奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的超聲相控陣檢測

   浙江至德鋼業(yè)有限公司介紹了奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的超聲相控陣檢測技術(shù)方案，闡述了檢測過程中相控陣探頭的關(guān)鍵參數(shù)選擇方法，并采用CIVA聲學(xué)仿真軟件對選擇探頭的聲場分布進(jìn)行模擬，最后通過對奧氏體不銹鋼自然缺陷試塊進(jìn)行檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明：手動超聲相控陣檢測技術(shù)能夠作為核電站奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫常規(guī)自動超聲檢測的有效補(bǔ)充。奧氏體不銹鋼以其優(yōu)良的抗腐蝕性、抗氧化性以及低溫韌性被廣泛應(yīng)用于核電站的管道系統(tǒng)中。由于長期處在高溫、高壓、高放射性和水流沖擊等環(huán)境中，奧氏體不銹鋼管道焊縫及其熱影響區(qū)容易出現(xiàn)腐蝕、疲勞裂紋、沖蝕等缺陷。為了保證核電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，核電站的在役檢查規(guī)范中都要求對奧氏體不銹鋼管道焊縫進(jìn)行超聲波檢查。

   為了保證檢查質(zhì)量，國內(nèi)核電站不銹鋼管道的超聲檢查一般采用常規(guī)自動超聲檢測技術(shù)。自動超聲檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多探頭數(shù)據(jù)采集，不僅提高了檢測效率，而且減少了人為因素造成的缺陷漏檢。但是該技術(shù)在核電站現(xiàn)場實(shí)施檢測時，由于設(shè)備、被檢對象和場地的限制，會出現(xiàn)缺陷漏檢。解決這些問題的傳統(tǒng)做法是采用常規(guī)手動超聲檢測進(jìn)行補(bǔ)充檢查，但是手動超聲檢測成像只是一維掃信號(幅值／時間)，奧氏體不銹鋼的粗大柱狀晶粒結(jié)構(gòu)會使得超聲波在傳播過程中產(chǎn)生較大的衰減和散射，造成聲束和衰減的各向異性以及聲束的偏轉(zhuǎn)，引起較高的本底噪聲而使得信噪比大幅度下降。因此采用常規(guī)手動超聲進(jìn)行檢查時，容易出現(xiàn)漏報(bào)誤報(bào)。

   超聲相控陣檢測技術(shù)是一種先進(jìn)的超聲檢查技術(shù)。相比常規(guī)超聲，相控陣超聲聲束靈活可控，其可在不改變探頭布置的前提下對檢測對象進(jìn)行多角度、多方位地掃查，并將信號顯示為直觀的扇掃圖像，從而降低了缺陷的漏檢率，提高了檢測的可靠性，已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的檢測中。目前，超聲相控陣技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于核電站的無損檢測中，如核電樅樹型汽輪機(jī)葉片的根部檢測]、核電設(shè)備貫穿件的焊縫檢測等。同時國內(nèi)也在對以橫孔為標(biāo)準(zhǔn)反射體的奧氏體不銹鋼焊縫中的體積型缺陷進(jìn)行超聲相控陣技術(shù)研究。但是由于較體積型缺陷，面積型缺陷的應(yīng)力更為集中，給安全帶來的危害更大。按照ASME規(guī)范第Ⅺ卷附錄Ⅷ中要求，奧氏體不銹鋼管道焊縫超聲檢測能力驗(yàn)證中，盲測試塊的設(shè)計(jì)缺陷應(yīng)為機(jī)械疲勞裂紋和穿晶應(yīng)力腐蝕裂紋或熱疲勞裂紋，至少75%的裂紋應(yīng)為穿晶裂紋或熱疲勞裂紋。浙江至德鋼業(yè)有限公司從核電站奧氏體不銹鋼管道焊縫相控陣檢測技術(shù)出發(fā)，針對奧氏體不銹鋼環(huán)焊縫中不同深度的面積型缺陷，設(shè)計(jì)了不同聚焦深度的探頭和楔塊，并將檢測結(jié)果同常規(guī)自動超聲檢測進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，手動超聲相控陣檢測技術(shù)能夠作為核電站奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫常規(guī)自動超聲檢測的有效補(bǔ)充。

一、奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫相控陣檢測技術(shù)

1. 相控陣探頭設(shè)計(jì)

