鎳基焊縫的相控陣超聲檢測及定位偏差修正技術

張 華

（山西鋼鐵建設（集團） 有限公司， 山西 太原 030003）

超聲相控陣作為無損檢測方法當中的一類，其能夠通過超聲波束旋轉，偏轉以及動態聚焦，在不破壞材料的前提下可以很好地檢測到缺陷。但是，檢測缺陷的分類依然取決于操作人員，工程檢測操作要求操作人員具有一定圖譜分析能力及檢測經驗。因此，在超聲檢測中，缺陷類型的準確分析至今還沒有完全解決。

1 超聲相控陣相關概述

此工藝發源于20 世紀60 年代，并被普遍的應用到醫學超聲成像等行業當中。由于此技術操作繁瑣同時生成成本較高，所以在工業檢測當中應用并未普及。領域。該系統復雜且生產成本高昂，因此對工業無損檢測有限。當前，超聲波相控陣技術當中靈活聲波束偏轉和聚焦性能的關注。超聲波相控陣成像領域中壓電復合材料、納秒脈沖信號控制、數據處理分析、軟件技術以及計算機模擬等諸多先進技術綜合運用，促進其快速發展，并被廣泛的應用在工業行業檢測當中。如燃氣輪機葉片（根） 和渦輪盤檢測、石油和天然氣管道焊接檢查、列車軸檢查、核電站檢查以及航空材料超聲波無損檢測。超聲波是指通過特定方式能夠提升檢測精準度。

2 鎳基焊縫組織結構對超聲檢測的影響

鎳基焊縫晶粒組織較為粗大，包含顯著的柱狀晶，聲速和普通合金鋼的差異大，對其超聲檢測時存在缺陷信號識別困難和信噪比低的問題。鎳基焊材處于高溫熔化疑惑低溫固態等形態時均為單一奧氏體相，所以其形核形式具體為外延結晶，其凝固過程中易形成較大過冷度，受到溫度梯度等熱力學條件的影響，晶粒沿著梯度方向不斷生長，從而構成了粗大、并具有一定取向的柱狀晶組織，同時伴隨過冷度方向持續凝固長大進而構成多晶結構，但其相互接觸的前期，并未沿著同一過冷度方向給予生長，相鄰的晶粒取向已存在差異，進而造成晶界的不連續性。

3 鎳基焊縫的相控陣超聲檢測及定位偏差修正技術

3.1 定位偏差分析及修正

1） 定位偏差分析。檢測鎳基焊縫時，由于焊縫與母材的聲速差異，聲束在界面處產生較大的偏折，在鎳基焊縫內傳播時，局部聲速的差異也會導致聲束繼續偏折。使用CIVA 軟件模擬了奧氏體不銹鋼焊縫當中超聲波檢測試驗，使用CIVA 軟件對汽輪機葉根相控陣超聲檢測給予有效的模擬。使用CIVA 軟件研究了對接焊縫相控陣超聲檢測的可靠性。CIVA 仿真結果顯示：焊縫內部局部不均勻產生的聲束偏折的影響小于聲束在焊縫坡口界面產生折射的影響；2）檢測中的定位偏差。橫孔影像偏向對側，這是由聲束在坡口界面處發生折射所造成的；3） 定位修正計算。鎳基焊縫相控陣超聲檢測的反射體位置與真實位置有差異，可進行相應的修正，主要對聲束在坡口界面折射產生的偏差進行修正。

3.2 實驗案例分析

1） 校準試塊設計及加工。對于鋼焊縫，母材和焊縫的衰減系數差別較大，為準確模擬聲波的衰減情況，使用與待檢管線一致的材料進行試塊加工。該試塊上具備2 個分別為：R25、R50 的半圓弧用于校準聲速及楔塊延遲，并通過一個距試塊底面20mm 的1.5 的橫通孔校準靈敏度。對于TCG 試塊，則是取一段現場待檢的鋼焊縫作為TCG 試塊，在試塊焊縫部分分別制作3 個直徑為3mm，深度分別為T/4、T/2、3T/4 的橫通孔，通過該孔進行TCG 曲線的制作；2） 人工缺陷對比試塊設計及加工。根據某項目中涉及的工藝管線規格，完成一系列規格的人工缺陷對比試塊，以該項目中最常見的8″X30.4mm 的鋼管線焊縫為例，進行人工缺陷對比試塊相關說明，人工缺陷對比試塊。人工缺陷對比試塊是按照ASME 標準進行設計加工和制作的，符合ASME 規范當中的第V 卷和B31.3 標準規定。繼而保證試塊聲透性能以及被檢工件處于相同亦或，這些試塊全部取材于被檢材料相同型號規格的余料，當RT 以及UT 進行檢驗后，需保證并未干擾到焊接缺陷使用，進行所需人工缺陷加工，確保試塊的精準度；3） 工藝開發過程。將焊縫劃分為以下幾個區域：坡口及熱影響區、根部區域、焊縫內部及焊縫表面。在工藝開發的過程中，需要考慮到焊縫所有區域及其熱影響區都應該被探頭發出的聲束所覆蓋。同時，為了減輕鋼材料對檢驗結果的影響，本工藝通過設置兩組聚焦法則，利用縱波一次法覆蓋檢測區域。通過調整晶片數量、角度范圍以及掃查偏移等參數，形成一套能有效覆蓋以上各區域的檢測工藝；4） 檢驗結果。通過所開發工藝，對人工缺陷對比試塊進行掃查，從上述結果看出，相控陣檢測結果與加工尺寸相比，無漏檢情況發生，所開發的相控陣工藝技術能很好地應用于鋼工藝管線焊縫檢測中。

4 結語

綜上所述，為了能在無損傷的情況下快速解決以上檢測難點，對鎳基焊縫進行了超聲相控陣檢測研究，根據采用設計制作的相關試塊及檢驗工藝，使用相近陣超聲檢測及定位偏差修正技術對于鎳基焊縫使用傳統射線檢測的不足之處，實現了缺陷精確的定位、定量和定性。