奧氏體不銹鋼小徑管焊接接頭的相控陣超聲檢測

齊高君, 岳大慶, 張 勇, 王敬昌, 丁成海

(1.山東豐匯工程檢測有限公司, 濟南 250200；2.山東省特種設備協會相控陣超聲檢測技術應用研究中心, 濟南 250200)

奧氏體不銹鋼具有耐高溫、耐腐蝕的特性，且具備優良的工藝性能，因此被廣泛應用于火力發電機組的高溫、高壓管道系統中[1-2]。以一臺百萬千瓦的火力發電機組為例，僅鍋爐受熱面安裝工程就約有一萬個不銹鋼小徑管焊接接頭。不銹鋼材料管道運行環境惡劣，常用在末級過熱器、末級再熱器等核心系統中，其焊接質量直接影響機組的安全運行，是機組的重點檢驗和監測部位。

目前，奧氏體不銹鋼小徑管焊接接頭的無損檢測主要采用射線檢測法和常規超聲檢測法進行。射線檢測存在輻射危害，安全風險大，檢測成本高，對工期影響較大，并且在檢測密集管排、壁厚大于10 mm的管道焊接接頭時，其透照工藝通常無法滿足標準要求，技術局限性尤為明顯。奧氏體不銹鋼焊縫具有晶粒粗大、不均勻，聲學各向異性等特點。超聲波在各向異性焊縫中傳播時，會發生畸變、分離和傳播路徑的變化，進而產生較大的衰減和散射，直接影響超聲檢測的靈敏度和精度[3-4],并且小徑管曲率較大，現場檢測時雜波多、信噪比差，因此，奧氏體不銹鋼小徑管焊接接頭的無損檢測一直是業內公認的技術難題。

針對外徑為32～100 mm，壁厚為4～20 mm的奧氏體不銹鋼小徑管焊接接頭，制定了完善的相控陣超聲檢測技術方案和工藝流程。該檢測工藝流程是從試塊制作、檢測設備選擇、工藝參數優化、儀器校調、檢測靈敏度設定、檢測實施到數據評定的全流程。為達到最優的檢測效果，該工藝將壁厚范圍細分成3個區間，分別為：4～8 mm；8～12 mm；12～20 mm。不同厚度區間使用的探頭、對比試塊、靈敏度調節工藝均不同。通過檢測試驗和現場應用，驗證了檢測工藝的可靠性，具有一定的推廣應用價值。

1 檢測系統及原理

1.1 檢測系統構成

相控陣超聲檢測系統主要由檢測主機、探頭、楔塊、掃查裝置、試塊等組成(見圖1)。

圖1 相控陣超聲檢測系統組成

檢測儀器選用以色列ISONIC PA STAR型32通道相控陣超聲檢測儀，探頭選用小徑管專用自聚焦線陣探頭和雙線陣TRL(雙晶縱波)小徑管探頭，探頭楔塊的曲率和被檢小徑管的曲率相匹配，掃查裝置選用小型可拆卸鏈式掃查裝置。

檢測試塊包括標準試塊、對比試塊、模擬試塊等3類。標準試塊包括相控陣A型、B型試塊，用于儀器的調試、校準。對比試塊包括R50半圓試塊、直孔對比試塊、橫孔對比試塊等。半圓試塊用于角度增益補償曲線的制作，直孔、橫孔對比試塊用于DAC(距離-波幅)曲線的制作。焊接缺陷模擬試塊主要用于掃查靈敏度的確定和檢測工藝的驗證。

1.2 檢測原理

圖2 相控陣檢測儀多視圖成像示例

2 對比試塊的設計制作

2.1 R50半圓試塊

根據被檢奧氏體不銹鋼小徑管材料，機加工制作同材料的R50半圓校準試塊，試塊結構如圖3所示，試塊厚度為30 mm。相同材料的被檢工件均可使用該試塊進行聲速校準和角度增益修正。

