奧氏體復(fù)合材料壓力容器對(duì)接接頭的相控陣超聲檢測(cè)

王業(yè)民，楊 鵬，陳厭災(zāi)，李 松

(中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司, 洛陽 471023)

奧氏體復(fù)合材料鋼板制壓力容器在煉化設(shè)備中應(yīng)用普遍，壓力容器筒體多為爆炸(機(jī)械)復(fù)合形式，其基層為碳素鋼和低合金鋼，復(fù)合層為奧氏體不銹鋼，焊縫填充形式為基層焊-過渡焊-復(fù)合層焊[1]。焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)時(shí)常采用射線檢測(cè)方法，射線檢測(cè)不但受射線束方向的影響，可能造成坡口未熔合和過渡層裂紋檢出率低，而且存在效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工期長(zhǎng)和輻射防護(hù)困難等不足。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全環(huán)保等特點(diǎn)。采用相控陣超聲技術(shù)對(duì)奧氏體鋼復(fù)合焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，受焊縫填充材料不同的影響，超聲波在工件中的傳播速度會(huì)不同，并產(chǎn)生聲束畸變，從而影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。

筆者通過優(yōu)化相控陣超聲檢測(cè)聚焦法則，并通過試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果制定出相控陣超聲檢測(cè)工藝方案，以為奧氏體復(fù)合材料壓力容器對(duì)接接頭檢測(cè)提供一種新的思路。

1 焊縫結(jié)構(gòu)、焊接工藝及易產(chǎn)生缺陷分析

1.1 接頭結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料壓力容器對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，接頭采用機(jī)械復(fù)合形式，基層為碳鋼或低合金鋼，復(fù)合層為奧氏體不銹鋼，坡口類型為V型，坡口角度為30°，無復(fù)合層區(qū)為焊縫中心兩側(cè)各5 mm區(qū)域。

圖1 復(fù)合材料壓力容器對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)示意

1.2 焊接工藝

焊縫填充方式為基層焊-過渡層焊-復(fù)合層焊。

焊接次序如圖2所示，具體步驟：① 用基層焊接材料進(jìn)行基層填充焊接；② 在復(fù)合層側(cè)氣刨清根,進(jìn)行滲透檢測(cè)；③ 用奧氏體鋼焊接材料進(jìn)行過渡層填充焊接；④ 將過渡層焊縫余高打磨平；⑤ 用奧氏體鋼焊接材料進(jìn)行復(fù)合層填充焊接；⑥ 打磨至與復(fù)合層同一平面[3]。

圖2 復(fù)合材料壓力容器對(duì)接接頭焊接次序示意

1.3 易產(chǎn)生缺陷分析

基層焊接部分易產(chǎn)生坡口未熔合、夾渣和氣孔等缺陷。

對(duì)于過渡層和復(fù)合層焊接部分，在過渡層填充時(shí)雙金交接處易產(chǎn)生未熔合缺陷，在過渡層和復(fù)合層焊縫熱影響區(qū)易產(chǎn)生裂紋缺陷。其原因?yàn)閵W氏體鋼熱導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，在焊接局部加熱和冷卻凝固期間形成了較大的拉應(yīng)力，在較大的拉應(yīng)力作用下易產(chǎn)生熱裂紋[4]。

2 檢測(cè)技術(shù)

2.1 雙晶線陣縱波斜入射扇掃描相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

由于過渡層和復(fù)合層的填充材料為奧氏體鋼焊材，奧氏體鋼是各向異性材料，會(huì)造成聲波傳播性能發(fā)生改變；由于橫波在異種材料焊縫中傳播，聲速差可達(dá)到25%，聲束偏轉(zhuǎn)差可達(dá)到30°，比縱波產(chǎn)生更強(qiáng)的散射，信噪比更低，影響細(xì)小缺陷的檢出，不同探頭奧氏體焊縫中縱波和橫波聲場(chǎng)如圖3所示。

