核電主管道奧氏體不銹鋼焊縫相控陣超聲檢測(cè)

葛廣林，姚建松，朱 琪 ，徐 寧

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院，北京 100022；2.浙江無損檢測(cè)工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310016；3.安徽津利能源科技發(fā)展有限責(zé)任公司，安徽 合肥 231200；4.中國(guó)能建工程研究院相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究所，安徽 合肥 231200；5.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

奧氏體不銹鋼(austenitic stainless steel，ASS)是指常溫下有奧氏體組織的不銹鋼。因具有很高的耐蝕性，良好的冷加工性、韌性、塑性、焊接性和無磁性，ASS 在核電廠主管道等系統(tǒng)中大量應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)核電、火電和特種設(shè)備行業(yè)已有關(guān)于ASS 焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)的方法。我國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47103.15—2021《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第15 部分：相控陣超聲檢測(cè)》[1]在資料性附錄I 中提出了10 ～80 mm ASS 對(duì)接接頭超聲檢測(cè)方法和質(zhì)量分級(jí)，但工藝方法和參數(shù)設(shè)計(jì)部分描述較為簡(jiǎn)潔。該標(biāo)準(zhǔn)未提及針對(duì)核電主管道中厚壁(≥80 mm)ASS 對(duì)接接頭，目前普遍采用的相控陣超聲扇掃描并不能對(duì)厚壁ASS 對(duì)接接頭進(jìn)行有效檢測(cè)。黃文大[2]等提出了采用FMC-TFM(full matrix capture-total focusing method)全聚焦技術(shù)檢測(cè)厚壁ASS 對(duì)接接頭，驗(yàn)證了全聚焦技術(shù)檢測(cè)ASS 對(duì)接接頭的可行性。張子健[3]等提出了采用雙面陣相控陣探頭激勵(lì)聲場(chǎng)檢測(cè)厚壁管ASS 接頭，可以提高相控陣超聲檢測(cè)靈敏度。

本文采用雙面陣相控陣探頭和平面波激勵(lì)的PWI-TFM(plane wave imaging-total focusing method)全聚焦技術(shù)檢測(cè)ASS 對(duì)接接頭，通過模擬試塊和對(duì)比試塊試驗(yàn)比對(duì)，提高檢測(cè)靈敏度、信噪比和分辨力，并在某核電廠主管道對(duì)接接頭檢測(cè)應(yīng)用驗(yàn)證。

1 ASS對(duì)接接頭組織特點(diǎn)和相控陣超聲檢測(cè)方法

1.1 ASS對(duì)接接頭組織特點(diǎn)

與鐵素體焊接接頭不同，ASS 對(duì)接接頭晶粒粗大、柱狀晶粒具有各向異性與母材存在明顯的異質(zhì)界面，特別是在熔合面處組織變化明顯，這樣焊縫組織對(duì)相控陣超聲檢測(cè)而言是一種彈性非均勻的材料，對(duì)相控陣超聲檢測(cè)影響較大[4]，主要影響體現(xiàn)在晶粒粗大和各向異性2 個(gè)方面。

1)晶粒粗大的影響

當(dāng)焊縫晶粒的直徑接近超聲波波長(zhǎng)的1/10時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生明顯的散射；當(dāng)晶粒直徑達(dá)到半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，聲散射劇增，無法進(jìn)行超聲檢測(cè)。很多奧氏體焊縫的平均晶粒直徑一般大于0.5 mm，長(zhǎng)度往往超過10 mm，晶界間的散射能量損失較多，加速了超聲波束的能量衰減，雜亂的散射回波會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信噪比較低，這是檢測(cè)粗晶焊縫的主要困難所在。

2)各向異性的影響

超聲波在不均勻、各向異性焊縫中呈現(xiàn)曲線的傳播路徑，難以確定合理的聚焦延遲法則[5]，這不僅會(huì)降低檢測(cè)聲場(chǎng)的聚焦強(qiáng)度，同時(shí)也給缺陷的定位和定量帶來極大的不利影響。

1.2 相控陣超聲探頭設(shè)計(jì)

ASS 對(duì)接接頭粗大晶粒組織會(huì)加速超聲波束能量衰減，改變聲波傳播路徑，而這種影響對(duì)于超聲橫波和縱波是不同的。超聲橫波和縱波在ASS 焊縫中的傳播路徑仿真如圖1 所示，可以看出，橫波在ASS 焊縫中的偏轉(zhuǎn)角較縱波更大。

