主管道窄間隙焊縫相控陣與常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)比分析

張志鵬 陳 飛 歐陽(yáng)標(biāo) 李迎春

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢430223）

0 引言

主管道窄間隙自動(dòng)焊焊縫為粗晶奧氏體材料，晶粒組織不均勻，對(duì)超聲波具有強(qiáng)烈的衰減、散射、扭曲作用，因此，這類焊縫的超聲檢測(cè)存在很多技術(shù)上的難點(diǎn)。在國(guó)內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用中，通常采用常規(guī)超聲方法對(duì)窄間隙焊縫進(jìn)行檢測(cè)，如采用縱波、低頻檢測(cè)，通過(guò)寬頻帶窄脈沖探頭提高信噪比，利用多種深度的聚焦探頭實(shí)現(xiàn)全壁厚覆蓋。近年來(lái)，隨著相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)在核電廠的廣泛應(yīng)用，也為主管道窄間隙焊縫檢測(cè)提供了新的思路，本文根據(jù)窄間隙焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制訂一種相控陣檢測(cè)方案，通過(guò)試驗(yàn)與已經(jīng)廣泛應(yīng)用的常規(guī)檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)主管道窄間隙焊縫的檢測(cè)能力。

1 被檢對(duì)象介紹

主管道窄間隙自動(dòng)焊焊縫材料為奧氏體不銹鋼，坡口為V形和U形組合坡口，坡口底部寬度約7 mm，坡口單邊寬度≤10 mm。窄間隙焊縫壁厚最大可達(dá)95.7 mm，其檢測(cè)區(qū)域包括焊縫及兩側(cè)各10 mm熱影響區(qū)。窄間隙焊縫主要可能產(chǎn)生的缺陷包括晶間腐蝕、熱裂紋和疲勞裂紋等。

2 窄間隙焊縫常規(guī)超聲與相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)概述

2.1 常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)

為了使聲束在奧氏體不銹鋼中獲得更好的穿透力，對(duì)主管道窄間隙焊縫主要采用接觸式雙晶縱波探頭進(jìn)行檢測(cè)，采用低頻、寬帶、窄脈沖、不同焦距和不同晶片尺寸的探頭從外表面進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。檢測(cè)區(qū)域按厚度方向分為三層，分別利用不同的探頭進(jìn)行檢測(cè)，掃查表面以下0～30 mm為第一層；掃查表面以下20～60 mm為第二層；表面以下50 mm至底面范圍為第三層。窄間隙焊縫超聲檢測(cè)不同分層采用的探頭如表1所示。

表1 不同分層采用的探頭

2.2 相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)

相控陣超聲波探頭由多個(gè)晶片按照一定規(guī)律排列組成，晶片的激發(fā)時(shí)間可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，形成一定的延遲法則，從而實(shí)現(xiàn)聲束角度和焦點(diǎn)等參數(shù)控制，如圖2所示。相較于常規(guī)超聲技術(shù)來(lái)說(shuō)，相控陣技術(shù)可以采用一個(gè)探頭生成不同角度、不同聚焦深度的超聲波聲束，生成多角度的扇掃圖像。

圖2 相控陣檢測(cè)原理圖

結(jié)合常規(guī)檢測(cè)方法的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及相控陣檢測(cè)的特點(diǎn)，本文分別采用頻率為1 MHz和2 MHz的二維面陣相控陣探頭進(jìn)行窄間隙焊縫相控陣檢測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)分析。2 MHz探頭頻率較大，對(duì)于大壁厚區(qū)域的衰減增大，信噪比減小，因此，采用該探頭進(jìn)行近表面和中間區(qū)域的檢查。1 MHz探頭頻率較低，衰減較小，進(jìn)行中下部分區(qū)域的檢查。

3 信噪比對(duì)比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用DYNARAY相控陣和常規(guī)多通道檢測(cè)兩用超聲儀進(jìn)行試驗(yàn)，以對(duì)比試塊中的φ3.2 mm橫孔進(jìn)行信噪比測(cè)試。

3.2 常規(guī)超聲探頭信噪比測(cè)試

（1）針對(duì)近表面區(qū)域，采用頻率為2 MHz，角度為70°的近表面聚焦探頭，將深度為10 mm深的橫孔最大反射回波信號(hào)調(diào)至80%，信噪比測(cè)試結(jié)果如圖3（a）所示。

（2）針對(duì)近表面至中部區(qū)域，采用頻率為1.5 MHz，角度為的45°的淺焦探頭，將深度為20 mm深的橫孔最大反射回波信號(hào)調(diào)至80%，信噪比測(cè)試結(jié)果如圖3（b）所示。

（3）針對(duì)中部區(qū)域，采用頻率為1 MHz，角度為的45°中焦探頭，將深度為50 mm的橫孔最大反射回波信號(hào)調(diào)至80%，信噪比測(cè)試結(jié)果如圖3（c）所示。

（4）針對(duì)底部區(qū)域，采用頻率為1MHz，角度為的45°深焦探頭，將深度為70 mm的橫孔最大反射回波信號(hào)調(diào)至80%，信噪比測(cè)試結(jié)果如圖3（d）所示。

圖3 常規(guī)探頭信噪比測(cè)試信號(hào)

3.3 相控陣超聲探頭信噪比測(cè)試

根據(jù)探頭參數(shù)設(shè)置好相應(yīng)的扇掃聚焦法則，分別對(duì)試驗(yàn)試塊上不同深度的φ3.2mm橫孔進(jìn)行信噪比測(cè)試，2 MHz面陣探頭信噪比測(cè)試結(jié)果如圖4所示，1MHz面陣探頭信噪比測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖4 2MHz相控陣探頭信噪比測(cè)試信號(hào)

圖5 1 MHz相控陣探頭信噪比測(cè)試信號(hào)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

常規(guī)探頭及相控陣探頭信噪比試驗(yàn)詳細(xì)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 常規(guī)探頭及相控陣探頭信噪比測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果 dB

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行綜合分析總結(jié)如下：

（1）在近表面區(qū)域，2 MHz相控陣探頭信噪比要優(yōu)于1 MHz探頭，在底部區(qū)域，1 Mhz相控陣探頭信噪比要優(yōu)于2 MHz探頭，在中間區(qū)域，兩者信噪比相差不大；

（2）在近表面區(qū)域，相控陣探頭信噪比要明顯優(yōu)于常規(guī)探頭，在中間及底部區(qū)域，相控陣探頭及常規(guī)探頭的信噪比相差不大；

（3）對(duì)于常規(guī)檢測(cè)方法，最少要采用4種聚焦深度探頭才能覆蓋全壁厚檢測(cè)，而相控陣探頭可以設(shè)置不同的聚焦法則，采用2個(gè)探頭就能達(dá)到常規(guī)探頭的檢測(cè)效果，可以獲得更高的檢測(cè)效率。

4 結(jié)論與展望

本文通過(guò)相控陣與常規(guī)超聲檢測(cè)的信噪比對(duì)比試驗(yàn)，確定了主管道窄間隙焊縫實(shí)施相控陣檢測(cè)的可行性，在部分區(qū)域，相控陣探頭的試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)于常規(guī)探頭，而且相控陣可以利用較少的探頭實(shí)現(xiàn)較好的檢測(cè)效果，這對(duì)提高現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效率意義重大。通過(guò)進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，窄間隙焊縫相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以推廣到各核電現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，并逐步取代常規(guī)超聲檢測(cè)方法。