小管徑、薄壁不銹鋼焊縫的超聲相控陣檢測

孫小磊 王雪臣 孫鐘 劉貴吉 趙順利

摘要：在深海浮式FPSO項(xiàng)目中，奧氏體不銹鋼材料在其內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中油氣管線的應(yīng)用較多。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系統(tǒng)檢驗(yàn)空間狹小，部分焊口無法進(jìn)行RT檢驗(yàn)。超聲相控陣技術(shù)不斷發(fā)展，成為代替射線檢測的有效手段之一，但奧氏體不銹鋼焊縫中較粗大的晶粒是需要克服的難點(diǎn)，小管徑、薄壁更是增加了發(fā)射損失大等困難。通過加工不同規(guī)格的奧氏體不銹鋼校準(zhǔn)試塊和認(rèn)證試塊，以及大量實(shí)驗(yàn)對相控陣技術(shù)檢測該材料管線進(jìn)行可行性分析，制定出針對某些特定規(guī)格的奧氏體不銹鋼的相控陣掃查工藝。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;相控陣檢測;掃查工藝;小管徑;薄壁

中圖分類號：TG457.11? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）07-0031-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.06

0? ? 前言

奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的低溫韌性、抗腐蝕性、抗氧化性等物理和化學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于石油化工等各行業(yè)中，其服役條件與其他材料相比較為惡劣，所以必須對該材料及其焊縫進(jìn)行較為嚴(yán)苛的檢測，避免發(fā)生質(zhì)量安全等事故。在我國首個深海浮式FPSO項(xiàng)目中，其內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中存在大量的奧氏體不銹鋼管線，規(guī)格多為管徑1～2 in、壁厚6.35～11.07 mm，坡口形式為60°單V坡口，焊接方法為氬弧焊，由于空間狹小的特殊性，不具備射線檢測條件。奧氏體不銹鋼焊縫中晶粒粗大，常規(guī)超聲波檢測時對聲束會有比較嚴(yán)重的散射衰減和極差的信噪比，對檢測靈敏度有較大影響。隨著無損檢測新技術(shù)的不斷發(fā)展，為保證奧氏體不銹鋼管線焊縫合格，采用相控陣檢測技術(shù)對該規(guī)格范圍內(nèi)的焊縫進(jìn)行檢測。由于檢驗(yàn)對象是小管徑、薄壁的焊縫，相控陣面臨前所未有的挑戰(zhàn)性，探頭的選擇、掃查工藝的制定等因素都直接影響檢驗(yàn)效果[1-2]。

1 常規(guī)奧氏體不銹鋼檢測難點(diǎn)分析

（1）奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)。奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部晶間組織與常規(guī)碳鋼區(qū)別較大，其晶粒粗大、組織不均勻，各向異性較為明顯。當(dāng)進(jìn)行常規(guī)超聲波檢驗(yàn)時，聲束在焊縫內(nèi)部傳播時會受到晶間各向異性的影響，造成聲束能量衰減嚴(yán)重以及其他聲束特性的變化。

（2）聲束衰減嚴(yán)重。奧氏體焊縫內(nèi)的粗晶結(jié)構(gòu)會增加聲束的散射衰減，當(dāng)晶粒尺寸接近聲束波長的1/10時，聲束會產(chǎn)生明顯的散射衰減;當(dāng)晶粒尺寸約為1/2聲束波長時，散射衰減劇增，并且大尺寸晶粒的反射信號會被超聲波儀器接收，儀器顯示屏上出現(xiàn)大量的雜波信號，嚴(yán)重降低信噪比。對于頻率相同、波長較短的橫波，其波長與晶粒尺寸相差較小，因此橫波檢測奧氏體焊縫受到了一定程度的限制。

2 小管徑、薄壁奧氏體不銹鋼焊縫檢測難點(diǎn)分析

小管徑、薄壁不銹鋼焊縫除與常規(guī)大管徑奧氏體不銹鋼焊縫有著相同的檢驗(yàn)難點(diǎn)外，其現(xiàn)場相控陣檢測時還具有以下難點(diǎn)：

（1）耦合困難。小徑管的曲率半徑相對較小，導(dǎo)致探頭與工件的檢測接觸面較小，耦合較差導(dǎo)致聲能損失較大;橫波檢測時，小徑管內(nèi)表面二次波反射時發(fā)散嚴(yán)重，對缺陷檢出率有較大影響。

（2）缺陷定位、定量困難。對于小徑管、薄壁焊縫，其焊縫蓋面相對較寬，導(dǎo)致相控陣探頭偏移值較大，需要較大角度的一次波才能覆蓋焊縫根部區(qū)域，聲束能量發(fā)散嚴(yán)重。并且一次波檢測時，聲程較小導(dǎo)致近場區(qū)內(nèi)檢測時對缺陷的定位、定量有較大影響，檢測結(jié)果存在一定程度的偏差。

（3）偽信號的干擾。薄壁焊縫的余高與母材厚度相差較小，檢驗(yàn)時焊縫內(nèi)外表面的余高會產(chǎn)生較多的信號干擾，導(dǎo)致識別真實(shí)缺陷存在一定困難。