圖3 不同探頭奧氏體焊縫中縱波和橫波聲場(chǎng)示意

(1) 雙晶線陣相控陣探頭性能

雙晶線陣相控陣超聲探頭實(shí)物如圖4所示，其由兩組一維線性陣列組成，二維波束在深度方向(一個(gè)面)偏轉(zhuǎn)和聚焦，波束形狀呈橢圓形；采用一發(fā)一收工作模式，可減少界面回波，提高分辨率和較小缺陷的檢出率；適用于檢測(cè)厚度為180 mm的碳鋼和奧氏體鋼材料[5]。

圖4 雙晶線陣相控陣超聲探頭實(shí)物

(2) 試驗(yàn)條件

測(cè)試對(duì)象為厚度為44+3 mm的奧氏體鋼材料機(jī)械復(fù)合焊縫對(duì)比試塊；人工反射體為φ2 mm×40 mm(直徑×長(zhǎng)度，下同)橫通孔；儀器型號(hào)為HSPA20-Fe；探頭為MA5-32×2-0.8×8-5°(屋頂角為5°)型雙晶線陣相控陣超聲探頭；楔塊型號(hào)為SD22-55L(斜面角度為18.9°)。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果

使用碳鋼對(duì)比試塊對(duì)相控陣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)校和制作TCG(深度補(bǔ)償)曲線后(基準(zhǔn)靈敏度為19.7 dB)，在基層側(cè)分別對(duì)埋藏深度為44,34,27 mm的φ2 mm×40 mm橫通孔進(jìn)行識(shí)別和深度測(cè)試，橫通孔均可清晰識(shí)別，顯示深度分別為44,34.2和27.2 mm，波幅高度為滿屏的56%,68%,71%，雙晶線陣探頭縱波檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。由結(jié)果可知雖然缺陷波幅在檢測(cè)范圍內(nèi)有所下降，但是采用雙晶線陣縱波相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，仍可滿足奧氏體復(fù)合材料焊縫的過渡層和復(fù)合層部分檢測(cè)的需要。 在實(shí)際檢測(cè)時(shí)應(yīng)使用奧氏體鋼材料機(jī)械復(fù)合焊縫對(duì)比試塊進(jìn)行設(shè)備調(diào)校，筆者使用碳鋼對(duì)比試塊，是為了驗(yàn)證復(fù)合層對(duì)信號(hào)衰減程度的影響。

圖5 雙晶線陣探頭縱波檢測(cè)結(jié)果

2.2 橫波斜入射一次反射法和直射法扇掃描相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

復(fù)合材料焊縫基層填充材料的聲學(xué)性能與基材材料的聲學(xué)性能基本一致，超聲波在基層傳播衰減小，并且復(fù)合材料復(fù)合層屬于爆炸復(fù)合，透聲性較好。由于橫波檢測(cè)分辨率較高，文章采用試驗(yàn)來驗(yàn)證橫波一次反射法和直射法對(duì)奧氏體鋼復(fù)合材料焊縫基層部分檢測(cè)的可靠性。

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)定

(1) 試驗(yàn)1:在基層側(cè)采用橫波一次反射法進(jìn)行檢測(cè)，分析橫波在復(fù)合層界面能否產(chǎn)生反射波，能否實(shí)現(xiàn)基層焊縫全覆蓋檢測(cè)。

(2) 試驗(yàn)2：在復(fù)合層側(cè)采用橫波直射法與一次反射法進(jìn)行檢測(cè)，分析橫波能否透過復(fù)合層對(duì)基層焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.2 試驗(yàn)條件

(1) 試驗(yàn)1：測(cè)試對(duì)象為低碳鋼焊縫對(duì)比試塊以及厚度為(44+3) mm的奧氏體鋼材料機(jī)械復(fù)合對(duì)比試塊，人工反射體為φ2 mm×40 mm橫通孔。儀器型號(hào)為HSPA20-Fe；探頭為5L-64-A32-0.75×10型一維線陣相控陣超聲探頭(見圖6)；楔塊型號(hào)為SA32-N55S(斜面角度為35°)。

