不銹鋼小徑管焊接缺陷的相控陣超聲檢測工藝

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(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

某核電常規島高壓加熱器系統疏水器管線焊縫于2015年10月發生泄漏。為了對該類不銹鋼小徑管焊縫實施相控陣超聲檢測(PA)，筆者對其焊接缺陷進行了深入分析，并制定了相應的相控陣檢測工藝[1-2]。

1 相控陣檢測系統、試塊及試管準備

1.1 試管的準備

小徑管人工缺陷試管由蘇州耐迪特精密模具公司制造，材料為TP304L，規格(外徑×厚度)為φ60.3 mm×6.0 mm。自然缺陷試管取自某核電站常規島某壓力管道系統，材料為TP304L，規格(外徑×厚度)為φ60.3 mm×5.5 mm。試管對接接頭中存在未熔合、未焊透、內凹、焊瘤及咬邊類缺陷。圖1所示為小徑管缺陷試管外觀。

圖1 小徑管缺陷試管外觀

1.2 相控陣檢測系統的準備

1.2.1 相控陣設備、探頭、楔塊及掃查架的準備

試驗設備采用GEKKO便攜式相控陣檢測儀。考慮到不銹鋼材料晶粒粗大，聲能衰減嚴重，搭配低頻多普勒5S16-0.5×10-D10自聚焦探頭(頻率為5 MHz，16個晶片，晶片間距為0.5 mm，單個晶片長度為10 mm)，多普勒 SD10-N60S-AOD 60.3楔塊，多普勒 CRS-1掃查架。相控陣檢測系統外觀見圖2。

圖2 相控陣檢測系統外觀

1.2.2 聲束覆蓋及掃查步進的設置

采用扇掃對焊縫實施檢測，推薦扇掃角度范圍為40°～72°，扇掃中大角度聲束(一次波)覆蓋焊縫下部及熱影響區，小角度聲束(二次波)覆蓋焊縫上部及熱影響區，同時保證扇掃聲束完全覆蓋整個焊縫截面。

采用 BEAM Tool 6聲束模擬軟件，通過對檢測工件類型及尺寸、坡口形式及尺寸、探頭參數、楔塊參數、掃查步進偏移等的選擇及設置，實現聲速覆蓋的模擬。圖3所示為聲束覆蓋及掃查步進示意。

圖3 聲束覆蓋及掃查步進示意

1.2.3 標準試塊及對比試塊的準備

參照NB/T 47013.3-2015 《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準，采用不銹鋼材料GS改版試塊作為標準試塊(試塊型號為T06516)，其幾何尺寸如圖4所示，具體參數為:試塊圓弧曲率半徑R1為32；適用外徑范圍為57～72 mm;試塊圓弧曲率半徑R2為40 mm;適用外徑范圍為72～90 mm。為了進一步驗證相控陣超聲對小徑管根部缺陷的檢出能力，定做專門的對比試塊，在焊縫內壁焊趾處埋藏尺寸(長×寬×高,下同)分別為5 mm×0.2 mm×0.5 mm,5 mm×0.2 mm×1 mm,5 mm×0.2 mm×1.5 mm,5 mm×0.2 mm×2.0 mm的人工槽，以近似模擬根部缺陷。小徑管根部缺陷對比試塊具體規格尺寸見圖5。

圖4 標準試塊幾何尺寸

圖5 小徑管根部缺陷對比試塊規格尺寸

1.2.4 PA檢測試驗工藝

校核參考量：聲速、楔塊延遲、定量校準 。

掃查方式：單面雙側。

檢測靈敏度：φ2 mm×20 mm-80%+4 dB，小徑管根部缺陷對比試塊內壁焊趾處和母材外壁5 mm×0.2 mm×0.5 mm人工槽分別為60%和70%的回波波幅。 其檢測效果如圖6所示。

圖6 小徑管根部缺陷對比試塊內壁和母材外壁人工槽的檢測效果圖

關于檢測靈敏度和焊縫質量分級的選擇，首先考慮到的是應用NB/T 47013.3-2015標準的6.4.5.3和6.5.3.4節相關要求，以φ2 mm×20 mm-80%+12 dB做為判廢線，檢測效果如圖7所示。

圖7 φ2 mm×20 mm-80%+12 dB檢測效果圖

檢測靈敏度太高，信噪比太低，無法分辨回波的有效性，在此檢測靈敏度下無法對焊縫實施有效的檢測，這就導致了NB/T 47013.3-2015標準的相關要求無法實施。

在這種情況下，結合現有的裂紋缺陷試管M1～M15，人工缺陷試管及人工刻槽對比試塊，在保證對已知缺陷不漏檢，且對缺陷的定量盡可能接近缺陷實際尺寸的前提下，φ2 mm×20 mm-80%+4 dB為一個恰當的檢測靈敏度。