（4）接頭形式的影響。小徑管、薄壁奧氏體不銹鋼焊縫現(xiàn)場接頭形式在較大程度上都是管對彎頭，其不同于大管徑管對彎頭焊縫可以進(jìn)行雙側(cè)掃查，小管徑彎頭側(cè)探頭無法耦合，因此只能進(jìn)行管側(cè)單側(cè)掃查，為保證現(xiàn)場產(chǎn)品質(zhì)量，單側(cè)掃查時聲束需要覆蓋彎頭側(cè)坡口，保證準(zhǔn)確檢出該位置的危害性缺陷，這對探頭性能有較高的要求。

（5）現(xiàn)場環(huán)境的影響。小徑管管線現(xiàn)場排列密集、作業(yè)空間有限、接頭形式各異、規(guī)格較多等狀況給該類別焊縫檢驗(yàn)帶來較多困難。

綜上所述，相控陣檢測小管徑、薄壁奧氏體不銹鋼焊縫存在相當(dāng)大的困難[3-6]，必須采用特殊的探頭、楔塊、掃查器、掃查工藝等。

3 相控陣探頭的選用思路

由于奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，對于橫波衰減系數(shù)過大，橫波很難穿過焊縫且二次波發(fā)散嚴(yán)重，界面回波和雜波增加，嚴(yán)重影響檢驗(yàn)信噪比[7-11]。

對于奧氏體不銹鋼，低頻率縱波在穿透粗晶焊縫區(qū)域更具有優(yōu)勢。這是因?yàn)榭v波探頭主要是一次波對焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)，能更好地穿透焊縫，同時避免橫波地面反射能量損失過多以及二次波過多的雜波影響，如圖1所示。

4 檢驗(yàn)小管徑奧氏體鋼管專用探頭的研發(fā)及使用

標(biāo)準(zhǔn)的線性橫波探頭不能充分滿足檢測小管徑、薄壁奧氏體鋼管的要求，其獨(dú)特的聲學(xué)性能對檢測探頭提出了獨(dú)特的要求。因此和設(shè)備廠家奧林巴斯對雙晶線陣探頭進(jìn)行了研發(fā)。

5DL16-12X5-A25-P-2.5-OM探頭一發(fā)一收的雙晶縱波相控陣探頭，其檢測頻率5 MHz、16晶片雙陣列、總活動孔徑15 mm×5 mm、晶片間距0.75 mm、晶片高度5 mm，如圖2所示。

該雙晶線陣縱波探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）靈敏度高。發(fā)射晶片用高發(fā)射靈敏度的壓電陶瓷制成，接收晶片用接收靈敏度高的硫酸鋰等制成，探頭的整體靈敏度較高。

（2）信噪比高。雙晶縱波探頭一發(fā)一收的模式，避免了界面回波等雜波信號的出現(xiàn)，從而提高了檢驗(yàn)信噪比。

（3）減少工件中的近場區(qū)。因?yàn)檠舆t塊雙晶探頭減小了工件中的近場區(qū)長度，對于缺陷的準(zhǔn)確定量有一定幫助。

（4）檢測范圍可調(diào)節(jié)。檢測時為了確保聚焦現(xiàn)象出現(xiàn)在預(yù)期區(qū)域，對不同管徑需使用不同的楔塊屋頂角，因此該探頭安裝在一種標(biāo)準(zhǔn)外殼中，探頭屋頂角可變，改變雙晶探頭的屋頂角即可改變菱形聚焦區(qū)域的范圍，配合相控陣聚焦法則中的聚焦能力，可以使聚焦區(qū)域的能量相對提高，助力聲束更好地穿透焊縫，提高檢測可靠性，與不同曲率的楔塊安裝在一起可用于檢測1～4.5 in的管線。

5 TCG校準(zhǔn)

奧氏體不銹鋼焊縫與常規(guī)的碳鋼焊縫差別較大，檢測碳鋼焊縫時，由于焊縫和母材的聲學(xué)性能相似，所以進(jìn)行TCG校準(zhǔn)是通過母材上不同深度處的橫通孔進(jìn)行的;而檢驗(yàn)奧氏體不銹鋼焊縫時，焊材與母材的聲學(xué)性能差異較大，由于焊材比母材的晶粒更加粗大，對聲束衰減更大，因此進(jìn)行TCG校準(zhǔn)時要通過焊縫中心的橫通孔進(jìn)行校準(zhǔn)。

6 工藝認(rèn)證

按照ASME Ⅴ要求進(jìn)行工藝認(rèn)證。掃查工藝采用Setupbuilder軟件模擬A25探頭激發(fā)兩組聚焦法則，第一組聚焦法則是角度范圍為45°～75°的扇掃，聲程聚焦在焊縫對側(cè)坡口位置;第二組聚焦法則是角度范圍為70°～85°的扇掃，聲程聚焦在焊縫對側(cè)坡口位置，掃查工藝具體如圖3所示。

