奧氏體復合材料壓力容器對接接頭的相控陣超聲檢測

王業民，楊 鵬，陳厭災，李 松

(中國石油天然氣第一建設有限公司, 洛陽 471023)

奧氏體復合材料鋼板制壓力容器在煉化設備中應用普遍，壓力容器筒體多為爆炸(機械)復合形式，其基層為碳素鋼和低合金鋼，復合層為奧氏體不銹鋼，焊縫填充形式為基層焊-過渡焊-復合層焊[1]。焊縫內部缺陷檢測時常采用射線檢測方法，射線檢測不但受射線束方向的影響，可能造成坡口未熔合和過渡層裂紋檢出率低，而且存在效率低、成本高、勞動強度大、工期長和輻射防護困難等不足。相控陣超聲檢測技術具有檢測靈敏度高、檢測效率高、勞動強度低、安全環保等特點。采用相控陣超聲技術對奧氏體鋼復合焊縫進行檢測時，受焊縫填充材料不同的影響，超聲波在工件中的傳播速度會不同，并產生聲束畸變，從而影響檢測結果的準確性[2]。

筆者通過優化相控陣超聲檢測聚焦法則，并通過試驗和應用結果制定出相控陣超聲檢測工藝方案，以為奧氏體復合材料壓力容器對接接頭檢測提供一種新的思路。

1 焊縫結構、焊接工藝及易產生缺陷分析

1.1 接頭結構

復合材料壓力容器對接接頭結構示意如圖1所示，接頭采用機械復合形式，基層為碳鋼或低合金鋼，復合層為奧氏體不銹鋼，坡口類型為V型，坡口角度為30°，無復合層區為焊縫中心兩側各5 mm區域。

圖1 復合材料壓力容器對接接頭結構示意

1.2 焊接工藝

焊縫填充方式為基層焊-過渡層焊-復合層焊。

焊接次序如圖2所示，具體步驟：① 用基層焊接材料進行基層填充焊接；② 在復合層側氣刨清根,進行滲透檢測；③ 用奧氏體鋼焊接材料進行過渡層填充焊接；④ 將過渡層焊縫余高打磨平；⑤ 用奧氏體鋼焊接材料進行復合層填充焊接；⑥ 打磨至與復合層同一平面[3]。

圖2 復合材料壓力容器對接接頭焊接次序示意

1.3 易產生缺陷分析

基層焊接部分易產生坡口未熔合、夾渣和氣孔等缺陷。

對于過渡層和復合層焊接部分，在過渡層填充時雙金交接處易產生未熔合缺陷，在過渡層和復合層焊縫熱影響區易產生裂紋缺陷。其原因為奧氏體鋼熱導率小，線膨脹系數大，在焊接局部加熱和冷卻凝固期間形成了較大的拉應力，在較大的拉應力作用下易產生熱裂紋[4]。

2 檢測技術

2.1 雙晶線陣縱波斜入射扇掃描相控陣超聲檢測技術

由于過渡層和復合層的填充材料為奧氏體鋼焊材，奧氏體鋼是各向異性材料，會造成聲波傳播性能發生改變；由于橫波在異種材料焊縫中傳播，聲速差可達到25%，聲束偏轉差可達到30°，比縱波產生更強的散射，信噪比更低，影響細小缺陷的檢出，不同探頭奧氏體焊縫中縱波和橫波聲場如圖3所示。

圖3 不同探頭奧氏體焊縫中縱波和橫波聲場示意

(1) 雙晶線陣相控陣探頭性能

雙晶線陣相控陣超聲探頭實物如圖4所示，其由兩組一維線性陣列組成，二維波束在深度方向(一個面)偏轉和聚焦，波束形狀呈橢圓形；采用一發一收工作模式，可減少界面回波，提高分辨率和較小缺陷的檢出率；適用于檢測厚度為180 mm的碳鋼和奧氏體鋼材料[5]。

