不銹鋼小徑管疲勞裂紋類缺陷相控陣超聲檢測的可靠性驗證

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(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

1 相控陣檢測系統、試塊及試管

1.1 小徑管試管

小徑管試管取自某核電站高壓加熱器疏水器系統在役更換下來的管道，其上共15個對接焊縫，試管材料為TP304L不銹鋼，規格(外徑×壁厚)為φ60.3 mm×5.54 mm。試管對接接頭中存在疲勞裂紋、內凹、焊瘤及咬邊類自然缺陷。

1.2 相控陣檢測系統

1.2.1 相控陣設備、探頭、楔塊及掃查架的準備

采用GEKKO便攜式相控陣檢測儀，考慮到不銹鋼材料晶粒粗大，搭配低頻多浦樂5S16-0.5*10-D10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)，多浦樂SD10-N60S-AOD 60.3楔塊和多浦樂 CRS-1掃查架。相控陣檢測系統外觀如圖1所示。

圖1 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38°～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，同時保證扇掃聲束能完全覆蓋整個焊縫截面。

采用ES Beam Tool 6聲束模擬軟件對檢測工件的類型及尺寸、坡口形式及尺寸、探頭參數、楔塊參數、掃查步進偏移等進行選擇及設置，實現聲速覆蓋的模擬。聲束覆蓋及掃查步進示意如圖2所示。

要說鈦金屬在腕表的使用上是很普遍的，比如很早就有作表殼的，Richard Miller理查德米爾用鈦合金制作夾板。但用來作鐘表核心擒縱裝置的擺輪軸的還真沒有。原因就是擺輪軸尖要有很高的硬度，之前的鈦合金都達不到這樣的硬度。帶過鈦金表殼的表的朋友，都知道相比不銹鋼表殼鈦金屬表殼相對更軟一些，更容易留下劃痕。

圖2 聲束覆蓋及掃查步進示意

1.3 標準試塊及對比試塊

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試塊作為標準試塊。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，制備了專門的對比試塊，在焊縫內壁焊趾處埋藏規格(長×寬×高)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規格如圖3所示。

圖3 小徑管根部缺陷對比試塊規格

1.4 PA檢測工藝

校核參考量為聲速、楔塊延遲、定量校準；推薦掃查方式為單面單側或單面雙側；推薦檢測靈敏度為φ2 mm×20 mm-80%+4 dB(小徑管裂紋對比試塊內壁焊趾處5 mm×0.2 mm×0.5 mm人工槽的60%波幅)。

焊接接頭質量分級的方法為：① 參照標準GB/T 29712-2013 《焊縫無損檢測 超聲檢測驗收等級》附錄B中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；② 參照標準DL/T 820-2002 《管道焊接接頭超聲波檢測技術規程》中第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，將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型缺陷；② 單個缺陷回波幅度不小于判廢線；③ 單個缺陷回波幅度不小于評定線，且指示長度大于5 mm。

允許存在的缺陷為：單個缺陷回波幅度小于判廢線，且指示長度小于5 mm。

檢測靈敏度及焊接接頭質量分級選取方法：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，而標準NB/T 47013.3-2015的相關要求又無法實施，故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，在保證已知缺陷不漏檢，定量檢測結果盡可能接近缺陷實際尺寸的前提下，采用φ2 mm×20 mm-80%+4dB的檢測靈敏度，并提出結合標準DL/T 820-2002的相關內容制定相應的驗收依據。

2 試驗過程

首先對15個高壓加熱器管道焊縫進行唯一標識，記為M1～M15，其次對PA設備進行調試，按照上述工藝對15個焊縫進行PA掃查，并采集數據。對15個焊縫的PA 數據進行分析，并出具檢測報告。

為了驗證PA 檢驗結果中判定的缺陷是否真實存在、缺陷定位是否準確，參照標準NB/T 47013.2-2015的要求，對 M1～M15焊縫進行雙壁雙影橢圓成像透照，相隔90°透照兩次。小徑管橢圓成像透照示意如圖4所示。

圖4 小徑管橢圓成像透照示意

對M1～M15焊縫的數字射線影像進行評定，對缺陷進行定位，并在相應焊縫上進行標注，再對照PA檢測結果。通過對比結果發現，DR (數字射線檢測)檢出的缺陷，PA在相應位置也有缺陷檢出，且定位足夠精準。同時發現了新的問題，DR檢出的缺陷只能解釋PA檢測結果中的一部分缺陷，并不能解釋所有PA檢出的缺陷。經分析，認為這種情況出現的原因可能是小徑管射線(DR)檢測工藝存在局限性，或是PA檢測的準確度不可靠。

為了進一步驗證PA 檢測準確度是否可靠，檢測團隊對焊縫附近位置進行周向切割，對小徑管內壁焊縫余高和坡口附近參照NB/T 47013.5-2015標準要求進行滲透檢測(PT)。對滲透檢測的結果進行記錄，并在焊縫上進行標注。

3 試驗數據與檢測結果分析

3.1 數據與檢測結果

對這15個高壓加熱器管道焊縫的PA，DR，PT檢測結果進行分析，對有缺陷焊縫的檢測數據進行整理和匯總，其中M1～M13焊縫的PA，DR，PT檢測結果如表1所示。

表1 PA，DR，PT檢測結果

由表1可知，PA檢測結果與PT檢測結果基本一致，其中的主要差異性體現在：M2焊縫1#缺陷的定量，M2焊縫2#缺陷的漏檢以及M8焊縫的PA結果與PT檢出缺陷數量不一致；M9焊縫的PA與PT檢出缺陷數量不一致。

