奧氏體不銹鋼厚壁對接焊縫的超聲相控陣CIVA仿真與試驗

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(1.寧波市勞動安全技術服務公司，寧波 315048；2.寧波市特種設備檢驗研究院，寧波 315048)

奧氏體不銹鋼具有耐腐蝕、高韌性、易切削等優點，現已被廣泛應用于食品、煉油、化工等行業。但在焊接過程中，如果工藝處理不當，則會產生熱裂紋；在使用過程中，如果環境達到某些特定條件，則會產生應力腐蝕裂紋和晶間腐蝕裂紋。一旦發生破裂和泄漏，輕則造成環境污染和經濟損失，重則造成人員傷亡。

以煉油廠加氫裝置反應器進出口管道為例，其壁厚一般多為40～60 mm，由于長期在高溫高壓環境下工作，同時又在氫氣、硫化氫、環烷酸等多重介質的苛刻工況中運行，管道極易產生各類危害性缺陷。首先，考慮到奧氏體不銹鋼焊縫的晶粒組織粗大，以及結構的各向異性會導致超聲聲束的散射和畸變[1]，其常規超聲檢測比較困難；其次，由于這類管道壁厚一般均大于40 mm，聲波信號衰減會大幅增加，進一步增加了檢測工作的難度。針對奧氏體不銹鋼厚壁對接焊縫檢測的難題，通過CIVA仿真，采用雙面陣相控陣探頭在試塊上進行檢測，可為今后攻克該類檢測難題提供思路。

1 CIVA軟件仿真

1.1 CIVA軟件簡介

CIVA仿真軟件是由法國原子能委員會(CEA)研發的一款專業無損檢測仿真軟件。軟件利用半解析法，采用部分解析解或解析函數，對已有的模型進行仿真，包括超聲、射線、渦流3個部分。其超聲檢測模塊包括聲束模擬以及缺陷響應兩個功能，聲束模擬功能主要是為了供試驗人員設置檢測參數；缺陷響應功能主要是為了模擬真實缺陷的信號反饋情況，供信號分析人員參考[2]。

1.2 工件的CIVA建模

根據標準NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》附錄I中的奧氏體不銹鋼對接接頭3號對比試塊尺寸進行3D建模。試塊長200 mm，寬120 mm，高80 mm，坡口為單V型坡口，坡口角度為18°，坡口底部寬度為15 mm，頂部余高為2 mm，底部余高為0。試塊材料選取各向同性的304不銹鋼，設定密度為7.89 g·cm-3，縱波聲速為5 790 m·s-1，橫波聲速為3 100 m·s-1。單V型坡口尺寸示意如圖1所示，80 mm厚對接焊縫CIVA模型如圖2所示。

圖1 單V型坡口尺寸示意

圖2 80 mm厚對接焊縫CIVA模型

1.3 探頭與楔塊設置

考慮到奧氏體不銹鋼檢測過程的信噪比較低、信號衰減較大且試塊厚度較大，故采用雙面陣相控陣探頭進行檢測，設計參數如下：2組3×5晶片，共計30個晶片，15個發射晶片，15個接收晶片，晶片尺寸為3.8 mm×4 mm，晶片間距為0.1 mm，頻率為2.0 MHz，信號帶寬為60%，波形為縱波，楔塊材料為Rexolite(聚苯乙烯交聯樹脂)，楔塊角度為23.3°，密度為1.18 g·cm-3，縱波聲速為2 720 m·s-1，橫波聲速為1 320 m·s-1，雙面陣相控陣探頭CIVA模型如圖3所示。

圖3 雙面陣相控陣探頭CIVA模型

1.4 檢測設置

15個晶片全部激發，采用扇形掃查，角度范圍為34°～73°。主聲速角度為55°，計算時采用的角度步進為1°，波形為縱波，耦合劑為水，試板底部介質為空氣。參考相關文獻，設定奧氏體不銹鋼對縱波的衰減率為0.2 dB·mm-1 [3]。

試塊中人工缺陷的設置與標準NB/T 47013.3-2015附錄I中的奧氏體不銹鋼對接接頭3號對比試塊尺寸相同:共計8個φ2 mm長橫孔，長度為40 mm，一組位于焊縫中部，另一組位于一側熔合線。

檢測過程中，為了簡化運算，不考慮試塊底面和表面的反射波，只考慮試塊中缺陷的響應，同時保持探頭在x軸方向固定，檢測過程的CIVA仿真模型如圖4所示。

1.5 聲場模擬結果

分別模擬距離焊縫邊緣0 mm和10 mm兩個位置處焊縫部位的縱波聲場分布情況(見圖5，6)。基于主聲速角度的聲場，對扇掃范圍為34°～73°的所有聲束聲場進行合成，仿真過程中選取奧氏體不銹鋼對縱波的衰減率為0.2 dB·mm-1，只計算縱波的聲場。為了簡化計算，不考慮波形轉換、表面反射波和底面反射波。

根據合成聲場仿真結果可知，隨著探頭位置遠離焊縫中心線，聲場能量較高部位也逐漸向焊縫下部移動。由于聲波在奧氏體不銹鋼中的衰減較快，所以聲場高能量部位區域較小，但由于是雙面陣探頭，其聲場高能量部位覆蓋范圍可以滿足檢測要求。

根據聲場模擬結果，使用所設計的雙面陣相控陣探頭，從單面雙側進行掃查，分別距離焊縫邊緣0,10 mm進行檢測。

圖4 檢測過程的CIVA仿真模型

圖5 距離焊縫邊緣0 mm的縱波聲場分布

圖6 距離焊縫邊緣10 mm的縱波聲場分布

1.6 缺陷響應

探頭距離焊縫邊緣0,10 mm時的檢測結果如圖7所示。考慮到所采用的雙面陣探頭扇形掃查范圍為34°～73°，根據圖7(a)，7(b)，采用單側掃查焊縫中部1～4號缺陷，距離焊縫邊緣分別為0，10 mm；根據圖7(c)，7(d)，采用雙側掃查熔合線5～8號缺陷，距離焊縫邊緣分別為0，10 mm，聚集深度為80 mm。