圖1 縱波和橫波在ASS焊縫中的傳播路徑和能量分布仿真結(jié)果

對(duì)于316L 奧氏體不銹鋼焊縫縱波的偏轉(zhuǎn)角約為15°～20°，橫波的偏轉(zhuǎn)角可達(dá)50°，嚴(yán)重影響相控陣超聲的檢測(cè)結(jié)果，造成該結(jié)果的主要原因是相同頻率的縱波波長(zhǎng)一般是橫波波長(zhǎng)的2 倍，縱波受影響更小[6]，同時(shí)為了減少超聲波束的能量衰減，一般采用較低的激發(fā)頻率。

厚壁ASS 對(duì)接接頭受壁厚增加影響較大，需采用高阻尼窄脈沖的雙晶縱波聚焦探頭，減少晶界的影響，提高超聲束的聚焦效果，減少特定檢測(cè)區(qū)域的波束界面積和晶粒散射的作用面積，有利于提高檢測(cè)靈敏度，且激發(fā)晶片序列和接收晶片序列完全獨(dú)立，有效提高靈敏度和信噪比[4]。目前使用的雙晶縱波聚焦探頭主要分為雙線陣和雙面陣。

為了提高不同深度區(qū)域的檢測(cè)靈敏度和分辨率，雙線陣相控陣超聲探頭的2 個(gè)晶片序列一般設(shè)計(jì)為具有一定的夾角，即“楔塊屋頂角”。相控陣探頭激發(fā)超聲束通過斜楔塊實(shí)現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn)，某雙線陣相控陣探頭聚焦檢測(cè)模型如圖2所示，由圖2 可知，雙線陣相控陣探頭通過楔塊屋頂角實(shí)現(xiàn)被檢區(qū)域投影深度方向的聚焦；實(shí)際檢測(cè)過程中，為保證投影深度方向的聚焦效果，需要相控陣探頭激發(fā)聚焦法則和接收聚焦法則高度一致性，而僅通過改變楔塊屋頂角是難以做到的，如圖2(b)所示，雙線陣相控陣探頭在進(jìn)行投影深度聚焦檢測(cè)時(shí)，2 個(gè)線陣陣列呈現(xiàn)一定的夾角，雙線陣相控陣探頭在進(jìn)行聚焦檢測(cè)時(shí)，需要定制化設(shè)計(jì)楔塊屋頂角和探頭線陣陣列夾角兩個(gè)參數(shù)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工件尺寸、被檢區(qū)域、檢測(cè)距離等影響因素的變化，采用雙線陣相控陣探頭檢測(cè)ASS 對(duì)接接頭操作繁瑣，且成本較大。

圖2 某雙線陣相控陣探頭聚焦檢測(cè)模型

圖2 為采用雙面陣相控陣探頭投影深度聚焦檢測(cè)模型，可通過控制二維晶片序列激發(fā)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的聚焦效果，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)因素的變化，雙面陣相控陣探頭可以通過改變晶片激發(fā)/接受時(shí)序，或楔塊屋頂角，便可達(dá)到預(yù)期檢測(cè)效果。與雙線陣相控陣相比，減少了相控陣探頭數(shù)量，降低了成本，且雙面陣相控陣探頭可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)因素誤差，對(duì)聚焦法則進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，更適用于ASS 焊縫檢測(cè)。

1.3 相控陣超聲聚焦方法分析

采用縱波雙晶相控陣超聲扇掃描檢測(cè)，因探頭參數(shù)不同，聚焦效果也有明顯的差異。采用頻率2.5 MHz，晶片數(shù)量4×8 個(gè)，晶片大小分別為1.4 mm× 1.8 mm 和2.7 mm×3 mm 的兩個(gè)雙面陣相控陣探頭，對(duì)5 mm、15 mm 和20 mm 這3 個(gè)不同深度的2 mm 橫通孔進(jìn)行聚焦檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 雙面陣相控陣探頭激發(fā)不同聚焦距離對(duì)反射體的回波幅值關(guān)系