圖6 一維線陣相控陣超聲探頭實(shí)物

(2) 試驗(yàn)2：測(cè)試對(duì)象為低碳鋼焊縫對(duì)比試塊以及厚度為(44+3) mm的奧氏體鋼材料機(jī)械復(fù)合對(duì)比試塊，人工反射體為φ2 mm×40 mm橫通孔。儀器型號(hào)為HSPA20-Fe；探頭為5L-64-A32-0.75×10型一維線陣相控陣超聲探頭；楔塊型號(hào)為SA32-N55S(斜面角度為35°)。

2.2.3 試驗(yàn)方法

(1) 試驗(yàn)1：在CSK-ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊上對(duì)相控陣設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，利用CSK-ⅡA對(duì)比試塊進(jìn)行一次反射法檢測(cè)TCG校準(zhǔn)。此時(shí)碳鋼試塊上各點(diǎn)顯示的A掃信號(hào)波幅均為80%滿屏高度，記錄其靈敏度值。然后在厚度為(44+3) mm的奧氏體鋼材料機(jī)械復(fù)合對(duì)比試塊基層側(cè)采用橫波一次反射波分別對(duì)深度為35,24,5 mm的φ2 mm×40 mm橫通孔進(jìn)行識(shí)別和深度測(cè)試并記錄各點(diǎn)波幅達(dá)到80%時(shí)的靈敏度。

(2) 試驗(yàn)2：在CSK-ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊上對(duì)相控陣設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，利用CSK-ⅡA對(duì)比試塊分別進(jìn)行直射法與一次反射法檢測(cè)TCG校準(zhǔn)。此時(shí)碳鋼試塊上各位置橫通孔顯示的A掃信號(hào)波幅均為80%滿屏高度，記錄其靈敏度值。然后在復(fù)合層側(cè)采用橫波直射法和一次反射法分別對(duì)深度為12,23,42 mm的φ2 mm×40 mm橫通孔進(jìn)行識(shí)別和深度測(cè)試，并記錄各點(diǎn)波幅值。

2.2.4 試驗(yàn)結(jié)果

(1) 試驗(yàn)1:經(jīng)擬定方法對(duì)相控陣檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)校和TCG曲線制作后(基準(zhǔn)靈敏度為23.5 dB)，在基層側(cè)使用橫波一次反射法對(duì)復(fù)合材料對(duì)比試塊進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比試塊上各孔顯示深度分別為59.44,71.76,89.89 mm,對(duì)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)使各點(diǎn)波幅達(dá)到80%時(shí)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靈敏度為41.5,39.5,34.5 dB。基層側(cè)橫波一次波反射法測(cè)試位置和檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 基層側(cè)橫波一次波反射法測(cè)試位置和檢測(cè)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在基層側(cè)進(jìn)行檢測(cè)時(shí),橫波可以穿過復(fù)合層并在復(fù)合層上形成反射，相比純碳鋼試塊，檢測(cè)靈敏度降低了10 dB以上，表明復(fù)合層對(duì)橫波的衰減現(xiàn)象依然非常嚴(yán)重，但是通過提高靈敏度依然可清晰顯示人工反射體缺陷。

(2) 試驗(yàn)2:相控陣檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)擬定的試驗(yàn)方法調(diào)校和TCG曲線制作后(基準(zhǔn)靈敏度為22 dB)，在復(fù)合層側(cè)采用橫波直射法對(duì)復(fù)合材料制對(duì)比試塊進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比試塊上各孔顯示深度分別為14.05,24.28,41.8 mm，對(duì)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)使各點(diǎn)波幅達(dá)到80%時(shí)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的靈敏度為35.7,32.7,26.7 dB，復(fù)合層側(cè)橫波直射法測(cè)試位置和檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 復(fù)合層側(cè)橫波直射法測(cè)試位置和檢測(cè)結(jié)果