圖4 雙晶線陣相控陣超聲探頭實物

(2) 試驗條件

測試對象為厚度為44+3 mm的奧氏體鋼材料機械復合焊縫對比試塊；人工反射體為φ2 mm×40 mm(直徑×長度，下同)橫通孔；儀器型號為HSPA20-Fe；探頭為MA5-32×2-0.8×8-5°(屋頂角為5°)型雙晶線陣相控陣超聲探頭；楔塊型號為SD22-55L(斜面角度為18.9°)。

(3) 試驗結果

使用碳鋼對比試塊對相控陣檢測系統進行調校和制作TCG(深度補償)曲線后(基準靈敏度為19.7 dB)，在基層側分別對埋藏深度為44,34,27 mm的φ2 mm×40 mm橫通孔進行識別和深度測試，橫通孔均可清晰識別，顯示深度分別為44,34.2和27.2 mm，波幅高度為滿屏的56%,68%,71%，雙晶線陣探頭縱波檢測結果如圖5所示。由結果可知雖然缺陷波幅在檢測范圍內有所下降，但是采用雙晶線陣縱波相控陣超聲檢測技術，仍可滿足奧氏體復合材料焊縫的過渡層和復合層部分檢測的需要。 在實際檢測時應使用奧氏體鋼材料機械復合焊縫對比試塊進行設備調校，筆者使用碳鋼對比試塊，是為了驗證復合層對信號衰減程度的影響。

圖5 雙晶線陣探頭縱波檢測結果

2.2 橫波斜入射一次反射法和直射法扇掃描相控陣超聲檢測技術

復合材料焊縫基層填充材料的聲學性能與基材材料的聲學性能基本一致，超聲波在基層傳播衰減小，并且復合材料復合層屬于爆炸復合，透聲性較好。由于橫波檢測分辨率較高，文章采用試驗來驗證橫波一次反射法和直射法對奧氏體鋼復合材料焊縫基層部分檢測的可靠性。

2.2.1 試驗設定

(1) 試驗1:在基層側采用橫波一次反射法進行檢測，分析橫波在復合層界面能否產生反射波，能否實現基層焊縫全覆蓋檢測。

(2) 試驗2：在復合層側采用橫波直射法與一次反射法進行檢測，分析橫波能否透過復合層對基層焊縫進行檢測。

2.2.2 試驗條件

(1) 試驗1：測試對象為低碳鋼焊縫對比試塊以及厚度為(44+3) mm的奧氏體鋼材料機械復合對比試塊，人工反射體為φ2 mm×40 mm橫通孔。儀器型號為HSPA20-Fe；探頭為5L-64-A32-0.75×10型一維線陣相控陣超聲探頭(見圖6)；楔塊型號為SA32-N55S(斜面角度為35°)。

圖6 一維線陣相控陣超聲探頭實物

(2) 試驗2：測試對象為低碳鋼焊縫對比試塊以及厚度為(44+3) mm的奧氏體鋼材料機械復合對比試塊，人工反射體為φ2 mm×40 mm橫通孔。儀器型號為HSPA20-Fe；探頭為5L-64-A32-0.75×10型一維線陣相控陣超聲探頭；楔塊型號為SA32-N55S(斜面角度為35°)。

2.2.3 試驗方法

(1) 試驗1：在CSK-ⅠA標準試塊上對相控陣設備進行調試，利用CSK-ⅡA對比試塊進行一次反射法檢測TCG校準。此時碳鋼試塊上各點顯示的A掃信號波幅均為80%滿屏高度，記錄其靈敏度值。然后在厚度為(44+3) mm的奧氏體鋼材料機械復合對比試塊基層側采用橫波一次反射波分別對深度為35,24,5 mm的φ2 mm×40 mm橫通孔進行識別和深度測試并記錄各點波幅達到80%時的靈敏度。

(2) 試驗2：在CSK-ⅠA標準試塊上對相控陣設備進行調試，利用CSK-ⅡA對比試塊分別進行直射法與一次反射法檢測TCG校準。此時碳鋼試塊上各位置橫通孔顯示的A掃信號波幅均為80%滿屏高度，記錄其靈敏度值。然后在復合層側采用橫波直射法和一次反射法分別對深度為12,23,42 mm的φ2 mm×40 mm橫通孔進行識別和深度測試，并記錄各點波幅值。