認(rèn)證試塊的設(shè)計加工滿足ASME Ⅴ的要求。試塊工件取自現(xiàn)場，保證試塊的聲學(xué)性能與現(xiàn)場待檢工件一致。為了證實(shí)掃查工藝在現(xiàn)場的可操作性和準(zhǔn)確性，現(xiàn)加工1 in（管徑）-6.35 mm（壁厚）、1.5 in-7.14 mm兩個規(guī)格的認(rèn)證試塊，缺陷分布位置如圖4所示。認(rèn)證試塊的缺陷檢測結(jié)果如圖5和圖6所示。認(rèn)證試塊缺陷加工尺寸與檢測結(jié)果對比見表1。

7 現(xiàn)場檢驗(yàn)情況

該工藝目前已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)場120余道奧氏體不銹鋼焊縫的檢驗(yàn)，其中共發(fā)現(xiàn)13道焊口返修，其中包括兩處氣孔返修，分別為1 in-6.35 mm和2 in-11.07 mm的管對接接頭，氣孔的PAUT檢出效果和RT的檢出效果如圖7和圖8所示。通過RT底片可以清楚地看出1 mm的氣孔，在焊道的相同位置PAUT也同樣出現(xiàn)反射體回波。

由現(xiàn)場管線的檢測效果可知，PAUT檢測可以有效檢出缺陷當(dāng)量為1 mm氣孔的焊接缺陷，因此PAUT在檢測小徑管奧氏體不銹鋼上存在一定的可行性。

8 奧氏體不銹鋼檢驗(yàn)注意事項(xiàng)

8.1 檢驗(yàn)靈敏度下降

超聲波檢測的靈敏度為γ/2，縱波探頭聲束頻率低，導(dǎo)致檢測靈敏度降低，因此采用雙面陣縱波探頭檢測奧氏體不銹鋼對檢測靈敏度有一定影響。

8.2 波型轉(zhuǎn)換

橫波探頭檢驗(yàn)常規(guī)碳鋼焊縫時，在檢驗(yàn)對象中僅有橫波聲束;然而用縱波探頭檢測奧氏體不銹鋼焊縫時在工件中包含縱波和橫波兩種形式的聲束，由于縱波聲束約為橫波聲束的2倍，因此為了避免橫波一次波和縱波二次波相互干擾，檢驗(yàn)時只通過一次縱波進(jìn)行檢驗(yàn)，在一次波范圍內(nèi)不會出現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換的橫波。

9 結(jié)論

對于氬弧焊的小管徑、薄壁奧氏體不銹鋼管線，利用A25探頭強(qiáng)大的角度偏轉(zhuǎn)能力對焊縫進(jìn)行一次波全覆蓋，對奧氏體不銹鋼焊縫進(jìn)行有效檢測，在某些情況下可替代射線作業(yè)，相控陣檢驗(yàn)奧氏體不銹鋼小徑管在評判階段存在晶間雜波的干擾，需要特別注意是被雜波信號。但是對于其他焊接工藝的奧氏體焊縫，由于焊接方法的不同導(dǎo)致焊縫中晶粒大小有所差異，因此文中只針對氬弧焊小管徑、薄壁奧氏體焊縫，其他焊接工藝的焊縫PAUT檢驗(yàn)需要試驗(yàn)進(jìn)一步確定，不能一概而論。

參考文獻(xiàn)：

劉貴吉，甘志云，李江，等.超聲相控陣檢測技術(shù)在奧氏體不銹鋼焊縫中的應(yīng)用[J].海洋工程裝備與技術(shù)，2018（5）：248-252.

李鵬頻，李江，劉貴吉，等.雙晶聚焦縱波相控陣檢測系統(tǒng)在雙相不銹鋼管線中的應(yīng)用[J].中國造船，2014，55（S1）：331-339.

王旭.對超聲相控陣聚焦法則中聲束角度設(shè)置的研究[J].無損探傷，2019（5）：36-37.

ASME Boiler & pressure vessel code，Section V. Nondestru-ctive examination[S]. 2019.

王旭.316不銹鋼1英寸小徑鋼管工藝管線焊縫超聲相控陣檢驗(yàn)工藝研究[J].無損探傷，2019（4）：46-48.

杜傳國，郭相吉，顧顯方.電站鍋爐小徑管的超聲相控陣檢測[J].無損檢測，2017，39（3）：69-79.

余炎雄，姚立恒.一種雙晶線陣相控陣探頭的設(shè)計開發(fā)[J].無損探傷，2020，44（2）：29-33.

鄭中性.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲探傷方法[J].無損探傷，2005，29（4）：12-16.

余菊生.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲探傷方法[J].造船技術(shù)，1985（10）：25-30，39.

康紀(jì)黔，李家鰲.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢驗(yàn)規(guī)程[J].無損探傷，2001，23（4）：162-166.

晏榮明，李生田.大厚度奧氏體焊縫超聲波探傷的研究[J].無損探傷，1994，18（4）：6-11.