   此不能使其晶粒細(xì)化。研究表明，橫波受奧氏體不銹鋼各向異性的影響較大，橫波聲束會在焊縫中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生類似缺陷的偽信號。因此，采用縱波探頭進(jìn)行奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的檢測時，可以獲得更好的聲束穿透性。為了避免楔塊或界面回波的影響，采用雙晶探頭可以有效降低噪聲信號的干擾。針對不同缺陷深度和不同管徑，至德鋼業(yè)設(shè)計(jì)了不同孔徑、不同頻率的兩種相控陣探頭，探頭的主要參數(shù)如表所示。其中2.25 MHz、孔徑為19mm×12mm的探頭主要用于較小管徑(254～457mm)管道環(huán)焊縫全體積掃查及定量，和較大管徑(558.7～787.4mm)管道環(huán)焊縫上部的掃查及定量: 1.5MHz、孑L徑為36mm×20mm的探頭主要用由于奧氏體不銹鋼在熱處理時不發(fā)生相變，因于較大管徑管道環(huán)焊縫中下部的掃查及定量。

2. 探頭楔塊設(shè)計(jì)及仿真

   設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為了保證楔塊聲束聚焦范圍，采用對于管道檢查，ASME規(guī)范要求以內(nèi)表面1/3 CIVA超聲仿真軟件對相控陣探頭和楔塊聲場進(jìn)行壁厚為檢查范圍，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷擴(kuò)展至1/3壁厚范圍仿真，相控陣探頭楔塊聲束覆蓋范圍的CIVA軟件仿以外時，需要對其他深度內(nèi)的缺陷進(jìn)行檢查。為了真結(jié)果如表所示。從表中可以看出，范圍的保證聲束在試塊內(nèi)全體積覆蓋，對于一定厚度的管聲場能夠覆蓋從管道上表面5～6mm到管道內(nèi)表面道，需要設(shè)計(jì)不同聚焦深度的楔塊。的范圍?？讖?6mmX20mm、1.5MHz、軸向聚焦深采用壁厚30mm，90mm的兩種規(guī)格管道作為試驗(yàn)度65mm的探頭楔塊聲場仿真如圖所示，從圖中可對象。CIVA超聲仿真軟件可以為檢測工藝參數(shù)的以看出，超聲波聲束較為集中，未出現(xiàn)較大的波動。

二、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果

1.設(shè)備及試塊

  采用Olympus Omniscan MX2型便攜式相控陣超聲檢測儀進(jìn)行試驗(yàn)，試塊為帶自然缺陷的奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊。試塊有A和B兩種規(guī)格，其中試塊A外徑為273mm、壁厚為30mm，試塊B的外徑為880mm、壁厚為90mm。試塊中缺陷均為平面型缺陷，缺陷類型為內(nèi)表面缺陷、外表面缺陷和埋藏缺陷。

2. 試驗(yàn)結(jié)果

   對試塊A和試塊B進(jìn)行相控陣檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷后，采用進(jìn)行測長，端點(diǎn)衍射法進(jìn)行測高。為了對比檢查結(jié)果，將相控陣的檢查結(jié)果同常規(guī)自動超聲的檢查結(jié)果，以及缺陷的設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。試塊A和試塊B的檢測結(jié)果如表所示。試塊A中某缺陷的相控陣檢測結(jié)果如圖所示。

   從檢測結(jié)果可以看出，采用超聲相控陣檢測技術(shù)，均可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)表面開口平面型缺陷、埋藏缺陷和外表面開口缺陷的檢測，相控陣探頭和楔塊能夠?qū)崿F(xiàn)聲波對被檢管道的全體積覆蓋。采用超聲相控陣技術(shù)的缺陷高度測量誤差在-3.8~1.4mm，缺陷長度誤差在-1~13mm，缺陷高度均方根誤差為1.7mm，滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)中高度均方根小于3.2mm的要求，長度均方根誤差為6.0mm，滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)中長度均方根小于19mm的要求；采用常規(guī)自動超聲檢查高度測量誤差在-2.5~0.8mm，長度測量誤差在-0.6~18mm，缺陷高度均方根誤差為1.5mm，長度均方根誤差為8mm。

  針對核電站的奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫，在某些不易于實(shí)現(xiàn)超聲自動掃測的部位，提出采用手動相控陣檢查技術(shù)替代常規(guī)超聲手動檢測。選用二維雙晶面陣探頭，并設(shè)計(jì)了不同聚焦深度的楔塊。利用CIVA仿真軟件進(jìn)行聲場仿真，模擬了相控陣探頭和楔塊的覆蓋范圍。最后對兩種規(guī)格含自然缺陷的奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：提出的手動超聲相控陣技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)試塊全體積缺陷的檢測和定量，定量結(jié)果符合ASME規(guī)范的要求。如果通過進(jìn)一步改進(jìn)，該技術(shù)可以推廣到核電站鐵素體管道焊縫和異種金屬管道環(huán)焊縫的檢測中。