304L不銹鋼薄壁小徑管焊縫的相控陣超聲檢測(cè)工藝

楊建龍，楊會(huì)敏,2，嚴(yán) 宇,2，張曉峰，董 安，金士杰，劉偉達(dá)

(1.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300；2.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300；3.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；4.大連理工大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)研究所，大連 116024)

某化工廠的現(xiàn)場(chǎng)管道焊縫大量采用304L不銹鋼薄壁小徑管(壁厚3.5～6 mm)，而304L不銹鋼在進(jìn)行焊接時(shí)，可能存在氣孔、裂紋[1]、未熔合、未焊透等焊接缺陷，對(duì)焊縫質(zhì)量造成影響。設(shè)計(jì)方要求焊縫檢驗(yàn)結(jié)果不允許有裂紋、未焊透、鏈狀氣孔及密集氣孔等缺陷，允許有單個(gè)零星的氣孔、夾渣。針對(duì)該類型不銹鋼薄壁小徑管，采用傳統(tǒng)射線方法檢測(cè)時(shí)，由于存在輻射風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法交叉施工，檢測(cè)效率低；采用常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)，衰減和噪聲的影響較大，檢測(cè)靈敏度較低，難以發(fā)現(xiàn)焊縫中較小缺陷，且檢測(cè)結(jié)果無(wú)法存儲(chǔ)。而相控陣超聲技術(shù)(PAUT)可通過(guò)調(diào)整陣列換能器各陣元發(fā)射和接收的相位延遲，合成在一定范圍內(nèi)有偏轉(zhuǎn)、聚焦等效果的聲束，具有更大的檢測(cè)范圍和更高的檢出能力[2]，可對(duì)304L不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測(cè)[3-5]，且該方法具有檢測(cè)結(jié)果可數(shù)字化存儲(chǔ)、檢測(cè)重復(fù)性好、顯示直觀、面積型缺陷檢出率高、無(wú)需輻射防護(hù)、可交叉施工、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，筆者通過(guò)聲學(xué)特性分析、仿真模擬、試驗(yàn)驗(yàn)證、解剖試驗(yàn)和缺陷檢出率分析，對(duì)304L不銹鋼薄壁小徑管焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，并利用現(xiàn)場(chǎng)焊縫對(duì)檢測(cè)工藝進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 研究對(duì)象

根據(jù)某化工廠的現(xiàn)場(chǎng)焊縫選取了φ33.4 mm×4.55 mm，φ48.3 mm×3.68 mm,φ60.3 mm×3.91 mm，φ60.3 mm×5.54 mm,φ88.9 mm×5.49 mm,φ73.5 mm×5.16 mm(直徑×壁厚，下同)等6種規(guī)格焊縫進(jìn)行研究。

2 材料的聲學(xué)特性分析

選取與現(xiàn)場(chǎng)管道材料(牌號(hào)為022Cr19Ni10，屬于304L不銹鋼，經(jīng)過(guò)軋制和固溶處理)和焊接工藝完全相同的小徑管對(duì)接焊縫(規(guī)格為φ60.3 mm×5.54 mm)進(jìn)行解剖分析。在試塊上選取三處截面進(jìn)行焊縫和母材區(qū)域的金相觀察，不同位置截面金相照片如圖1～3所示。各截面分別命名為1-1、1-2和1-3。統(tǒng)計(jì)金相照片中的最大晶粒尺寸和各截面處晶粒度，結(jié)果如表1所示。

圖1 1-1截面金相照片

圖2 1-2截面金相照片

圖3 1-3截面金相照片

表1 各截面處晶粒度及最大晶粒尺寸

由表1可知，不銹鋼材料晶粒粗大，超聲波在其焊縫組織內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射現(xiàn)象，從而使檢測(cè)的有效能量大大降低，當(dāng)聲波遇到晶界還會(huì)發(fā)生一定的波型轉(zhuǎn)換，使檢測(cè)效果大打折扣[6]，因此筆者采用相控陣超聲方法，通過(guò)偏轉(zhuǎn)和聚焦提高檢測(cè)的有效能量，并通過(guò)聲場(chǎng)能量仿真進(jìn)行分析。