圖3 R50半圓試塊結構示意

2.2 直孔對比試塊

當使用相控陣超聲檢測小徑薄壁管時，采用直孔進行距離-波幅曲線制作的檢測靈敏度明顯高于采用橫孔制作的檢測靈敏度，并且管壁越薄靈敏度增加得越多，管壁越厚靈敏度增加得越少，其具有自補償特點[6]，且使用直孔反射體制作靈敏度曲線，能提高小徑管相控陣超聲檢測的精度，所得的檢測結果也會更加真實、有效。當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為4～8 mm時，選取與被檢小徑管規格、材料相同的兩段管道，并采用相同的焊接工藝進行焊接。焊接完成后，在焊縫水平中心位置垂直于管壁方向加工φ2 mm直通孔，得到直孔對比試塊(見圖4，T為管道壁厚)。

圖4 直孔對比試塊結構示意

2.3 橫孔對比試塊

圖5 橫孔對比試塊結構示意

當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為8～20 mm時，對比試塊為中間位置設置有焊接接頭的橫孔試塊，其結構如圖5所示。試塊材料與被檢管道的相同，焊接接頭材料和焊接工藝與被檢焊接接頭的相同。對比試塊長為200 mm，寬為25 mm，高度大于被檢管道壁厚的2倍；對比試塊上、下表面加工成弧面，曲率與被檢管道曲率相同；對比試塊焊接接頭位置加工多個φ2 mm橫通孔，橫通孔與試塊上表面的距離依次為4,8,12,16,20 mm，根據試塊高度可適當減少橫通孔數量。

3 檢測流程和主要檢測工藝

3.1 檢測流程

檢測流程為:① 測定被檢小徑管材料，制作相同材料的R50半圓校準試塊；② 根據被檢焊接接頭規格、材料、坡口參數、焊接工藝，制作對比試塊和缺陷模擬試塊；③ 將缺陷模擬試塊沿中軸線剖切，均分成2個半圓管段，對焊接接頭剖切面進行宏觀金相組織分析；④ 基于宏觀金相組織建立各向異性模型，利用射線追蹤法對超聲波在該模型中的傳播進行計算，通過CIVA仿真軟件確定聲束最佳入射角度；⑤ 選擇探頭、楔塊，連接相控陣儀器，檢查儀器外觀、接口連接、按鍵等工況是否良好；⑥ 使用R50半圓試塊進行聲速校準和角度增益修正；⑦ 根據焊接接頭結構參數，在儀器中建立焊接接頭模型，設置檢測參數、聚焦法則；⑧ 選擇相應的對比試塊制作距離-波幅曲線，設置檢測靈敏度；⑨ 驗證檢測工藝，確認現場掃查靈敏度；⑩ 組裝掃查裝置并與相控陣檢測儀相連，校準掃查裝置編碼器；確定檢測區域，對焊接接頭兩側掃查面進行表面處理，設定檢測標識；施加耦合劑，移動掃查裝置在焊接接頭單面雙側進行沿線掃查，儲存檢測數據；對檢測數據進行分析與評定。

3.2 缺陷模擬試塊制作

取與被檢小徑管同規格、材料的兩段管道，采用相同的焊接工藝制作缺陷模擬試塊，在該試塊內部制作裂紋、未焊透、未熔合及φ2 mm圓形缺陷，4個缺陷在焊接接頭周向均勻分布，并滿足在厚度方向的上、中、下處均有分布。

將制作的缺陷模擬試塊沿中軸線剖切成2個外形相同的半圓管段。剖切時需要避開人工缺陷位置，防止破壞人工缺陷的完整性。剖切缺陷模擬試塊的目的是獲得焊接接頭剖切面金相組織，用于優化設計檢測工藝，并且剖切后形成的2個半圓管段依然可以用于檢測工藝驗證和現場掃查靈敏度的確認。