2.2.4 試驗結果

(1) 試驗1:經擬定方法對相控陣檢測系統調校和TCG曲線制作后(基準靈敏度為23.5 dB)，在基層側使用橫波一次反射法對復合材料對比試塊進行檢測，對比試塊上各孔顯示深度分別為59.44,71.76,89.89 mm,對檢測靈敏度進行調節使各點波幅達到80%時各點對應的靈敏度為41.5,39.5,34.5 dB。基層側橫波一次波反射法測試位置和檢測結果如圖7所示。

圖7 基層側橫波一次波反射法測試位置和檢測結果

由試驗結果可知，在基層側進行檢測時,橫波可以穿過復合層并在復合層上形成反射，相比純碳鋼試塊，檢測靈敏度降低了10 dB以上，表明復合層對橫波的衰減現象依然非常嚴重，但是通過提高靈敏度依然可清晰顯示人工反射體缺陷。

(2) 試驗2:相控陣檢測系統經擬定的試驗方法調校和TCG曲線制作后(基準靈敏度為22 dB)，在復合層側采用橫波直射法對復合材料制對比試塊進行檢測，對比試塊上各孔顯示深度分別為14.05,24.28,41.8 mm，對檢測靈敏度進行調節使各點波幅達到80%時各點對應的靈敏度為35.7,32.7,26.7 dB，復合層側橫波直射法測試位置和檢測結果如圖8所示。

圖8 復合層側橫波直射法測試位置和檢測結果

按相控陣檢測系統經擬定的方法進行調校和TCG曲線制作后(基準靈敏度為19.7 dB)，在復合層側采用橫波一次反射法對復合材料對比試塊進行檢測，對比試塊上各孔顯示深度分別為82.65,72.19,52.84 mm，在基準靈敏度檢測條件下其顯示波幅高度分別為滿屏的17.3%,51.2%,48.8%，試驗結果如圖9所示。

圖9 復合層側橫波一次反射法測試位置和檢測結果

由試驗結果可知，在復合層側采用橫波直射法和橫波一次反射法對基層焊縫進行檢測時，通過調節靈敏度、直射橫波和一次反射橫波都可以穿過復合層并清晰顯示出人工反射體缺陷。發現越靠近復合層部位的缺陷越是難以檢出，表明復合層對聲波的衰減作用明顯，而穿過復合層后，在遠離復合層的區域檢測靈敏度則提高很多；而且在復合層側使用橫波對基層焊縫檢測時橫波一次反射法檢測效果更好。在檢測時使用復合材料焊縫對比試塊進行設備調試更有利于缺陷的檢出。

3 檢測工藝與驗證

3.1 掃查方法

3.1.1 橫波一次反射法扇掃和縱波斜入射扇掃組合

該方法適用于基層厚度640 mm的焊縫檢測，使用焊縫雙側對稱掃查模式。

(1) 在容器外壁基材側或容器內壁復合層側，采用一維線陣橫波一次波反射法相控陣超聲檢測技術對基材焊層部分進行檢測[見圖10(a)]。

(2) 在容器外壁基材側，采用低頻雙晶線陣縱波斜入射扇掃描直射法相控陣超聲檢測技術對過渡層和復合層焊層部分進行檢測[見圖10(b)]。

圖10 基層厚度640 mm的焊縫橫波與縱波扇掃描組合檢測示意

3.1.2 橫波直射法+一次反射法扇掃和縱波斜入射扇掃組合

對于基層厚度大于40 mm的焊縫檢測，可按照標準NB/T 47013.15 《承壓設備無損檢測 第15部分：相控陣超聲檢測》 中表19和表25的要求進行檢測方法的選擇。根據上文試驗結果，對于厚度較大的工件推薦使用如下組合檢測方案，可較好地實現全覆蓋檢測。

(1) 在容器外側基層側采用低頻雙晶線陣縱波斜入射扇掃描相控陣超聲檢測技術對過渡層和復合層焊層部分進行檢測[見圖11(a)]。

(2) 在容器外壁采用橫波直射法對基材焊層的下半部分進行檢測[見圖11(b)]；在容器內壁復合層側采用橫波一次反射法對基材焊層的上半部分進行檢測[見圖11(c)]。