同時(shí)，對(duì)φ60.3 mm×5.54 mm規(guī)格的不銹鋼小徑管進(jìn)行了聲速、衰減、噪聲水平等聲學(xué)參數(shù)的測(cè)量，得到以下結(jié)論:① 母材中平均縱波與平均橫波聲速分別為5 928，3 172 m·s-1，焊縫中平均縱波與平均橫波聲速分別為5 864，3 123 m·s-1；② 母材平均衰減為0.16 dB·mm-1，焊縫平均衰減為0.29 dB·mm-1；

③ 母材平均噪聲水平為φ2 mm-33 dB，焊縫平均噪聲水平為φ2mm-30 dB。

3 仿真模擬

3.1 聲場(chǎng)仿真

根據(jù)φ60.3 mm×5.54 mm規(guī)格檢測(cè)對(duì)象的聲學(xué)特性，將其聲學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)果作為仿真參數(shù)，展開了聲場(chǎng)仿真研究，主要比較探頭類型(一維自聚焦和雙晶陣列)、檢測(cè)頻率(5 MHz和7.5 MHz)、陣元個(gè)數(shù)(滿陣、3/4滿陣和1/2滿陣)、楔塊角度(60°和70°)和聚焦深度(三倍壁厚和一倍壁厚)等參數(shù)對(duì)聲場(chǎng)分布的影響。不同仿真參數(shù)的仿真結(jié)果比較如表2所示。

經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，使用一維自聚焦探頭(7.5 MHz)和60°橫波楔塊，設(shè)置扇掃聲束范圍為40°～67°，設(shè)置真實(shí)深度聚焦3倍壁厚，采用橫波二次波和三次波在焊縫兩側(cè)進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)的效果較好，其聲場(chǎng)仿真結(jié)果如圖4所示。

3.2 缺陷仿真

在聲場(chǎng)仿真的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同規(guī)格的奧氏體不銹鋼小徑管進(jìn)行缺陷仿真檢測(cè)，缺陷仿真結(jié)果如表3所示。仿真缺陷包含體積型缺陷和非體積型缺陷，結(jié)果顯示：6種規(guī)格小徑管中非體積型缺陷均可有效檢出。其中直徑0.6 mm或0.8 mm球孔缺陷可有效檢出(信噪比大于6 dB)，且圖像中偽像較少，缺陷圖像易于辨別。相比之下，直徑0.4 mm和0.5 mm球孔缺陷的扇掃圖像中存在一些偽像，但可從對(duì)應(yīng)A掃描信號(hào)中識(shí)別大于6 dB的缺陷。

表3 缺陷仿真結(jié)果

分析缺陷仿真結(jié)果，可確定6種規(guī)格的奧氏體不銹鋼小徑管檢測(cè)工藝為：7.5 MHz的一維自聚焦探頭和60°橫波楔塊，扇掃聲束范圍為40°～67°，真實(shí)深度聚焦3倍壁厚；使用二次波在焊縫兩側(cè)進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)。當(dāng)焊縫根部不能有效覆蓋時(shí)，可使用三次波進(jìn)行補(bǔ)充。

3.3 單側(cè)掃查仿真

針對(duì)受管道結(jié)構(gòu)或空間布置影響，無(wú)法實(shí)施單面雙側(cè)掃查的焊縫，需要研究是否能在焊縫單側(cè)對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行全體積覆蓋。焊縫區(qū)域覆蓋結(jié)果如圖5所示。

圖5 焊縫區(qū)域覆蓋結(jié)果

在焊縫中不同位置設(shè)置缺陷，采用二次波和三次波進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果表明，在單側(cè)增加一次掃查，可以實(shí)現(xiàn)焊縫全體積掃查。

3.4 靈敏度仿真

為研究PAUT技術(shù)在奧氏體不銹鋼小徑管焊縫中對(duì)微小缺陷的檢出能力，尤其是針對(duì)某化工廠中射線驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的圓形缺陷，即實(shí)際產(chǎn)品焊縫中占比較大的氣孔，設(shè)置不同尺寸的氣孔缺陷進(jìn)行模擬分析。

由模擬數(shù)據(jù)可知，隨著壁厚減小，各球孔與φ2 mm橫通孔的幅值差降低。對(duì)于射線驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中的φ0.6 mm的球孔，其靈敏度幅值為φ2 mm-24 dB，可以此作為相控陣檢測(cè)的TCG(時(shí)間校正增益)設(shè)置靈敏度。