本次勘探的目的有兩個，第一是通過雷達探測查明滑坡段的滑體厚度及地下地質環境分布，第二是通過對該區域的精細探測和解譯，查明區域內地下地質缺陷的分布及特征。綜合現場調查探測及室內數據解譯和分析，對該滑坡的規模、滑體厚度及失穩機制做出判定，為后續的防災治理工作提供可靠的依據。

3.3 CIVA仿真

對缺陷模擬試塊的焊接接頭剖切面進行宏觀金相組織分析，將焊縫中晶粒取向相近的區域看作一個均勻區域，把整個焊縫分成多個各向異性區域，建立各向異性模型，基于該模型,運用射線追蹤法計算超聲波在該模型中的傳播路徑[7]。

根據試樣的坡口形式和焊縫結構參數,通過CIVA 仿真軟件構建仿真模型(見圖6),將相關參數輸入至仿真軟件中,進行仿真模擬，確定最佳的聲束入射角度，即扇掃中心角度。

圖6 CIVA構建的焊縫仿真模型

3.4 探頭選擇

當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為4～8 mm時，采用5S16-0.5×10-D10型或4S16-0.5×10-D10型自聚焦探頭；當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為8～12 mm時，采用4S16-0.5×10-D10型或2.5S16-0.5×10-D10型自聚焦探頭；當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為12～20 mm時， 采用5DL16-12×5-A25型或4DL16-12×5-A25型雙線陣小徑管探頭。相控陣探頭技術條件符合JB/T 11731-2013標準要求，并選擇與相控陣探頭外殼型號相匹配的楔塊進行組合，楔塊曲率與被檢小徑管曲率相吻合，楔塊邊緣與被檢工件接觸面的間隙不大于0.5 mm。

3.5 儀器系統校準

連接探頭與儀器，檢查儀器設備外觀、線纜接頭、儀器按鍵、屏幕等是否正常，確保工況良好。將探頭置于R50半圓試塊上平面的中心位置，前后移動探頭找到最高回波，校準儀器聲速使最高回波聲程顯示值為50 mm。然后將探頭置于R50半圓試塊的上平面中心位置，前后移動探頭依次找到各角度聲束的最高回波，逐一進行角度增益修正，使各角度聲束反射體回波幅值近似相同，制作角度增益修正曲線。

3.6 聚焦法則設置

根據焊接接頭的結構參數，在儀器中建立焊接接頭模型，根據CIVA仿真結果設置相應的檢測參數及聚焦法則。當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為4～8 mm時，采用橫波多次反射法(即二次波與三次波分開設置的聚焦法則進行檢測)，二次波檢測焊接接頭中上部，三次波檢測焊接接頭的中下部；當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為8～12 mm時，采用橫波一次反射法，即一次波和二次波同時設置的聚焦法則進行檢測，一次波檢測焊接接頭的中下部，二次波檢測焊接接頭的中上部；當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為12～20 mm時，采用雙晶縱波斜入射，一發一收模式進行檢測。

3.7 檢測靈敏度設置

(1) 當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為4～8 mm時，選用直孔對比試塊制作距離-波幅曲線。移動探頭用二次波測量直通孔反射體的上端部，將上端部最高反射波波幅調整至滿屏的80%，儀器記錄下第一點。移動探頭用三次波測量直通孔反射體的下端部，找到下端部的最高反射波，儀器記錄下第二點。兩點連線形成距離-波幅曲線的基準線。

(2) 當被檢奧氏體不銹鋼小徑管壁厚為8～20 mm時，選用橫孔對比試塊制作距離-波幅曲線。移動探頭測量深度為4 mm的φ2 mm橫通孔，找到該反射體的最高回波并將波幅調整至滿屏的80%，儀器記錄下第一點。依次測量不同深度的橫通孔，找到各自的最高回波，儀器記錄下相應的波高位置。依次連接各點形成距離-波幅曲線基準線。

