相控陣超聲波技術(shù)在奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫檢測(cè)中的運(yùn)用

文/吳員 張?zhí)旖?張利園 史學(xué)材 權(quán)利

大厚度不銹鋼管道焊接是海上平臺(tái)工藝管線工作中的一個(gè)最重要的部分，主要使用的材料是Cr-Ni奧氏體不銹鋼，這種材料導(dǎo)線性較差，有較大的線膨脹系數(shù)，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。如果焊接材料、工藝不當(dāng)，就會(huì)使焊接出現(xiàn)晶間腐蝕、熱裂紋等各種缺陷，影響焊縫質(zhì)量。同時(shí)，由于奧氏體焊縫是一種晶粒粗大的柱狀晶組織，當(dāng)超聲波進(jìn)入焊縫中時(shí)，會(huì)因晶粒直徑、柱狀晶組織產(chǎn)生的彈性各向異性而導(dǎo)致聲速變化、波束偏移、散射衰減增加等問題。因此，采用常規(guī)超聲方法對(duì)奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫檢測(cè)的效果不理想。

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)聲束角度、聚集距離及焦點(diǎn)尺寸進(jìn)行控制；能夠用單個(gè)多晶片相控陣探頭對(duì)同一位置的焊縫進(jìn)行多角度的檢測(cè)；能夠檢測(cè)復(fù)雜幾何形狀焊縫，且具有較好的機(jī)動(dòng)性與靈活性；能夠與機(jī)械夾具配合使用，高速、全面掃查整個(gè)試件；能夠通過計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)與數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，使超聲檢測(cè)結(jié)果顯示更直觀，此外，該技術(shù)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)移，便于后續(xù)的離線分析。采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)海上平臺(tái)工藝管線焊縫進(jìn)行檢測(cè)，檢查時(shí)間、檢測(cè)成本均有顯著降低，對(duì)一些接由于空間受限而導(dǎo)致常規(guī)超聲無法完成檢測(cè)的焊縫，也能夠通過一次掃描進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)。目前，相控陣超聲波檢測(cè)在奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的檢測(cè)工作中取得了良好的效果。

1 奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

1.1 合理選擇相控陣探頭

奧氏體不銹鋼不會(huì)在熱處理過程中出現(xiàn)相變，也不會(huì)出現(xiàn)晶粒細(xì)化的現(xiàn)象。橫波檢測(cè)時(shí)會(huì)較大地受到奧氏體不銹鋼各向異性影響，其聲束還會(huì)在焊縫中出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而生成一些與缺陷相似的偽信號(hào)。因此，需要使用縱波探頭進(jìn)行檢測(cè)，提高聲束的穿透性，并通過雙晶探頭設(shè)置進(jìn)一步降低噪聲信號(hào)干擾。

1.2 優(yōu)化超聲相控陣設(shè)置參數(shù)

參數(shù)設(shè)置是影響檢測(cè)空間分辨率與對(duì)比度分辨率的重要因素，要對(duì)各參數(shù)在檢測(cè)過程及檢測(cè)結(jié)果中的影響規(guī)律進(jìn)行分析與總結(jié)，優(yōu)化各參數(shù)設(shè)置原則與方法。超聲相控陣參數(shù)主要由通道增幅、采樣頻率、采樣位數(shù)、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、帶能濾波、時(shí)基模式、平滑化、平均化及電壓等組成。脈沖寬度在100-1000ns范圍內(nèi)變化時(shí)，掃查圖顯示，脈沖寬度過大或過小獲得的檢測(cè)結(jié)果都較差，要合理選擇脈沖寬度。在半聲程聚集模式下，繪制脈沖寬度-回波幅值-信噪比曲線，觀察曲線走向，可以發(fā)現(xiàn)，脈沖寬度為450-500ns時(shí)，目標(biāo)孔回波幅值會(huì)達(dá)到最高值，其他寬度下，會(huì)出現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，噪聲幅值也有這一規(guī)律。因此，運(yùn)用相控陣超聲波技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要將脈沖寬度調(diào)節(jié)到陣列探頭主頻率周期的1/2左右，同時(shí)保證回波幅值與信噪比滿足規(guī)范要求。