3.5 缺陷檢出率分析

為驗(yàn)證檢測(cè)工藝的可行性，根據(jù)仿真結(jié)果，選擇典型規(guī)格的奧氏體不銹鋼小徑管進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)缺陷檢出率計(jì)算。其中，包括壁厚最薄和最厚的φ48.7 mm×3.7 mm和φ60.3 mm×5.8 mm規(guī)格，以及處于中間厚度且管徑最小的φ33.7 mm×4.6 mm規(guī)格。缺陷檢出率分析的仿真參數(shù)與實(shí)際聲學(xué)參數(shù)一致。

計(jì)算結(jié)果顯示，在95%的置信度下，三種規(guī)格的奧氏體不銹鋼小徑管中直徑0.6 mm球孔的缺陷檢出率接近90%，直徑0.8 mm球孔的缺陷檢出率均超過(guò)90%。此外，裂紋高度為0.25 mm時(shí)，缺陷檢出率接近100%。

因此，采用7.5 MHz的一維自聚焦探頭和60°橫波楔塊，設(shè)置扇掃聲束范圍為40°～67°，真實(shí)深度聚焦3倍壁厚，使用二次波在焊縫兩側(cè)進(jìn)行不銹鋼薄壁小徑管的相控陣檢測(cè)工藝可行，能夠滿足設(shè)計(jì)的質(zhì)量檢測(cè)要求。

4 模擬試塊設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證仿真工藝，課題組參照檢驗(yàn)技術(shù)要求設(shè)計(jì)了φ33.4 mm×4.55 mm，φ48.3 mm×3.68 mm，φ60.3 mm×3.91 mm，φ60.3 mm×5.54 mm，φ88.9 mm×5.49 mm，φ73.5 mm×5.16 mm 等6種規(guī)格的模擬試塊共30塊，所含缺陷類型及數(shù)量如表4所示。

表4 模擬試塊所含缺陷類型及數(shù)量

5 工藝參數(shù)及校準(zhǔn)

5.1 工藝參數(shù)

根據(jù)仿真工藝，對(duì)304L不銹鋼薄壁小徑管焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備為TOPAZ64型便攜式相控陣檢測(cè)儀，采用一維自聚焦探頭(7.5 MHz)和60°橫波楔塊，設(shè)置扇掃聲束范圍為40°～67°，真實(shí)深度聚焦3倍壁厚，采用橫波二次波和三次波進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)。

5.2 檢測(cè)儀器校準(zhǔn)

采用制作的304不銹鋼P(yáng)GS對(duì)比試塊上的R25和R50圓弧進(jìn)行聲速校準(zhǔn)和角度靈敏度校準(zhǔn)，使用不銹鋼對(duì)比試塊上的φ2 mm橫通孔進(jìn)行延遲校準(zhǔn)和繪制TCG曲線。

6 結(jié)果及分析

6.1 射線檢測(cè)結(jié)果

按照某化工廠射線檢測(cè)工藝，對(duì)30塊模擬試塊進(jìn)行了射線檢測(cè)。統(tǒng)計(jì)后得出射線檢測(cè)共檢出缺陷168個(gè)，包含設(shè)計(jì)缺陷154個(gè)，獎(jiǎng)勵(lì)缺陷14個(gè)，設(shè)計(jì)缺陷中包含體積型缺陷97個(gè)(包含直徑0.4，0.5 mm的缺陷43個(gè))，面積型缺陷57個(gè)。射線檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

可見，對(duì)于直徑0.4，0.5 mm的體積型缺陷，受焊縫結(jié)構(gòu)和缺陷形貌的影響，射線檢測(cè)有漏檢的可能。

6.2 相控陣檢測(cè)結(jié)果

按照檢測(cè)工藝參數(shù)對(duì)30塊模擬試塊進(jìn)行相控陣檢測(cè)，根據(jù)信號(hào)幅值并結(jié)合信噪比對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)判。統(tǒng)計(jì)后得出相控陣檢測(cè)共檢出缺陷208個(gè)，包含設(shè)計(jì)缺陷154個(gè)，獎(jiǎng)勵(lì)缺陷54個(gè)，設(shè)計(jì)缺陷中包含體積型缺陷97個(gè)(包含直徑0.4，0.5 mm的缺陷43個(gè))，面積型缺陷57個(gè)。相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 模擬試塊相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果