(3) 該檢測工藝的距離-波幅曲線僅由評定線和定量線組成，不同管壁厚度的距離-波幅曲線靈敏度如表1所示。考慮到工件表面耦合損失、材料衰減以及內外曲率的影響，檢測時應對檢測靈敏度進行傳輸損失綜合補償，綜合補償量應計入距離-波幅曲線。

表1 不同管壁厚度距離-波幅曲線靈敏度 mm

3.8 檢測工藝驗證

取剖切后的缺陷模擬試塊，將擬采用的檢測工藝應用到模擬試塊上，工藝驗證試驗結果應能清楚地顯示和測量模擬試塊中的缺陷或反射體，否則需重新校準儀器，調整工藝參數。工藝驗證同時確定掃查靈敏度，以能清晰地顯示和測量出模擬試塊中的缺陷或反射體時的增益作為現場掃查靈敏度。

3.9 掃查裝置組裝調試

掃查裝置選用小型可拆卸鏈式掃查裝置(見圖7)，便于實現現場密集管排焊接接頭相控陣檢測。根據被檢小徑管外徑尺寸選擇相應數量的組件，依次連接編碼器和掃查裝置組件，編碼器信號線接頭與相控陣檢測儀連接。平穩轉動掃查裝置使編碼器移動一定的距離，校準編碼器使相控陣檢測儀顯示的位移與實際位移相同，允許存在小于1%的校準誤差。編碼器校準完畢后將相控陣探頭安放在掃查裝置的探頭支架中，加以固定。

圖7 可拆卸鏈式掃查裝置結構示意

3.10 檢測實施

檢測區域高度為工件厚度，檢測區寬度為焊縫及其熱影響區的寬度和。焊接接頭兩側掃查面寬度不小于60 mm。對整個掃查區域進行打磨處理，去除影響探頭移動和耦合的雜物。標記掃查的起始點、掃查方向、掃查參考線，所有標記應對掃查無影響；所述掃查參考線是距焊縫邊緣或焊縫中心一定距離的線條標記，距焊縫邊緣或焊縫中心的距離與儀器聚焦法則中設定的探頭平移距離相同。

在焊縫兩側分別掃查或雙側同時掃查，若因條件限制只能從焊接接頭的一側掃查時，應采用不同的聚焦法則，設置不同的探頭位置及角度掃查范圍進行檢測，確保檢測區域的全覆蓋。掃查時應保證掃查速度小于300 mm·s-1，同時應保證耦合效果，掃查停止位置應越過起始位置至少30 mm,完成掃查后及時保存檢測數據。

4 數據分析與評定

(1) 分析檢測數據之前應對所采集的數據進行評估以確定其有效性，有效檢測數據應具備以下特征：采集的數據量滿足所檢測焊縫長度的要求；數據丟失部分不得超過整個掃查長度的5%，且不允許相鄰數據連續丟失；掃查圖像中耦合不良的長度不得超過整個掃查長度的5%，單個耦合不良的長度不得超過2 mm。

(2) 數據分析采用先定性后定量的方法，首先對檢測數據進行整體分析，排除偽缺陷。

(3) 根據焊接接頭的規格參數、焊接缺陷的特征，結合相控陣典型缺陷圖譜，逐一對缺陷顯示進行定性分析。缺陷性質分為裂紋、未熔合、未焊透、條形缺陷、圓形缺陷等。5種典型缺陷的相控陣超聲檢測圖譜如圖8所示。

圖8 5種典型缺陷的相控陣超聲檢測圖譜

(4) 缺陷位置測定以獲得缺陷最大反射波的位置為準。缺陷的長度測定可選用以下方法：當缺陷反射波只有一個高點，且位于定量線以上時，用-6 dB法測量其指示長度；缺陷反射波峰值起伏變化，有多個高點，且位于定量線以上時，應以端點-6 dB法測量其指示長度；當缺陷的最大反射波幅位于評定線以上定量線以下時，使波幅降到評定線，用評定線絕對靈敏度法測量其指示長度[8]。