按相控陣檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)擬定的方法進(jìn)行調(diào)校和TCG曲線制作后(基準(zhǔn)靈敏度為19.7 dB)，在復(fù)合層側(cè)采用橫波一次反射法對(duì)復(fù)合材料對(duì)比試塊進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比試塊上各孔顯示深度分別為82.65,72.19,52.84 mm，在基準(zhǔn)靈敏度檢測(cè)條件下其顯示波幅高度分別為滿屏的17.3%,51.2%,48.8%，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 復(fù)合層側(cè)橫波一次反射法測(cè)試位置和檢測(cè)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在復(fù)合層側(cè)采用橫波直射法和橫波一次反射法對(duì)基層焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過調(diào)節(jié)靈敏度、直射橫波和一次反射橫波都可以穿過復(fù)合層并清晰顯示出人工反射體缺陷。發(fā)現(xiàn)越靠近復(fù)合層部位的缺陷越是難以檢出，表明復(fù)合層對(duì)聲波的衰減作用明顯，而穿過復(fù)合層后，在遠(yuǎn)離復(fù)合層的區(qū)域檢測(cè)靈敏度則提高很多；而且在復(fù)合層側(cè)使用橫波對(duì)基層焊縫檢測(cè)時(shí)橫波一次反射法檢測(cè)效果更好。在檢測(cè)時(shí)使用復(fù)合材料焊縫對(duì)比試塊進(jìn)行設(shè)備調(diào)試更有利于缺陷的檢出。

3 檢測(cè)工藝與驗(yàn)證

3.1 掃查方法

3.1.1 橫波一次反射法扇掃和縱波斜入射扇掃組合

該方法適用于基層厚度640 mm的焊縫檢測(cè)，使用焊縫雙側(cè)對(duì)稱掃查模式。

(1) 在容器外壁基材側(cè)或容器內(nèi)壁復(fù)合層側(cè)，采用一維線陣橫波一次波反射法相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)基材焊層部分進(jìn)行檢測(cè)[見圖10(a)]。

(2) 在容器外壁基材側(cè)，采用低頻雙晶線陣縱波斜入射扇掃描直射法相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)過渡層和復(fù)合層焊層部分進(jìn)行檢測(cè)[見圖10(b)]。

圖10 基層厚度640 mm的焊縫橫波與縱波扇掃描組合檢測(cè)示意

3.1.2 橫波直射法+一次反射法扇掃和縱波斜入射扇掃組合

對(duì)于基層厚度大于40 mm的焊縫檢測(cè)，可按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.15 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第15部分：相控陣超聲檢測(cè)》 中表19和表25的要求進(jìn)行檢測(cè)方法的選擇。根據(jù)上文試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于厚度較大的工件推薦使用如下組合檢測(cè)方案，可較好地實(shí)現(xiàn)全覆蓋檢測(cè)。

(1) 在容器外側(cè)基層側(cè)采用低頻雙晶線陣縱波斜入射扇掃描相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)過渡層和復(fù)合層焊層部分進(jìn)行檢測(cè)[見圖11(a)]。

(2) 在容器外壁采用橫波直射法對(duì)基材焊層的下半部分進(jìn)行檢測(cè)[見圖11(b)]；在容器內(nèi)壁復(fù)合層側(cè)采用橫波一次反射法對(duì)基材焊層的上半部分進(jìn)行檢測(cè)[見圖11(c)]。

圖11 基層厚度大于40 mm焊縫的橫波與縱波組合檢測(cè)示意

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)

3.2.1 檢測(cè)儀器

選用發(fā)射接收通道數(shù)為64128，支持一維雙晶線陣探頭聚焦法則設(shè)置功能的相控陣超聲檢測(cè)儀器(如HS-PA20-Fe型)。

3.2.2 掃查裝置

選用可同時(shí)對(duì)稱安裝兩個(gè)探頭的手動(dòng)掃查裝置。

3.2.3 探頭及楔塊

(1) 探頭：選用4～10 MHz一維線陣探頭對(duì)基層填充焊部分檢測(cè)，選用2～5 MHz雙晶線陣探頭；對(duì)過渡和復(fù)合層焊縫部分檢測(cè)。一維線陣探頭頻率激發(fā)孔徑選擇對(duì)照如表1所示。