對于M8焊縫，通過分析PA與PT檢測數據，可以確認PT檢測結果中的裂紋1(1#裂紋)、裂紋2(2#裂紋)為貫穿裂紋(見圖5)；對于M9焊縫，通過對試管的觀察，可以確認PA檢測結果中的缺陷1為焊縫內壁的嚴重內凹缺陷(見圖6)。

圖5 M8焊縫1#，2#裂紋PT檢測結果

M2焊縫裂紋的PA 檢測結果(A 掃+S 掃+C掃)如圖7所示，M2焊縫裂紋對應位置的DR 底片如圖8所示，M2焊縫1#，2#，3#裂紋PT 結果如圖9所示。

圖6 M9焊縫缺陷1外觀及PA檢測結果

圖7 M2焊縫裂紋的PA檢測結果

圖8 M2焊縫裂紋對應位置的DR 底片

其中，PA檢測結果中缺陷1位于坡口對側，距零點-11 mm，長度L1=70 mm，缺陷2位于坡口本側，距零點105 mm，長度L2=46 mm。缺陷1呈斷續狀態，部分波幅小于40%，最高回波波幅在90%以上。DR結果中只有裂紋3有顯示,PT 檢測結果與PA 結果存在一定差異。

對于M2的1#裂紋，PA與PT定量檢測結果存在一定差異，檢測人員懷疑是1#裂紋可能向另一側延伸，于是對1#裂紋另一側焊縫余高進行處理，再對此位置進行PT檢測，結果如圖10所示。1#裂紋呈斷續狀，PT 與PA檢測結果在定量上相一致。對彎頭側斷續裂紋位置實施時基掃查，結果如圖11所示，可見有明確的回波顯示。

圖9 M2焊縫1#，2#，3#裂紋PT 結果

圖10 M2焊縫1#裂紋余高處理后PT檢測結果

圖11 M2焊縫1#裂紋彎頭側的A掃+扇掃

對于M2焊縫的2#裂紋進行PA檢測時漏檢，檢測人員從彎頭側對該位置做PA 時基掃查，結果如圖12所示，PA檢測對于坡口本側位置上的裂紋性缺陷，有明確的回波顯示。

圖12 M2焊縫 2#裂紋彎頭側的A掃+扇掃

3.2 檢測結果分析

通過對上述焊縫的綜合檢測，已發現的缺陷有焊縫內壁開口裂紋(PT可全部檢出)和焊縫內壁成型不良(以咬邊、凹坑、焊瘤3種方式體現)兩種類型。

與PT檢測相比較，PA幾乎檢測出全部裂紋(就優化后的檢測工藝而言，采用單面雙側進行掃查)，而DR 檢測的漏檢率在50%以上(關于裂紋檢出率的統計，這里只針對DR檢測方法，并不代表RT的檢測能力)。3種檢測方法對M1～M15焊縫裂紋的檢出率對比如圖13所示。

圖13 3種檢測方法對M1～M15焊縫裂紋的檢出率

PA檢測結果中判定的缺陷都可以用PT檢測結果加以驗證。說明PA 對不銹鋼小徑管疲勞裂紋類缺陷的檢測結果，從定位、定量、裂紋檢出率上來說都是相當可靠的。

3.3 PA檢測經驗總結與工藝優化

裂紋性缺陷的超聲檢測結果具有如下的典型特征：回波根部較寬、多峰、分叉，沿掃查軸移動過程中多峰交替出現峰值。部分焊縫裂紋的A掃和扇掃結果如圖14～21所示。

圖14 M1焊縫2#裂紋本側的A掃+扇掃

圖15 M3焊縫1#裂紋本側的A掃+扇掃

圖16 M3焊縫2#裂紋本側的A掃+扇掃

圖18 M4焊縫2#裂紋本側的A掃+扇掃

圖19 M6焊縫1#裂紋本側的A掃+扇掃

圖20 M8焊縫2#裂紋對側的A掃+扇掃

圖21 M9焊縫1#裂紋焊縫中心的A掃+扇掃

PA對于坡口本側裂紋性缺陷的回波直觀且特征明顯。PA對于坡口對側裂紋性缺陷回波也有典型特征，但不夠直觀，部分位置易漏檢(如M2焊縫的2#裂紋)。基于此種情況，優化檢測工藝，對焊縫實施單面雙側掃查。因結構原因，對側無法安裝掃查器，在對側實施時基掃查。對側因為結構原因無法放置探頭，則在評定檢驗數據時，對此位置增益6 dB再進行評定，且增益6 dB后只對該位置的對側坡口位置進行評定。此外，對焊縫實施單面雙側掃查，更有助于缺陷性質的判斷和偽缺陷的排除。

4 存在的不足

(1) PA 無法對橫向裂紋進行檢測，會造成橫向裂紋的漏檢。

(2) 為了對不銹鋼小徑管焊縫實施全面的相控陣超聲檢測，對于未融合、未焊透、成型不良類型的焊接缺陷，缺少相應的自然缺陷來進行進一步的論證。

(3) 對于該批試管，未見明顯的結構性回波和變形波。