焊接接頭驗收質量分級：考慮到相控陣超聲檢測在國內的應用現狀，在不銹鋼小徑管領域并無相關的可參照驗收標準，也缺少可指導具體檢測實踐的相關文獻，而NB/T 47013.3-2015的相關標準又無法實施。基于此，提出結合DL/T 820-2002 《管道焊接接頭超聲波檢測技術規程》標準的相關內容制定相應的驗收依據。

參照GB/T 29712-2013 《焊縫無損檢測超聲檢測驗收等級》 標準附錄B描述的固定回波幅度等級技術，以40%波幅為評定線，70%波幅為判廢線。

參照DL/T 820-2002 《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》 標準7.4.4節要求，根據焊接接頭存在的缺陷類型、缺陷波幅以及缺陷的指示長度，缺陷評定為允許存在和不允許存在兩類。

不允許存在的缺陷有：① 性質判定為裂紋、坡口未熔合、層間未熔合以及密集性缺陷者；② 單個缺陷回波幅度不小于判廢線者；③ 單個缺陷回波幅度不小于評定線，且指示長度大于5 mm者。

允許存在的缺陷有：單個缺陷回波幅度小于判廢線，且指示長度小于5 mm者。

2 缺陷分類及相應檢測工藝

圖8 超聲檢測時的聲束傳播圖

2.1 結構回波

由于小徑管內壁焊縫余高的存在，當某一角度超聲波聲束傾斜入射到焊縫余高某個位置的界面且入射橫波角度αs<33.2°時,會同時發生反射和折射現象。如圖8所示(圖中B1為底面回波，S1為折射橫波，L1為折射縱波，αS為入射橫波與法線的夾角；αL為折射縱波與法線的夾角)，當反射橫波與折射縱波同時入射到焊縫外壁余高上時，超聲檢測儀上就會形成如圖9所示的結構回波反射信號。

圖9 A超結構回波示意

按上述工藝對M16焊縫進行時基掃查，發現個別位置(記為1#)處出現了結構回波，如圖10(a)所示，懷疑此回波為焊縫結構回波。考慮到焊縫結構回波最終作用在焊縫外表面余高上，用手指沾上機油按壓該位置焊縫的外表面上，由圖10(b)可知，反射橫波波幅由原來的55.8%(相對滿屏)降低為45%，間接證明了該位置回波為焊縫結構回波。

圖10 M16焊縫1#位置按壓前后的結構回波

按上述工藝對M16焊縫進行時基掃查，發現個別位置(記為2#)處出現了結構回波，如圖11(a)所示，在該位置出現波幅為136.3%的回波顯示。經分析，認為該回波為聲束傾斜入射到焊縫余高某個位置的界面，且入射橫波角度αS>33.2°時，發生的橫波全反射現象。

為了驗證假設，用手指沾上機油按壓在該位置焊縫的外表面上，未見波幅變化。考慮到焊縫結構回波最終一定作用在焊縫外表面余高上，改變該位置焊縫外表面余高形態后，對該位置再次進行PA 時基掃查，得到的結構回波波幅由136.3%變為56.6%，如圖11(b)所示,這就證明了該位置回波為焊縫結構回波。此位置焊縫余高處理后的外觀圖片如圖12所示。

圖11 M16焊縫2#位置余高處理前后的結構回波

圖12 M16焊縫余高處理后的外觀

對M1～M15試管實施時基掃查，未發現結構回波的存在，對M16焊縫及其余人工缺陷試管實施時基掃查都可以發現結構回波的存在。筆者認為造成此種差異的原因是這兩批試管采用的焊接工藝不同。M1～M15試管的焊接工藝采用2.5 mm直徑的焊絲，對口間隙在3 mm左右。M16焊縫及其余人工缺陷試管焊接工藝采用1.2 mm直徑的焊絲，對口間隙在1.8 mm左右。這使得兩者的焊縫內部余高寬度分別在5 mm和3 mm左右。在余高高度相同的前提下，兩者的余高形態就有所區別，而正是這種形態的區別，才是形成焊縫結構回波的真正原因。

2.2 凹坑缺陷

(1) 對于典型凹坑缺陷，其缺陷形態和檢測效果如圖13,14所示。

圖13 M7焊縫1#位置凹坑實物圖片及其A掃+扇掃結果

圖14 M9焊縫2#位置凹坑實物圖片及其A掃+扇掃結果

(2) 對于該類缺陷的定性，首先參照DL/T 820-2002標準附錄F的要求實施，該類缺陷的A超具有如圖15所示的特征(圖中T為工件厚度；L和I分別指從焊縫兩側實施檢測，探頭相對缺陷的水平距離)。

