小口徑奧氏體不銹鋼管對接焊縫超聲波檢測技術研究

張建華 馬小強

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院）（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

0 引言

奧氏體不銹鋼管廣泛地應用于核電、石油、化工等行業，其焊縫質量的好壞直接影響到承壓類特種設備 （鍋爐、壓力容器、壓力管道）的安全性。焊縫失效會引起爆炸、燃燒、環境污染等重大事故，對國家和人民財產造成巨大損失，甚至嚴重危害人民生命安全。目前國內外對于小口徑薄壁奧氏體不銹鋼管對接焊縫質量的超聲檢測沒有專門的標準和規范，實際檢測時主要采用和借鑒碳鋼管道的無損檢測工藝或各種企業檢測規程。對于大口徑厚壁奧氏體不銹鋼管的焊縫質量超聲檢測工藝及其實施，國內不同的行業各不相同，且普遍水平較低，檢測效果較差。這種狀況對于開展奧氏體不銹鋼管焊接的檢驗檢測工作十分不利。

對于小口徑奧氏體不銹鋼管，由于其具有焊縫組織不均勻、薄壁、大曲率等特點，對其進行超聲波檢測十分困難，迄今還沒有一種有效的超聲波檢測方法。為此，亟需研究出一種用于奧氏體不銹鋼管焊縫的超聲檢測方法和工藝，以提高管道焊縫缺陷的檢出率和檢測正確率，大幅度提高檢測效率，降低檢測成本。

1 探頭設計

1.1 專用探頭理論依據

通常，各向異性材料中有三種不同的線彈性波可沿給定的方向向前傳播。這三種波通常不是單一模式，因為每種波既有平行于波法線也有垂直于波法線的質點位移分量。一種分量常比另一種分量大得多。含有較大平行分量的波叫 “準縱波”，含有較大垂直分量的波叫 “準橫波”。在各向同性材料中，所有傳播模式均為單一模式——質點位移不是平行于波法線，就是垂直于波法線。兩種準模退化成一種純模[3]。

能通量矢量，對于彈性波在各向異性材料中傳播也很重要。與各向同性材料情況有所不同，單位時間、單位面積的能流方向 （能通量矢量），同波的法線不一定重合。也就是說，超聲波波束即使垂直入射時也可能發生折射[3]。

超聲波在各向異性的介質中向前傳播時存在線彈性波。但是這種線彈性波既不是單純的縱波，也不是單純的橫波，而是第三種形式的波，即不同性質的線彈性波的混合波。更確切地說，在各向異性的材料中，這種超聲波波束對單個缺陷的反射回波顯示在超聲波探傷儀屏面上時是粘滯在一起的三個波，而且通常情況下三個波中必定有一個波的波幅比另外兩個波的波幅高得多。

1.2 專用探頭結構

專用探頭結構如圖1所示，其中α表示入射角 （°）， θ表示聚焦傾角 （°），a表示晶片寬度（mm），b表示晶片長度 （mm），f表示晶片頻率（MHz）。

圖1 專用探頭結構

在充分考慮超聲波聲束在奧氏體鋼管管壁內表面上的幾何效應的前提下，采用雙晶聚焦的方式制作的探頭可以最大限度地克服直徑?32 mm～?159 mm、壁厚 3.5～20 mm奧氏體鋼管管壁內表面對超聲波聲束的幾何效應帶來的不利影響。

2 對比試塊設計及測試

2.1 對比試塊設計制作

自行設計了對比試塊，共5塊，分別為1號對比試塊，2號對比試塊，3號對比試塊，4號對比試塊，5號對比試塊。對比試塊材料為304奧氏體不銹鋼板材。

1號對比試塊結構尺寸如圖2所示，圓弧面曲率為17 mm，共有?1×20通孔4個，距圓弧面頂的深度分別是4 mm、6 mm、9 mm、12 mm；2號對比試塊結構尺寸如圖3所示，圓弧面曲率半徑為24 mm，共有?1×20通孔5個，距圓弧面頂的深度分別是4 mm、6 mm、9 mm、12 mm、18 mm；3號對比試塊、4號對比試塊、5號對比試塊的結構尺寸如圖4所示，圓弧面曲率半徑分別為38 mm、57 mm、84 mm，各有?1×20通孔6個，距圓弧面頂的深度分別是4 mm、6 mm、9 mm、12 mm、18 mm、24 mm。

圖2 1號對比試塊

圖3 2號對比試塊

2.2 對比試塊試驗數據及波形截圖

圖4 3號對比試塊、4號對比試塊、5號對比試塊

采用相應的專用探頭對上述5塊具有不同的人工缺陷的試樣進行檢測，就可得到這些對比試樣上人工反射體的深度、水平距離、反射波幅值等參數，其中當缺陷回波為滿屏的80%時，增益的分貝值就是回波幅值。專用探頭參數見表1。試驗結果如圖5、圖6、圖7所示。

