奧氏體不銹鋼管對接焊縫超聲檢測定位誤差分析

陳定光，郭少宏，鄭若谷，鄭文江，鄧德津，劉希驥

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院佛山檢測院，廣東佛山 528000）

0 引言

小口徑奧氏體不銹鋼管廣泛地應(yīng)用于石油化工、核電等行業(yè)，其焊縫質(zhì)量的好壞直接影響到承壓類特種設(shè)備（鍋爐、壓力容器、壓力管道）的安全性。但是由于其具有焊縫組織不均勻、薄壁、大曲率等特點，對其進行超聲波檢測十分困難。目前國內(nèi)對于奧氏體不銹鋼管的焊縫質(zhì)量超聲檢測工藝及其實施，不同的行業(yè)各不相同，且普遍水平較低、檢測效果較差。這對于開展奧氏體不銹鋼管焊接的檢驗、檢測工作十分不利。

標準DL/T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術(shù)規(guī)程》第7 條，介紹了一種奧氏體中小徑薄壁管焊接接頭檢驗方法[1]，但其推薦的對比試塊需要采用與工件相同的材料，每種工件規(guī)格（直徑與壁厚）都需要相應(yīng)的對比試塊，試塊種類繁多、試塊反射體（短槽）加工精度不易保證，并且試塊也沒有考慮奧氏體不銹鋼焊縫組織對超聲波檢測定位和定量的影響。由于奧氏體不銹鋼管對接焊縫超聲檢測的信噪比低，一般要求焊縫兩側(cè)掃查結(jié)果一致才能排除雜波干擾、判定缺陷，這就要求超聲定位精度更高。因此，研究一種成熟可靠的小口徑奧氏體不銹鋼管對接焊縫的超聲檢測技術(shù)，對進一步完善該標準顯得十分必要。

本研究主要是對超聲橫波在奧氏體不銹鋼管對接焊縫中傳播時的理論定位誤差進行分析，并得出定位修正方法。通過自制試塊進行檢測，驗證了該定位修正方法的準確性，為奧氏體不銹鋼管對接焊縫實施超聲波檢測提供了一種可靠的檢測方法。

1 奧氏體不銹鋼管對接焊縫超聲定位誤差分析

對小口徑碳鋼管對接焊縫的超聲檢測，國內(nèi)標準NB/T 47013.3—2005 推薦使用GS 系列試塊[2］。如果能使其應(yīng)用到小口徑奧氏體不銹鋼管超聲檢測，無疑是非常有意義的。要將GS系列試塊擴展至小口徑奧氏體不銹鋼管超聲檢測，需進行超聲檢測的定位修正，而定位差異主要是由超聲波在不同介質(zhì)中傳播時速度發(fā)生變化導致的。

因此，當超聲檢測儀采用碳鋼GS 系列試塊進行調(diào)校、對奧氏體不銹鋼管進行檢測時，就會產(chǎn)生水平定位誤差、深度定位誤差和K 值誤差（圖1）。

1.1 聲速變化導致的水平定位誤差及修正

當超聲波在碳鋼、奧氏體不銹鋼（如20#、304#鋼）傳播時，由折射定律可知：

圖1 聲速不同導致的定位誤差分析

其中，sinβ20和sinβ304分別為20#、304#鋼超聲波折射角正弦值；Cs20和Cs304分別為20#、304#鋼超聲橫波聲速。

由式（1）可知，只要知道碳鋼的折射角和奧氏體不銹鋼的折射角，即可求出奧氏體不銹鋼的橫波聲速，而奧氏體不銹鋼的折射角可由奧氏體不銹鋼的試塊測出。同理，奧氏體不銹鋼（含部分焊縫）的橫波聲速也可由奧氏體不銹鋼的試塊（帶焊縫）測出。經(jīng)過實際換算可求得：奧氏體不銹鋼的超聲橫波聲速是3156 m/s，穿過部分焊縫后的304#鋼超聲橫波聲速的是3040 m/s。

根據(jù)正弦公式可知，R20=S20sinβ20；R304=S304sinβ304。其中，R20、R304分別為20#、304#鋼中入射點至缺陷的水平距離；β20、β304分別為由空氣入射到20#、304#鋼中的超聲橫波折射角；分別為20#、304#鋼中超聲橫波聲程。所以，