(5) 根據缺陷性質以及缺陷的大小，缺陷評定為允許和不允許存在兩類，也可按合同雙方協定要求或參照其他相關驗收標準進行質量評定。該工藝將裂紋、未熔合、未焊透缺陷評定為不允許；允許的圓形缺陷、條形缺陷的長度(L)規定如表2所示。

表2 焊接接頭允許的缺陷長度 mm

5 檢測實例

5.1 實例1

試樣規格為φ60 mm×4 mm(直徑×壁厚，下同)，材料為316奧氏體不銹鋼，焊接方法為GTAW(鎢極惰性氣體保護焊)，試樣編號為D2。

5.1.1 射線檢測

D2試樣首次透照底片如圖9所示，通過評定發現6點位置存在長為16 mm的未熔合缺陷，其他區域未見可評級缺陷。將管件翻轉90°后重新透照成像，得到圖10所示的底片，發現6點位置有一處長為15 mm的裂紋缺陷，其余未見可評級缺陷。

圖9 D2試樣射線檢測底片(首次透照)

圖10 D2試樣射線檢測底片(翻轉90°)

5.1.2 相控陣超聲檢測

圖11 D2試樣A側掃查數據

圖12 D2試樣B側掃查數據

掃查方式為單面雙側掃查，A側掃查數據如圖11所示，經數據評定，存在一處裂紋缺陷，長為15.6 mm，判定為不允許；B側掃查數據如圖12所示，經數據評定，存在一處未熔合缺陷(長為17.8 mm)，判定為不允許。

5.2 實例2

試樣規格為φ48 mm×10 mm，材料為304奧氏體不銹鋼，焊接方法為GTAW，試樣編號為B1。

5.2.1 射線檢測

B1試樣首次透照底片如圖13所示，通過評定發現9點位置存在一處φ2 mm氣孔，其他區域未見可評級缺陷。將管件翻轉90°后重新透照成像，得到圖14所示的底片，發現6點位置存在未熔合缺陷(長為13 mm)，其余未見可評級缺陷。

圖13 B1試樣射線檢測底片(首次透照)

圖14 B1試樣射線檢測底片(翻轉90°)

5.2.2 相控陣超聲檢測

圖15 B1試樣A側掃查數據

圖16 B1試樣B側掃查數據

掃查方式為單面雙側掃查，A側掃查數據如圖15所示，經數據評定，存在1處圓形缺陷(長為3 mm)，判定為允許；B側掃查數據如圖16所示，經數據評定，存在1處未熔合缺陷(長為10.6 mm)，判定為不允許。

5.3 結果分析

通過與射線檢測結果對比，發現采用相控陣超聲檢測工藝判定的缺陷性質、位置信息與射線檢測結果相吻合，缺陷測長信息略有差別。相控陣超聲檢測工藝對圓形缺陷和裂紋缺陷的測量長度略大于射線檢測的，主要原因是相控陣超聲檢測數據存在像素概念，常見檢測儀的最小像素測長普遍不小于1 mm，對于長徑小于3 mm的缺陷測量誤差相對較大。該實例的裂紋測長結果，反映了相控陣檢測技術對于裂紋缺陷的檢測靈敏度要高于射線檢測技術的。

6 結語

該檢測工藝針對奧氏體不銹鋼小徑管相控陣檢測的難點，制定了多項應對措施。根據不同壁厚的檢測特點劃定了3個厚度區間，使用不同的探頭、對比試塊和靈敏度設定方案，提高了檢測工藝的適用性；通過制作缺陷模擬試塊，一方面利用組織分析及CIVA仿真軟件優化工藝參數，另一方面為檢測工藝驗證提供了參考，進一步提高了檢測精度。采用射線檢測技術進行了對比試驗，試驗結果驗證了該檢測工藝的可靠性和檢測精度。