2 試驗(yàn)設(shè)備與試塊

選擇Omniscan MX2 超聲波相控檢測(cè)儀對(duì)有自然缺陷的一種奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊進(jìn)行檢測(cè)，試塊包括一個(gè)外徑較小（273mm）、壁厚較小（30mm）的試塊A和一個(gè)外徑較大（880mm）、壁厚較大（90mm）的試塊B，試塊有平面型缺陷，主要是內(nèi)表面缺陷、外表面缺陷與埋藏缺陷三類缺陷。試塊A包含5個(gè)缺陷，分別為位于x軸位98.64°、y軸位0mm處的長(zhǎng)20mm、高9mm的周向外表面缺陷，一個(gè)x軸位102.84°、y軸位0mm處的長(zhǎng)20mm、高9mm的周向內(nèi)表面缺陷，一個(gè)x軸位282.50°、y軸位0mm處的長(zhǎng)20mm、高9mm的周向埋藏缺陷，一個(gè)x軸位94.44°、y軸位0mm處的長(zhǎng)20mm、高6mm的軸向埋藏缺陷，一個(gè)x軸位230.42°、y軸位0mm處的長(zhǎng)20mm、高15mm的軸向埋藏缺陷。試塊B有4處缺陷，一個(gè)x軸位26.01°、y軸位0mm處的長(zhǎng)35.4mm、高15mm的周向內(nèi)表面缺陷，一個(gè)x軸位61.30°、y軸位0mm處的長(zhǎng)10mm、高10mm的周向內(nèi)表面缺陷，一個(gè)x軸位280.00°、y軸位-5.0mm處的長(zhǎng)40mm、高19.5mm的軸向內(nèi)表面缺陷，一個(gè)x軸位302.28°、y軸位0mm處的長(zhǎng)48mm、高15mm的周向埋藏缺陷。

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用超聲相控陣檢測(cè)儀分別檢測(cè)試塊A與試塊B，檢查過程中，若發(fā)現(xiàn)缺陷，則通過-12dB法測(cè)長(zhǎng)，通過端點(diǎn)衍射法測(cè)高，并將相控陣檢測(cè)結(jié)果與常規(guī)自動(dòng)超聲檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

定量結(jié)果顯示，缺陷高度檢測(cè)結(jié)果誤差為-3.8-1.4mm，長(zhǎng)度誤差則為-1-13mm，高度均方根誤差1.7mm，與ASMΕ規(guī)范中要求的均方根誤差低于3.2mm的標(biāo)準(zhǔn)相符合，長(zhǎng)度均方根誤差6.0mm，與ASMΕ規(guī)范中要求的均方根誤差低于19mm的標(biāo)準(zhǔn)相符合。常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果顯示高度檢測(cè)結(jié)果誤差為-2.5-0.8mm，均方根誤差1.5mm，長(zhǎng)度誤差-0.6-18mm，均方根誤差8mm。超聲相控陣檢測(cè)誤差均符合ASMΕ規(guī)范要求，與常規(guī)自動(dòng)超聲檢測(cè)結(jié)果誤差相近，部分缺陷檢測(cè)結(jié)果精確度更高。

4 結(jié)語

本文通過使用二維雙晶面陣探頭，合理選擇適宜聚集深度的楔塊，使用CIVA仿真軟件的聲場(chǎng)仿真，并對(duì)有自然缺陷的兩個(gè)試塊進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示，相控陣超聲波技術(shù)能夠?qū)@兩個(gè)試塊進(jìn)行全體積缺陷檢測(cè)與定量，定量誤差能夠滿足ASMΕ規(guī)范要求，可以用于海上平臺(tái)工藝管線奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫檢測(cè)工作。