不銹鋼管道焊縫超聲檢測中探頭檢測能力的比較

施春豐　尹鵬代　闖金坤

【摘 要】不銹鋼管道是核電廠中大量存在并與電廠運行安全息息相關的常見管道，因而核電廠中存在大量的不銹鋼管道焊縫。相對碳鋼管道焊縫而言，不銹鋼管道焊縫超聲檢測難度大，如何正確選擇檢測探頭成為關鍵所在。本文以核電廠中最為常見的外徑Φ273mm管道為試驗對象，選擇不同種類超聲探頭進行檢測試驗，并對結果進行對比分析，對不同探頭的檢測能力進行比較，得出相關結論，為不銹鋼管道焊縫超聲檢測的探頭選擇提供依據和參考。

【關鍵詞】不銹鋼管道焊縫；超聲檢測；比較

中圖分類號： TG441.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0051-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.020

【Abstract】Stainless steel pipeline is a common pipeline which is closely related to the operation safety of the power plant， so there are a lot of stainless steel pipe welds in the nuclear power plant. Relative to carbon steel pipe weld，the ultrasonic testing for stainless steel pipe weld is more difficult， and the key point is how to choose the ultrasonic probe correctly. In this paper， select the 273mm diameter pipe which is common in nuclear power plant as test object， different types of ultrasonic probes were used to perform testing， and the results were analyzed to compare the detection ability of different probes， get relevant conclusions， provide the reference on the probe selection of ultrasonic testing for stainless steel pipe weld.

【Key words】Stainless steel pipe welds； Ultrasonic testing； Comparison

0 引言

不銹鋼管道是核電廠中大量存在并與電廠運行安全息息相關的常見管道，因而核電廠中存在大量的不銹鋼管道焊縫，美國ASME 鍋爐及壓力容器規范中對核電廠不銹鋼管道焊縫明確提出了進行體檢檢測的強制性要求[1]。隨著運行時間的增長，不銹鋼管道焊縫的金屬性能會逐漸降低，金屬不連續性也會產生，國內某核電廠就曾在服役的不銹鋼管道焊縫中發現存在裂紋。如果這類管道一旦失效，導致的后果將不堪設想。

不銹鋼管道焊縫相對碳鋼管道焊縫而言，各向異性，超聲檢測難度大[2]，如何正確選擇檢測探頭成為關鍵所在。本文以核電廠中最為常見的外徑Φ273mm管道為試驗對象，選擇不同種類超聲探頭進行檢測性能比較試驗，并對結果進行對比分析，對不同探頭的檢測能力進行比較，得出相關結論，為不銹鋼管道焊縫超聲檢測的探頭選擇提供依據和參考。

1 試驗設計

根據理論分析，對于不銹鋼粗晶材料，如下幾個方面會對超聲檢測能力產生影響[3]：

超聲波在材料中的衰減，波長越大，衰減越小；

超聲波在材料中是否聚焦，這由探頭的型式決定；

超聲波在材料中對相鄰反射體的分辨能力，這由探頭的頻帶決定。

所以在不銹鋼管道焊縫超聲檢測的探頭選擇上就存在：縱波探頭與橫波探頭的選擇[4]，雙晶探頭和單晶探頭的選擇，寬頻帶探頭和窄頻帶探頭的選擇等問題。為了在實際檢測工作中能夠準確的選擇探頭，設計了不同探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測能力的比較試驗，通過試驗結果分析對比，得出結論。設計的試驗項目包括：

縱波和橫波探頭檢測能力的比較試驗；

雙晶縱波探頭和單晶縱波探頭檢測能力的比較試驗；

不同頻帶寬度雙晶縱波探頭檢測能力的比較試驗。

2 試驗實施

目前對管道焊縫進行自動檢測已成為一種趨勢，自動檢測時超聲系統將自動記錄采集的數據，便于存檔及分析，便于缺陷信號的定位、定量及不同次檢查間的比較，減少了人為因素的影響，提高了檢測質量。所以本文中所有試驗項目均采用自動檢測方式進行。