圖15 凹坑缺陷A超特征

(3) 對于典型凹坑缺陷，其具有回波深度小于名義壁厚、單峰、根部較窄、回波波幅較低、沿探頭位移方向無長度等特征。對于無法定性的凹坑缺陷，則通過回波幅度是否超出判廢線或者單個缺陷回波幅度在不小于評定線的情況下缺陷指示長度是否大于5 mm，來對該類缺陷進行評定。

2.3 咬邊缺陷

(1) 對于典型咬邊缺陷，其缺陷形態和檢測效果如圖16,17所示。

圖16 M10焊縫1#位置咬邊實物圖片及其A掃+扇掃結果

圖17 M15焊縫2#位置咬邊實物圖片及其A掃+扇掃結果

(2) 對于該類缺陷的定性，首先參照DL/T 820-2002標準附錄F的要求實施，該類缺陷的A超具有如圖18所示特征。圖18中L和L1分別指從焊縫兩側實施檢測時，探頭位置相對反射體的水平距離(有一側有兩個反射體)。

圖18 咬邊缺陷A超特征

圖19 焊瘤試塊的缺陷形態

(3) 對于典型咬邊缺陷，其具有回波深度小于名義壁厚、單峰、根部較窄、回波波幅較低、沿探頭位移方向無長度等特征。對于無法定性的咬邊缺陷，則通過回波幅度是否超出判廢線或者單個缺陷回波幅度在不小于評定線的情況下缺陷指示長度是否大于5 mm，來對該類缺陷進行評定。

2.4 焊瘤缺陷

典型焊瘤缺陷的形態如圖19所示，按上述工藝對該試塊進行時基掃查，未見明確回波顯示。

2.5 未熔合缺陷

(1) 對于T625,T630試管(其射線檢測底片如圖20，21所示)未熔合缺陷，按上述檢測工藝實施時基掃查，檢測效果如圖22，23所示。T625，T630試管未熔合缺陷的射線檢測(RT)、PA檢測定量信息如表1所示。

圖20 T625試管對應的RT底片

圖21 T630試管對應的RT底片

圖22 T625-2#未熔合PA本側及對側A掃+S掃

圖23 T630-未熔合PA本側及對側A掃+S掃

(2) 對于該類缺陷的定性，首先參照DL/T 820-2002標準附錄F的要求實施，該類缺陷的A超具有如圖24所示特征(圖中L1,L2分別指從焊縫兩側實施檢測時，探頭位置相對缺陷的水平距離；T″為工件厚度；x為缺陷至工件底面的距離)。

表1 T625,T630試管未熔合缺陷定量信息

圖24 坡口未熔合缺陷A超特征

(3) 檢測時，通常情況下在該類缺陷的兩側進行掃查，通過水平定位，可以確認該回波的反射體在水平方向上為同一位置。通常情況下兩側掃查的回波波幅有較大區別，個別情況下對于坡口對側的未熔合缺陷無回波顯示。

2.6 未焊透缺陷

(1) 對于T626,T627試管(其RT底片如圖25，26所示)未焊透缺陷，按上述檢測工藝實施時基掃查，檢測效果如圖27，28所示。其未焊透缺陷RT、PA檢測定量信息如表2所示。

圖25 T626試管對應的RT底片

圖26 T627試管對應的RT底片

圖27 T626-未焊透PA 本側及對側A掃+S掃

圖28 T627-未焊透PA 本側及對側A掃+S掃

(2) 對于該類缺陷的定性，首先參照DL/T 820-2002標準附錄F的要求實施，該類缺陷A超具有如圖29所示的特征。

表2 T626,T627試管未焊透缺陷定量信息表

圖29 未焊透缺陷A超特征

(3) 檢測時，通常情況下在該類缺陷兩側進行掃查，通過水平定位，可以確認該回波的反射體在水平方向上靠近焊縫中心位置。兩側掃查通常都可以得到明顯的回波顯示，且回波波幅無明顯區別。

3 結語

(1) 與常規A超相比，相控陣超聲檢測技術可以使用單個探頭實現大角度范圍的橫波檢測，提高了小徑管對接焊縫的缺陷檢出率。

(2) 相控陣超聲檢測技術無需前后移動探頭就可實現對整個小徑管對接焊縫截面的掃查，這使得對于彎頭、三通等對接焊縫的單面雙側掃查的實施成為可能，從而更有利于缺陷性質的判斷和偽缺陷的排除。

(3) 相控陣超聲檢測技術可實時傳輸A、B、C、S掃查顯示，數據分析直觀，且可被完整保存，也可以做離線分析。

(4) 時基掃查時，需準確分辨偽缺陷,判斷結構回波，從而避免對缺陷信號的誤判。

(5) 對于缺陷性質的判斷，參照DL/T 820-2012標準的相關要求執行。

(6) 對不銹鋼小徑管實施完善的相控陣超聲檢測，除了需要檢測人員熟練掌握相控陣超聲便攜設備的應用，還需要具備專業的A超檢測技術知識和豐富的管道超聲波檢測經驗。