表1 一維線陣探頭頻率激發(fā)孔徑選擇對(duì)照

(2) 楔塊：基層填充焊部分檢測(cè)，選擇與探頭規(guī)格相匹配的橫波楔塊，角度為45°,50°,55°和60°；過渡和復(fù)合層焊縫部分檢測(cè)，選擇與探頭規(guī)格相匹配的縱波楔塊，角度為50°～55°。

3.2.4 試塊

(1) 標(biāo)準(zhǔn)試塊：選擇材料為20鋼和奧氏體鋼的PAUT-ⅠA(CSK-ⅠA)試塊。

(2) 對(duì)比試塊：選擇復(fù)合形式、材料、規(guī)格、坡口參數(shù)及焊接工藝與被檢焊縫相同的焊縫比對(duì)試塊，反射體類型和位置如表2所示，對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)如圖12所示。

表2 對(duì)比試塊反射體類型和位置

圖12 對(duì)比試塊結(jié)構(gòu)示意

3.2.5 耦合劑

以水作為耦合劑，使用噴壺人工噴灑或電動(dòng)水泵自動(dòng)噴灑。

3.3 工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

采用制定的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)工藝，對(duì)規(guī)格為290 mm×400 mm×(24+3) mm(長(zhǎng)×寬×高)的奧氏體復(fù)合焊縫缺陷模擬試塊進(jìn)行工藝驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可見，應(yīng)用該工藝進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，可清晰發(fā)現(xiàn)焊縫中的所有缺陷，檢測(cè)準(zhǔn)確率高，測(cè)量精度高，由此表明制定的奧氏體復(fù)合壓力容器筒體對(duì)接焊縫相控陣超聲檢測(cè)工藝是可行的。奧氏體復(fù)合焊縫射線檢測(cè)底片如圖13所示，奧氏體復(fù)合焊縫相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。

圖13 奧氏體復(fù)合焊縫射線底片(工藝驗(yàn)證試驗(yàn))

圖14 奧氏體復(fù)合焊縫相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果(工藝驗(yàn)證試驗(yàn))

表3 工藝驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果mm

4 實(shí)際應(yīng)用

采用制定的奧氏體鋼復(fù)合壓力容器筒體焊縫相控陣檢測(cè)工藝方案，對(duì)中油一建石化設(shè)備廠制造的一臺(tái)奧氏體鋼復(fù)合常二中油收集罐筒體環(huán)焊縫進(jìn)行檢測(cè)。該容器編號(hào)為2101-D-1006 ，材料為S31603/Q245R，規(guī)格為φ3 100 mm×9 000 mm×(3+14) mm(直徑×長(zhǎng)度×壁厚)，坡口形式為V型。相控陣超聲檢測(cè)累計(jì)檢測(cè)焊縫長(zhǎng)度48 m，累計(jì)發(fā)現(xiàn)缺陷11處，其中超標(biāo)缺陷6處；射線檢測(cè)拍攝底片185張，累計(jì)發(fā)現(xiàn)缺陷9處，其中超標(biāo)缺陷4處。射線檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)的兩處超標(biāo)缺陷判定為層間未熔合(見圖15)。通過對(duì)比試驗(yàn)可以看出，相控陣超聲檢測(cè)對(duì)于面積型缺陷檢出率更高，而射線檢測(cè)對(duì)于缺陷厚度差小的面積性缺陷檢測(cè)效果不佳且容易

圖15 層間未熔合缺陷相控陣超聲檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)解剖結(jié)果(實(shí)際應(yīng)用)

造成漏檢。

5 結(jié)語

對(duì)壓力容器對(duì)接接頭焊縫結(jié)構(gòu)及超聲波在不同材料中的傳播特性進(jìn)行分析，使用一維線陣橫波和雙晶線陣縱波相控陣超聲檢測(cè)組合工藝，可實(shí)現(xiàn)奧氏體復(fù)合材料壓力容器對(duì)接接頭的全截面檢測(cè)。此外通過與射線檢測(cè)結(jié)果的比對(duì)，證明了相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的可靠性，且該技術(shù)的檢測(cè)效率及缺陷檢出率更高，更加有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、在線分析，值得推廣應(yīng)用。