根據CIVA仿真結果可知，所設計的雙面陣相控陣探頭在仿真過程中可以檢出1～8號缺陷。根據圖7(a)的仿真結果可知，對于1號缺陷，由于扇形掃查范圍的限制，無法完全成像，因此在實際掃查中會存在近表面10 mm的盲區，4號缺陷由于扇掃范圍限制也無法完全成像；對比圖7(b)可知，4號缺陷由于深度較大，聲波衰減較大，所以信號幅值較小；對于5～8號熔合線處缺陷的檢測，由于5號缺陷靠近表面，為了提高檢出率，需從右側對其進行檢測，對于6～8號缺陷，左右兩側均有較高的檢出率。

2 試塊檢測與仿真比對

相控陣儀器為ISONIC 2009超聲成像系統，采用與仿真模擬參數相同的頻率為2 MHz的型號為3×5-3.8×4晶片，55°縱波的雙面陣相控陣探頭。相控陣聚焦法則包括扇掃范圍、角度步進、聲程范圍等，具體參數設置與仿真模擬的參數相同。探頭放置部位也與仿真過程相同，選取標準NB/T 47013.3-2015附錄I中的奧氏體不銹鋼對接接頭3號對比試塊，雙面陣探頭與奧氏體不銹鋼試塊實物如圖8，9所示。

2.1 探頭距離焊縫邊緣0 mm檢測焊縫中間缺陷

探頭距離焊縫邊緣0 mm檢測焊縫中間缺陷的實際檢測和仿真結果如圖10所示。由圖10可知，僅1號缺陷有回波，仿真結果中1～3號缺陷均有回波信號。這可能是由于仿真過程中，假設焊縫材料性質完全與母材相同造成的，而實際試塊中焊縫處奧氏體晶粒尺寸明顯大于母材晶粒，且晶粒均勻性也和仿真設置的不同。奧氏體柱狀晶不同方向具有不同的衰減率，最終造成縱波的衰減率也不同。值得注意的是，對于上表面近10 mm的范圍內，無論仿真還是實際檢測，聲波均無法進行覆蓋，因此在今后的現場檢測中要采用其他檢測方法，如采用爬波對相控陣檢測盲區進行檢測，以防漏檢。

圖7 探頭距離焊縫邊緣0，10 mm時的檢測結果

圖8 雙面陣探頭實物

圖9 奧氏體不銹鋼試塊實物

圖10 探頭距離焊縫邊緣0 mm檢測焊縫中間缺陷的實際檢測與仿真結果

2.2 探頭距離焊縫邊緣10 mm檢測焊縫中間缺陷

探頭距離焊縫邊緣10 mm檢測焊縫中間缺陷的實際結果與仿真結果如圖11所示。比較仿真結果和實際檢測結果，可看出2～4號缺陷均有較高的檢出率，但仿真結果中，缺陷回波信號大小依次為2號，3號，4號，實際檢測中回波信號大小依次為4號，3號，2號。分析原因可能為：在仿真中，主要考慮的是縱波在奧氏體中的衰減，未考慮底波的影響；在實際檢測中，焊縫晶粒粗大、不均勻性以及底波的存在，影響了缺陷回波信號的幅值。

圖11 探頭距離焊縫邊緣10 mm檢測中間缺陷的實際結果與仿真結果

2.3 探頭距離焊縫邊緣0 mm左側檢測熔合線缺陷

探頭距離焊縫邊緣0 mm左側檢測熔合線缺陷的實際檢測結果與仿真結果如圖12所示。可見，仿真結果與實際檢測結果對于5號缺陷的檢測吻合性較高，且從扇掃的回波圖可看出波形也較為吻合，信號幅值也較為吻合。

圖12 探頭距離焊縫邊緣0 mm左側檢測熔合線缺陷實際檢測結果與仿真結果

2.4 探頭距離焊縫邊緣10 mm左側檢測熔合線缺陷

探頭距離焊縫邊緣10 mm左側檢測熔合線缺陷實際檢測結果與仿真結果如圖13所示。可見，仿真與實際檢測均能檢出6～8號缺陷，但信號回波幅值存在一定的差異性。原因歸結為仿真的設置參數與實際試塊參數存在一定的差異性。

圖13 探頭距離焊縫邊緣10 mm左側檢測熔合線缺陷的實際檢測結果與仿真結果

2.5 探頭距離焊縫邊緣10 mm右側檢測熔合線缺陷

探頭距離焊縫邊緣10 mm右側檢測熔合線缺陷實際檢測結果與仿真結果如圖14所示。仿真結果與實際檢測結果吻合性較高，均能檢出6～8號缺

圖14 探頭距離焊縫邊緣10 mm右側檢測熔合線缺陷實際檢測結果與仿真結果

陷，但在信號回波幅值方面也存在細小的差異。

3 結語

對80 mm厚奧氏體不銹鋼試塊進行了相控陣檢測以及CIVA模擬，并應用于實際檢測中，比較仿真結果和實際檢測結果可發現，CIVA軟件仿真試驗的結果與對比試塊試驗結果吻合性較高，但同時也存在細小的差別，原因主要為仿真參數的設置不能完全和實際試塊參數相同。采用基于CIVA仿真所選用的雙面陣相控陣探頭，能在一定程度上解決厚壁奧氏體不銹鋼超聲檢測的難題，為石油化工企業開展此類管道的超聲檢測提供一種思路。