由圖3 可知，ASS 焊縫采用縱波雙面陣相控陣探頭檢測(cè)，聚焦距離設(shè)置對(duì)不同深度的檢測(cè)靈敏度影響較大，要提高厚度范圍內(nèi)所有區(qū)域的檢測(cè)靈敏度，需要多組不同的檢測(cè)工藝。

雙線陣相控陣探頭通過改變2 個(gè)晶片序列的夾角實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的聚焦檢測(cè)，雙面陣相控陣探頭通過控制橫向排布晶片的激發(fā)延時(shí)，實(shí)現(xiàn)超聲束的橫向偏轉(zhuǎn)和聚焦，由于受到有效孔徑的影響，偏轉(zhuǎn)范圍也有限，因此，在近表面區(qū)域存在一個(gè)無法檢測(cè)的盲區(qū)。

相控陣超聲全聚焦檢測(cè)技術(shù)可提高有效區(qū)域內(nèi)所有位置的檢測(cè)靈敏度和分辨力，近表面盲區(qū)較扇掃描更小。針對(duì)厚壁ASS 焊縫，常規(guī)FMC-TFM 全聚焦方法單晶片激勵(lì)，能量較弱，而且發(fā)射次數(shù)較多，數(shù)據(jù)處理量大，并不適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。而采用平面波激勵(lì)的PWI-TFM 全聚焦技術(shù)依次激發(fā)所有晶片，激發(fā)能量大，且數(shù)據(jù)激發(fā)次數(shù)更少，數(shù)據(jù)處理更快，適用于厚壁ASS 焊縫檢測(cè)。結(jié)合式(1)和式(2)，考慮到平面波的角度數(shù)量Q遠(yuǎn)小于晶片數(shù)量N，因此，PWI-TFM 全聚焦技術(shù)數(shù)據(jù)疊加次數(shù)更少。

式中：AFMC(P)和APWI(P) 分別為FMC-TFM 和PWI-TFM 在P點(diǎn)數(shù)據(jù)次數(shù)；Tip、Tqp為激發(fā)時(shí)序；Tjp為接受時(shí)序；P為檢測(cè)區(qū)域的任一位置；S表示信號(hào)矩陣；i表示激發(fā)晶片；j表示接受晶片。

2 檢測(cè)工藝驗(yàn)證

核電主管道ASS 對(duì)接接頭一般采用窄間隙焊，上半部分焊縫較寬，下半部分焊縫較窄，因此，焊縫上部分的聲能衰減和影響較下部分嚴(yán)重。采用雙面陣相控陣探頭和PWI-TFM 全聚焦檢測(cè)方法，與常規(guī)案頭橫波檢測(cè)和雙線陣探頭扇掃描檢測(cè)進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)，驗(yàn)證不同工藝檢測(cè)ASS 對(duì)接接頭的靈敏度、信噪比和分辨力，得出最佳檢測(cè)方案。

2.1 坡口缺陷檢測(cè)

坡口缺陷位于母材和焊縫的界面上，縱波的檢測(cè)效果優(yōu)于橫波。采用型號(hào)為2.25DM4×7-A17，平面楔塊角度為18.9°，孔徑大小18.72 mm×11.75 mm 的雙面陣相控陣探頭，分別采用全聚焦和扇掃描分區(qū)檢測(cè)2 種方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)。#1 標(biāo)準(zhǔn)試塊厚度為94 mm，在焊縫單側(cè)坡口處加工5 個(gè)不同深度的2 mm 長(zhǎng)橫孔。#1 標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測(cè)圖像如圖4 所示，雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測(cè)結(jié)果見表1所列。

表1 坡口缺陷雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測(cè)結(jié)果

圖4 雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測(cè)圖像

#1 標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測(cè)圖像如圖5 所示。#1 標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測(cè)結(jié)果見表2所列。

表2 雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測(cè)結(jié)果

由圖4、圖5、表1 和表2 可知：

1)采用扇掃描和全聚焦檢測(cè)都可發(fā)現(xiàn)焊縫同側(cè)和對(duì)側(cè)長(zhǎng)橫孔發(fā)射體，由于穿過焊縫粗晶組織，同側(cè)反射體的靈敏度明顯優(yōu)于對(duì)側(cè)。而采用全聚焦檢測(cè)長(zhǎng)橫孔反射體的靈敏度和分辨力優(yōu)于扇掃描檢測(cè)。