表1 臨界縱波雙晶斜探頭參數

圖5 橫通孔回波幅值

根據測量結果可知，雙晶探頭能對奧氏體不銹鋼試塊上的?1橫通孔進行檢測。在圖5中，缺陷深度與回波幅值近似呈線性關系，可知雙晶探頭的聲波能量在主聲束方向上單調遞減，聲波指向性好，缺陷定量方便。根據圖6可知：

（1）當圓弧曲率半徑小于24 mm時，圓弧面會影響雙晶探頭聚焦性能，缺陷回波能量降低。

（2）當圓弧曲率半徑大于24 mm時，圓弧面曲率半徑對缺陷回波幅值影響不大。

圖6 圓弧面曲率與回波幅值關系

圖7 雙晶探頭測量對比試塊橫通孔深度誤差

從圖7可以看出，當橫通孔深度小于9 mm時制作的雙晶探頭測量相對誤差小于7.5%；當橫通孔深度大于9 mm時，其測量相對誤差小于3.3%。可見雙晶探頭測量精度高，達到對薄管中的缺陷深度進行精確測量的要求。

由試驗結果可知，5塊對比試塊上所有?1×20通孔人工缺陷反射波清晰，無明顯干擾雜波，信噪比均大于12 dB，說明專用探頭能有效克服奧氏體晶體散射的影響，能對奧氏體鋼中的缺陷進行有效檢測。試塊1中深4 mm和深9 mm橫通孔回波分別如圖8、圖9所示。

圖8 試塊1中深4 mm橫通孔回波

圖9 試塊1中深12 mm橫通孔回波

3 模擬試件缺陷檢測

3.1 模擬試件

制作規格分別為 ?78×10、 ?100×14、 ?108×16和?133×16等5種奧氏體不銹鋼管對接環焊縫實物缺陷模擬試件，材料為304，采用全氬焊接工藝焊接，焊后按照JB/T 4730—2005標準進行射線檢測，結果為Ⅰ級合格。分別在焊縫內外表面正中垂直加工沿母材內壁、外壁為基準周向等深的人工割槽，寬度為0.4 mm，長度為10 mm，深度分別為1 mm、2 mm。規格為?78×10模擬缺陷試樣實物如圖10所示，模擬缺陷試樣結構如圖11所示。

圖10 規格為?78×10模擬缺陷試樣

圖11 模擬缺陷試樣結構

3.2 模擬缺陷試件測試結果

對模擬缺陷試件測試結果如表2和圖12～圖15所示。試驗結果表明，5種規格缺陷模擬試件上人工割槽模擬缺陷的反射回波均能比較清晰地判別，除少數幾個反射回波旁有較高干擾雜波外，其余大部分反射回波信噪比均大于8 dB。

表2 模擬試塊試驗結果

圖12 ?78×10管狀試塊焊縫內表面1 mm中心線縱向刻槽回波

圖13 ?78×10管狀試塊焊縫外表面2 mm中心線縱向刻槽回波

圖14 ?100×14管狀試塊焊縫外表面1 mm中心線縱向刻槽回波

圖15 ?133×16管狀試塊焊縫外表面2 mm中心線縱向刻槽回波

由表2可知，制作的專用探頭能有效地檢測小徑管中的刻槽缺陷，專用雙晶測量精度高。在試驗中，檢測的外表面缺陷深度誤差小于內表面缺陷的測量誤差。小徑管曲率和管厚度會影響測量精度，曲率越小，厚度越大，測量精度就越高。試驗中缺陷回波如圖12～圖15所示，不銹鋼焊縫的晶體粗大，在缺陷回波附近有多個草狀回波，但是依然能在檢測圖譜中清晰分別缺陷回波，檢測靈敏度高。

4 結論

通過試驗證實，這種專用探頭應用于奧氏體不銹鋼管對接焊縫檢測具有以下特點：

（1）專用探頭用于檢測的超聲波束在工件中折射角較大，這便于有余高的薄壁焊縫的超聲檢測。

（2）專用探頭與超聲檢測儀匹配具有較高的綜合靈敏度，檢測奧氏體不銹鋼管焊縫缺陷回波清晰，雜波少，信噪比高。

（3）專用探頭所發射的用于檢測的波束在工件中具有較好的指向性，缺陷定位方便。

（4）管件弧度較大時，所測得的距離波幅曲線較平滑，缺陷定量方便。

[1] 張鷹，雷毅.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測技術研究 [J].石油化工設備， 2004（2）：14-17.

[2] 李衍，馮兆國.不銹鋼焊縫的超聲檢測——現狀與進展 [J].無損檢測，2005（3）：1-6.

[3] 美國無損檢測手冊譯審委員會.美國無損檢測手冊（超聲卷） [M].北京：世界圖書出版社，1996.

[4] 全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會編寫組.超聲波探傷 [M].北京：勞動部中國鍋爐壓力容器安全雜志社， 1995.