2.1 試驗設備

◇超聲儀

為了能夠進行自動超聲檢測，采用Zetec公司生產的多通道超聲波檢測儀，含有16個以上獨立通道。

◇掃查裝置

自動掃查裝置是自主設計開發的AUMA系列管道自動超聲掃查裝置。掃查裝置能夠反饋位置信號給超聲儀，并能夠在兩個垂直方向上往復的運動。

◇試驗探頭

根據以往的檢測經驗，選擇頻率為2MHz的各種探頭，包括單晶橫波、單晶縱波、雙晶縱波探頭[5]，見表1。

◇試驗試件

Φ273×30mm的不銹鋼管道焊縫試驗試件（共2件）。每件試件上制作4個不同長度，不同高度和不同位置的槽，尺寸如表2，試驗試件示意圖如圖1。

3.2 試驗過程

◇數據采集

在探頭參數測試試塊上測試探頭角度及前沿，在參考試塊上設置探頭靈敏度，將探頭安裝于探頭支架上，用專用掃查裝置對試驗試塊進行外表面掃查。保證每個探頭能掃查到全壁厚的檢測體積，并進行數據采集，如圖2。

◇數據分析

對采集的數據進行分析，對試件上的槽信號進行檢測結果分析對比：

（1）比較縱波探頭和橫波探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測能力，包括：能否探測出，數據B、C、D掃圖形中信號的分辨能力等；

（2）比較雙晶縱波探頭和單晶縱波探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測能力，包括：能否探測出，數據B、C、D掃圖形中信號的分辨能力等；

（3）比較雙晶縱波45°和60°探頭中寬頻帶和窄頻帶兩種類型探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測能力和信噪比差異；

（4）比較單晶縱波探頭45°、60°探頭在不銹鋼管道焊縫中檢測能力的差異；

（5）比較雙晶縱波探頭45°、60°和70°探頭在不銹鋼管道焊縫中檢測能力的差異；

4 試驗結果

分析試驗數據，對每個探頭是否能檢測出人工槽，回波信號信噪比，信號分辨力，端點信號探測能力進行比較，試驗結果的比較匯總見表3。

5 結論

通過對試驗結果進行對比分析，我們得出如下相應結論：

5.1 縱波探頭和橫波探頭在不銹鋼管道焊縫中的檢測能力比較

結論：橫波探頭未探測出試驗試件中的槽，而縱波探頭探測出試驗試件中的所有槽，縱波比橫波衰減和噪聲要小。在不銹鋼管道焊縫中，縱波探頭對缺陷的檢測能力比橫波探頭要高。

5.2 雙晶縱波探頭和單晶縱波探頭在不銹鋼管道焊縫中檢測能力比較

結論：雙晶縱波探頭的信號區分能力要優于單晶縱波探頭，單晶縱波探頭的信號要顯得雜亂一些，干擾信號較多，雙晶縱波探頭是一發一收，焦距范圍內顯示信號的信噪比較高，數據B、C、D掃圖形中缺陷信號比較容易分辨。另外寬頻帶的雙晶縱波探頭與單晶縱波探頭相比，在探測并區分缺陷端點信號方面能力要高，圖3為兩類探頭信號的比較圖。

5.3 雙晶縱波探頭中寬頻帶和窄頻帶兩種類型探頭在不銹鋼管道焊縫中回波信噪比和檢測能力的比較

結論：寬頻帶雙晶縱波探頭的信噪比要優于低頻帶雙晶縱波探頭。寬頻帶雙晶縱波探頭B掃圖形中缺陷信號在掃查方向和深度方向的分辨能力要明顯好于低頻帶雙晶縱波探頭。寬頻帶和窄頻帶雙晶縱波探頭相比，由于周期數較少，在探測并區分缺陷端點信號方面能力要好許多，圖4為兩種類型探頭RF波比較圖，圖5～圖7為兩類探頭信號的比較圖。

6 結束語

在不銹鋼管道焊縫超聲檢測中：

b）雙晶縱波探頭回波信號的信噪比要優于單晶縱波探頭；

c）雙晶縱波探頭對缺陷信號的區分能力要優于單晶縱波探頭；

d）寬頻帶雙晶縱波探頭的信噪比要優于低頻帶雙晶縱波探頭；

e）寬頻帶雙晶縱波探頭對缺陷信號的分辨能力要優于低頻帶雙晶縱波探頭。

因此，為了提高不銹鋼管道焊縫超聲檢測的信噪比和分辨力，應該優先選擇寬頻帶雙晶縱波探頭，正確的探頭參數選擇可以提高此類焊縫的檢測能力以及可靠性。

【參考文獻】

[1]ASME， Boiler & Pressure Vessel Code，Section XI：Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components[S].

[2]李衍，馮兆國.不銹鋼焊縫的超聲檢測-現狀與發展[J].無損探傷，2005，29（3）： 1-6.

[3]鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008：302-305.

[4]張鷹嗎，張延豐，雷毅.奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測方法研究[J].無損檢測，2006，28（3）：119-122.

[5]劉凱.正確選擇和使用縱波雙晶探頭[J].無損探傷，2005，29（2）：29-32.