2)焊縫上部較寬，聲能損失更大，對(duì)聲束偏轉(zhuǎn)的影響更大，尤其是扇掃描檢測(cè)，對(duì)側(cè)焊縫上部的反射體檢測(cè)靈敏度較低，檢測(cè)位置偏離嚴(yán)重，因此，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過程中，應(yīng)采用嚴(yán)格控制掃查軌跡，以減少缺陷定位的誤差。

2.2 焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)

檢測(cè)ASS 焊縫內(nèi)部缺陷，超聲束均需要穿過焊縫粗晶組織，縱波的檢測(cè)效果優(yōu)于橫波。采用2.5 MHz、晶片數(shù)4×8 的雙面陣相控陣探頭，分別采用全聚焦和扇掃描分區(qū)檢測(cè)2 種方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)。在標(biāo)準(zhǔn)試塊焊縫中部加工5 個(gè)不同深度的2 mm 長(zhǎng)橫孔。

標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測(cè)圖像如圖6 所示，雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測(cè)結(jié)果見表3 所列。

表3 內(nèi)部缺陷雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測(cè)結(jié)果

圖6 雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測(cè)圖像

標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測(cè)圖像如圖7 所示，雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測(cè)結(jié)果見表4 所列。

表4 內(nèi)部缺陷雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測(cè)結(jié)果

圖7 內(nèi)部缺陷雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測(cè)圖像

由圖6、圖7、表3 和表4 可知，采用全聚焦和扇掃描檢測(cè)均能發(fā)現(xiàn)所有長(zhǎng)橫孔反射體，由于反射體位于焊縫中部，穿過的焊縫部分較少，缺陷檢測(cè)靈敏度和信噪比都較好，從焊縫兩側(cè)檢測(cè)差異較小。對(duì)于深度較大的反射體，全聚焦檢測(cè)靈敏度和分辨力稍優(yōu)于扇掃描檢測(cè)。

2.3 焊縫近表面缺陷檢測(cè)

1)上表面缺陷檢測(cè)

雙面陣相控陣全聚焦和扇掃描檢測(cè)ASS 焊縫內(nèi)部缺陷，都存在表面盲區(qū)。為了驗(yàn)證2 種檢測(cè)方法的盲區(qū)高度，采用2.5 MHz、晶片數(shù)4×8 的雙面陣相控陣探頭，分別采用全聚焦和扇掃描分區(qū)檢測(cè)2 種方法，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)。在標(biāo)準(zhǔn)試塊焊縫上表面加工深度為2 mm 的開口槽，規(guī)格為長(zhǎng)60 mm×寬2 mm×高1 mm。全聚焦檢測(cè)和雙面陣探頭相控陣扇掃描2 種檢測(cè)方法的檢測(cè)圖像如圖8 所示，可見，扇掃描聲束無法覆蓋上表面，因此，無法檢出表面開口槽。

圖8 雙面陣相控陣探頭全聚焦和扇掃描檢測(cè)圖像

采用全聚焦可檢測(cè)2 mm 開口槽反射體，信噪比為13.3 dB，反射體幅值為TCG-7 dB，超聲波縱波的檢測(cè)靈敏度和分辨率滿足檢測(cè)需求。但實(shí)際檢測(cè)深度為9.2 mm，定位誤差較大，主要原因是ASS 焊縫晶粒大小和方向影響超聲縱波的聲速和傳播方向，雖然影響遠(yuǎn)小于超聲橫波，相控陣儀器在激發(fā)超聲縱波檢測(cè)時(shí)，只能按照一個(gè)固定的聲速和偏轉(zhuǎn)范圍計(jì)算聚焦法則，對(duì)于上表面缺陷檢測(cè)，相控陣超聲探頭用于大角度超聲縱波偏轉(zhuǎn)的有效孔徑長(zhǎng)度較小，超聲縱波受晶粒尺寸和方向影響被放大，導(dǎo)致缺陷定位誤差較大；對(duì)于深度較大的缺陷，超聲縱波偏轉(zhuǎn)角度在主聲束附件，有效孔徑大，超聲縱波受晶粒尺寸和方向影響較小，缺陷定位誤差也較小。

2)下表面缺陷檢測(cè)