由式（2）可知，R20與R304呈線性關(guān)系，只需選定板厚深度的某一點（如底波位置），就可對其作水平定位修正。由此可推得：

式中 K——探頭的折射角正切值

T——管壁厚，mm

根據(jù)式（2）和式（3），可推得不同K值探頭的超聲檢測水平定位修正值。其中，K2.5 和K2 探頭的超聲檢測水平定位修正值見表1。其中，△2=R20-R304。

1.2 聲速變化導致的深度定位誤差及修正

根據(jù)正弦公式可知：H20=S20cosβ20；H304=S304cosβ304。其中，H20和H304分別為20#和304#鋼中缺陷距焊縫外表面的垂直距離。而cosβ304=，故可以得到式（4）。

表1 K2.5 和K2 探頭超聲檢測水平定位修正值△2 mm

1.3 聲速變化導致的K 值修正值△3

根據(jù)正切公式K304=R304/H304，可推得不同K 值的K 值修正值△3（表3）。其中，△3=K304-K20，△4=K304-K20。

2 修正方法及實測驗證結(jié)果

實際檢測中，在儀器某一檢測通道打開后，將“入射零位”數(shù)值從碳鋼材料的數(shù)值+修正值輸入在“入射零位”位置，將“K 值”數(shù)值從碳鋼材料的數(shù)值-修正值輸入在“K值”位置即可，檢測時實際深度為儀器讀數(shù)+深度補償值。

為了驗證上述定位誤差修正值的準確性，筆者按不同規(guī)格的奧氏體不銹鋼管分別制作了7 塊焊縫外表面帶線切割槽模擬試塊和4 塊焊縫帶根部未焊透的模擬試塊進行檢測。模擬試塊材料為304#帶線切割槽的模擬試塊如圖2 所示，其試驗結(jié)果見表4。其中：①△=儀器水平讀數(shù)-實測水平值；②檢測位置：前三位為試樣編號，尾數(shù)1、2 分別為焊縫兩側(cè)檢測面。

表2 K2.5 和K2 探頭超聲檢測深度定位修正值△1 mm

通過對上表中的水平定位比對試驗數(shù)據(jù)進行分析可知，考慮調(diào)機時的水平定位誤差為±1 mm，表4 共有14 組數(shù)據(jù)，均滿足要求，其最大誤差為1.0 mm，即比對試驗結(jié)果證明了理論定位誤差補償值的準確性。

模擬試塊材料為304#帶根部未焊透的模擬試塊如圖3所示，其試驗結(jié)果見表5。其中：①檢測位置：試樣編號及試樣底片中心定位位置；②重合度：同一反射波焊縫兩側(cè)檢測水平定位的重合程度。重合度為正，則兩側(cè)定位過頭（焊縫余高反射）；重合度為負或0，一般判定為缺陷。

表3 K2.5 和K2 探頭K 值修正值 mm

圖2 帶線切割槽的模擬試樣

表4 帶線切割槽的模擬試樣——修正后的儀器水平定位值與實測值對照

從表5 中的數(shù)據(jù)也可以看出，采用第2 節(jié)中的定位誤差修正公式對奧氏體不銹鋼管對接焊縫內(nèi)部缺陷的水平定位進行補償修正后，均能較準確地找到缺陷。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)聲波的折射定律原理，總結(jié)出超聲波在奧氏體不銹鋼管及其對接焊縫中傳播時產(chǎn)生定位誤差的規(guī)律，并得到理論定位誤差修正值。

圖3 根部未焊透的模擬試樣

（2）通過對奧氏體不銹鋼管對接焊縫表面缺陷和根部未焊透進行檢測，并利用理論水平定位修正值進行修正，均達到滿意的結(jié)果。

（3）實測結(jié)果證明，本研究所采用的修正值精度較高，能滿足實際檢測要求，只要在定量上給予一定的補償，就可應(yīng)用于奧氏體不銹鋼管對接焊縫的檢測。

本研究采用的檢測方法在檢測時不需制作專用試塊，僅需根據(jù)管壁厚度計算出相應(yīng)的修正值進行修正，因此該方法簡單實用，值得推廣。

表5 根部未焊透的模擬試樣——修正后的儀器水平定位值與實測值對照表