易地發(fā)現(xiàn)人工缺陷，實現(xiàn)了缺陷的檢出。

3 相控陣超聲檢測的現(xiàn)場應(yīng)用

對各項目實際檢測工作中遇到的焊縫缺陷進行相控陣復(fù)查，得到以下相控陣圖譜與射線底片的對比圖像，如圖4所示。

圖4 射線底片和相控陣圖譜對比圖像

通過對實際檢測中的相控陣與射線底片進行比較，相控陣檢測可以實現(xiàn)對奧氏體型不銹鋼焊縫中缺陷的檢出。

4 結(jié)論

相控陣超聲檢測技術(shù)通過模擬試塊實驗過程中調(diào)整檢測參數(shù)，可以實現(xiàn)對奧氏體不銹鋼焊縫的檢測，并且獲得較好的檢測效果，并且，與射線檢測相比，相控陣超聲檢測沒有輻射污染，可以多工種同時進行，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的在役檢測，相比射線檢測具有更大的優(yōu)勢。