由表6可知，直徑0.4 mm氣孔缺陷檢出率為75%，與仿真數(shù)據(jù)基本相符。上述漏檢缺陷為直徑0.5 mm以下的小缺陷，其形貌存在多種可能，氣孔可能是球形也可能是橢球形，而且其氣孔壁可能存在不平整現(xiàn)象。當(dāng)超聲波通過(guò)焊縫傳播到缺陷上時(shí)，受其形貌影響，可能直接形成反射信號(hào)，形成較高的回波波幅；也可能沿缺陷邊界的復(fù)雜路徑發(fā)生散射，使得最終的回波波幅較低。因此，對(duì)于直徑0.5 mm以下的小缺陷，受缺陷形貌、性質(zhì)的影響，其反射波幅存在一定偏差，僅按照波幅進(jìn)行評(píng)判，PAUT有漏檢可能。但是直徑0.5 mm以下的氣孔，在某化工廠管道焊縫的驗(yàn)收要求中不屬于超標(biāo)缺陷，因此，該工藝滿足檢測(cè)要求。

6.3 解剖試驗(yàn)

由相控陣檢測(cè)結(jié)果可知，相控陣超聲存在多檢和漏檢缺陷。為了驗(yàn)證PAUT和射線的檢測(cè)結(jié)果，針對(duì)驗(yàn)證試驗(yàn)中部分PAUT多檢缺陷試塊(編號(hào)XJG-02，規(guī)格為φ48.3 mm×3.68 mm)和漏檢缺陷試塊(編號(hào)XJG-08，規(guī)格為φ73.5 mm×5.16 mm)進(jìn)行解剖試驗(yàn)。

將XJG-02試塊存在多檢的部位(1#顯示部位-0位正方向24 mm，2#顯示部位-0位正方向132.4 mm)外余高去除后，采用雙壁單影法進(jìn)行射線檢測(cè)，2#缺陷余高去除后射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷尺寸為0.6 mm，1#顯示部位仍未發(fā)現(xiàn)。

隨后，對(duì)1#部位進(jìn)行解剖和宏觀金相試驗(yàn)，打磨至深度約1 mm時(shí)發(fā)現(xiàn)兩處缺陷，分別為設(shè)計(jì)缺陷(編號(hào)為XJG-02-08，設(shè)計(jì)尺寸為0.4 mm)和PAUT檢出缺陷。金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示設(shè)計(jì)缺陷XJG-02-08實(shí)際尺寸為0.47 mm，射線檢測(cè)顯示缺陷尺寸0.4 mm(幅值為φ2 mm-18 dB)，多檢缺陷實(shí)際尺寸為0.3 mm，PAUT幅值為φ2 mm-18 dB。

經(jīng)分析可知，多檢的1#缺陷受小徑管余高影響，加上射線檢測(cè)為小徑管橢圓透照，黑度差小于最小可見對(duì)比度，因此底片無(wú)顯示，2#缺陷解剖顯示為夾雜物，形狀為細(xì)長(zhǎng)型，PAUT在某一角度時(shí)，反射波幅較高，達(dá)到判廢閾值。

金相檢驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表7所示，表中√表示檢出，×表示未檢出，2#缺陷解剖后的金相照片如圖6所示。

表7 部分試塊金相檢驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

圖6 解剖后的金相照片

綜上所述，對(duì)于未熔合、未焊透、裂紋等面積型缺陷，相控陣超聲和射線檢測(cè)的檢出率均為100%；對(duì)于0.5 mm以下的體積型缺陷，受缺陷形貌、性質(zhì)的影響，其反射波幅存在一定偏差，相控陣超聲檢出率與射線檢測(cè)的相當(dāng)，而且φ0.5 mm氣孔在某化工廠管道焊縫的驗(yàn)收要求中不屬于超標(biāo)缺陷，滿足檢驗(yàn)要求。

7 結(jié)論

通過(guò)仿真模擬、試驗(yàn)驗(yàn)證、解剖試驗(yàn)和POD分析，可以看出，對(duì)于未熔合、未焊透、裂紋等面積型缺陷，相控陣超聲和射線檢測(cè)的檢出率均為100%。對(duì)于體積型缺陷，相控陣超聲檢出率與射線檢測(cè)相當(dāng)，對(duì)于0.5 mm左右的小缺陷，受缺陷形貌、性質(zhì)的影響，其反射波幅存在一定偏差。另外，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，PAUT檢測(cè)的可達(dá)性和檢測(cè)效率優(yōu)于射線檢測(cè)，且可進(jìn)行交叉施工，結(jié)果數(shù)據(jù)可復(fù)查，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，無(wú)輻射風(fēng)險(xiǎn)。