核電ASS 對(duì)接接頭采用窄間隙焊，根部焊縫的寬度很小，約為2 mm，對(duì)橫波和縱波的影響都較小。為了驗(yàn)證橫波和縱波對(duì)于焊縫根部開口槽的檢出效果，采用頻率5 MHz、晶片數(shù)量64 的線陣相控陣探頭激發(fā)橫波檢測(cè)，頻率2.5 MHz、晶片數(shù)量4×8 的縱波雙面陣相控陣探頭分別激發(fā)扇掃描和全聚焦檢測(cè)，以及頻率1.5 MHz、晶片數(shù)量32 激發(fā)縱波扇掃描檢測(cè)4 種方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。檢測(cè)試塊厚度為94 mm，焊縫根部開口槽為長(zhǎng)60 mm× 高2 mm×寬1 mm。4 種檢測(cè)方法的檢測(cè)圖像如圖9 所示，結(jié)果比對(duì)見表5 所列。

表5 4種檢測(cè)方法的結(jié)果比對(duì)

圖9 4種檢測(cè)方法的檢測(cè)圖像

由圖9 和表5 可知，采用線陣探頭激發(fā)橫波檢測(cè)和雙面陣探頭縱波扇掃描檢測(cè)，無法發(fā)現(xiàn)根部開口槽缺陷，雙面陣探頭全聚焦檢測(cè)和線陣探頭縱波扇掃描檢測(cè)均可發(fā)現(xiàn)根部開口槽缺陷，但靈敏度和分辨率不高，全聚焦檢測(cè)的根部信號(hào)易于底波混淆，難以分辨，縱波扇掃描檢測(cè)靈敏度優(yōu)于全聚焦檢測(cè)，但缺陷識(shí)別同樣受到根部信號(hào)的干擾。

2.4 檢測(cè)工藝小結(jié)

針對(duì)厚壁ASS 對(duì)接接頭的坡口和焊縫內(nèi)部缺陷，采用雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測(cè)效果優(yōu)于雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測(cè)。采用PWITFM 全聚焦檢測(cè)，單次工藝可覆蓋焊縫進(jìn)行檢測(cè)，較扇掃描分區(qū)檢測(cè)效率更高。

3 模擬試塊檢測(cè)對(duì)比

采用頻率為2.5MHz、晶片數(shù)量4×8的雙面陣相控陣超聲探頭，檢測(cè)規(guī)格為φ795×72.5 mm 的模擬試管，材質(zhì)為316L，分別在模擬試管焊縫上部、中部和下部缺陷預(yù)制6 個(gè)條形缺陷。如圖10 所示為全聚焦檢測(cè)缺陷圖像，結(jié)果見表6 所列。

表6 扇掃描和全聚焦檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖10 全聚焦檢測(cè)缺陷圖像

由表6 和圖10 可知，采用相控陣超聲全聚焦技術(shù)可檢測(cè)出模擬試塊內(nèi)的所有缺陷，檢測(cè)靈敏度和信噪比較好，#1 近表面缺陷定位誤差較大，與2.3 試驗(yàn)結(jié)果一致。焊縫中上部缺陷檢測(cè)靈敏度和信噪比較好，焊縫中部和中下部缺陷，由于近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度較小，缺陷分辨力一般，缺陷測(cè)量值大于預(yù)制值。

4 結(jié)語

針對(duì)核電厚壁ASS 對(duì)接接頭組織晶粒粗大和各向異性導(dǎo)致的超聲聲能衰減和超聲束定位偏差大的問題，本文對(duì)比多種不同檢測(cè)工藝方法的優(yōu)劣，采用模擬試塊和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用檢測(cè)驗(yàn)證，表明雙面陣相控陣探頭激發(fā)PWI-TFM 全聚焦檢測(cè)ASS 焊縫缺陷是可行的，比縱波扇掃描分區(qū)檢測(cè)缺陷信噪比和分辨率更優(yōu)，但對(duì)于近表面缺陷的定位準(zhǔn)確度還需要進(jìn)一步驗(yàn)證或補(bǔ)充檢測(cè)方案。在厚壁ASS 焊縫相控陣超聲檢測(cè)中，晶粒尺寸和方向的影響是不可避免的，但是通過嚴(yán)格控制焊接工藝，細(xì)化晶粒，有利于減少誤差，提高相控陣超聲檢測(cè)的精度。