圖11 基層厚度大于40 mm焊縫的橫波與縱波組合檢測示意

3.2 檢測系統

3.2.1 檢測儀器

選用發射接收通道數為64128，支持一維雙晶線陣探頭聚焦法則設置功能的相控陣超聲檢測儀器(如HS-PA20-Fe型)。

3.2.2 掃查裝置

選用可同時對稱安裝兩個探頭的手動掃查裝置。

3.2.3 探頭及楔塊

(1) 探頭：選用4～10 MHz一維線陣探頭對基層填充焊部分檢測，選用2～5 MHz雙晶線陣探頭；對過渡和復合層焊縫部分檢測。一維線陣探頭頻率激發孔徑選擇對照如表1所示。

表1 一維線陣探頭頻率激發孔徑選擇對照

(2) 楔塊：基層填充焊部分檢測，選擇與探頭規格相匹配的橫波楔塊，角度為45°,50°,55°和60°；過渡和復合層焊縫部分檢測，選擇與探頭規格相匹配的縱波楔塊，角度為50°～55°。

3.2.4 試塊

(1) 標準試塊：選擇材料為20鋼和奧氏體鋼的PAUT-ⅠA(CSK-ⅠA)試塊。

(2) 對比試塊：選擇復合形式、材料、規格、坡口參數及焊接工藝與被檢焊縫相同的焊縫比對試塊，反射體類型和位置如表2所示，對比試塊結構如圖12所示。

表2 對比試塊反射體類型和位置

圖12 對比試塊結構示意

3.2.5 耦合劑

以水作為耦合劑，使用噴壺人工噴灑或電動水泵自動噴灑。

3.3 工藝驗證試驗

采用制定的相控陣超聲檢測技術工藝，對規格為290 mm×400 mm×(24+3) mm(長×寬×高)的奧氏體復合焊縫缺陷模擬試塊進行工藝驗證試驗。

試驗結果如表3所示，可見，應用該工藝進行相控陣超聲檢測，可清晰發現焊縫中的所有缺陷，檢測準確率高，測量精度高，由此表明制定的奧氏體復合壓力容器筒體對接焊縫相控陣超聲檢測工藝是可行的。奧氏體復合焊縫射線檢測底片如圖13所示，奧氏體復合焊縫相控陣超聲檢測結果如圖14所示。

圖13 奧氏體復合焊縫射線底片(工藝驗證試驗)

圖14 奧氏體復合焊縫相控陣超聲檢測結果(工藝驗證試驗)

表3 工藝驗證試驗結果mm

4 實際應用

采用制定的奧氏體鋼復合壓力容器筒體焊縫相控陣檢測工藝方案，對中油一建石化設備廠制造的一臺奧氏體鋼復合常二中油收集罐筒體環焊縫進行檢測。該容器編號為2101-D-1006 ，材料為S31603/Q245R，規格為φ3 100 mm×9 000 mm×(3+14) mm(直徑×長度×壁厚)，坡口形式為V型。相控陣超聲檢測累計檢測焊縫長度48 m，累計發現缺陷11處，其中超標缺陷6處；射線檢測拍攝底片185張，累計發現缺陷9處，其中超標缺陷4處。射線檢測未發現的兩處超標缺陷判定為層間未熔合(見圖15)。通過對比試驗可以看出，相控陣超聲檢測對于面積型缺陷檢出率更高，而射線檢測對于缺陷厚度差小的面積性缺陷檢測效果不佳且容易

圖15 層間未熔合缺陷相控陣超聲檢測及現場解剖結果(實際應用)

造成漏檢。

5 結語

對壓力容器對接接頭焊縫結構及超聲波在不同材料中的傳播特性進行分析，使用一維線陣橫波和雙晶線陣縱波相控陣超聲檢測組合工藝，可實現奧氏體復合材料壓力容器對接接頭的全截面檢測。此外通過與射線檢測結果的比對，證明了相控陣超聲檢測技術的可靠性，且該技術的檢測效率及缺陷檢出率更高，更加有利于實現數據共享、在線分析，值得推廣應用。