8.0mm厚奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫的超聲波檢測

  浙江至德鋼業(yè)有限公司通過用超聲波縱波垂直入射、傾斜入射兩種方法來分析8.0mm奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫柱狀組織對(duì)超聲波的衰減過程和影響因素，并采取適當(dāng)措施進(jìn)行超聲波檢測的可行性分析。

 尿素合成塔是化肥裝置的關(guān)鍵設(shè)備。某廠尿素合成塔自2001年2月發(fā)生第一筒節(jié)泄漏事故，當(dāng)時(shí)8.0mm厚的316L不銹鋼襯里層板對(duì)接焊縫被甲銨液腐蝕穿，上封頭與第一筒節(jié)的對(duì)接焊縫以及第一層板的不銹鋼母材區(qū)還多處存在不同深度和寬度的腐蝕坑。經(jīng)過搶修及年度大修，雖然消除了腐蝕損壞碳鋼筒體的宏觀泄漏，但在開車運(yùn)行一年的過程中，一直存在著微細(xì)的滲漏，這種滲漏在常規(guī)的0.5MPa壓力下氨試漏查不出來，而在19.6MPa工作壓力下卻會(huì)產(chǎn)生。用化學(xué)方法定量分析，每24小時(shí)最大漏氨量為260克，這說明該筒節(jié)不銹鋼襯里層板存在不致密性的缺陷，這個(gè)不安全因素時(shí)刻危及塔體的安全。

 基于上述原因，2002年11月對(duì)第一筒節(jié)舊襯里進(jìn)行全部更換。新襯里對(duì)接焊縫雖然沒有強(qiáng)度指標(biāo)，但對(duì)致密性的要求很高，不允許焊縫有裂紋、未熔合、未焊透、密集氣孔、嚴(yán)重收縮溝等缺陷。為保證良好的焊縫質(zhì)量，除了有可靠的焊接工藝和過硬的焊工施焊之外，還需要通過對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測，從而最終達(dá)到對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)和控制的目的。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，對(duì)接焊縫無法進(jìn)行射線檢測，其它表面檢測方法也不能滿足要求。目前還沒有現(xiàn)成的不銹鋼對(duì)接焊縫超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文試圖用超聲波縱波垂直入射、傾斜入射兩種方法來分析奧氏體不銹鋼柱狀組織對(duì)超聲波的衰減過程和影響因素，并采用適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行超聲波檢測的可行性分析，從而達(dá)到檢出缺陷的目的。

一、焊縫結(jié)構(gòu)型式及焊接參數(shù)

  1. 焊縫結(jié)構(gòu)型式

  新襯里板之間的縱向和環(huán)向?qū)雍缚p帶有30×2mm墊板，而上、下兩面對(duì)接環(huán)焊縫的墊板是在其原環(huán)焊縫的不銹鋼堆焊層上打磨出來的，寬度10-15mm，厚度約2mm。焊縫為單V60度坡口，間隙2mm。

  2. 焊接參數(shù)

  所有對(duì)接焊縫采用氬弧焊打底，中間兩道電焊，上層氬弧焊蓋面。氬弧焊采用直徑2mm的25-22-2焊絲，焊接電流80~90A，氬氣流量9~12升/分，蓋面時(shí)力求焊波均勻光滑，手工電弧焊采用直徑3.25mm的25222焊條，焊接電流80~100A，在保證焊透的基礎(chǔ)上，盡量采用較小的電流強(qiáng)度。

二、奧氏體組織的超聲衰減分析

  奧氏體組織超聲波檢測的主要難點(diǎn)是如何解決超聲波衰減的問題。對(duì)奧氏體組織來講，超聲波衰減最主要的原因是晶粒組織的散射衰減。這種衰減，一方面與所用的超聲波波長、波型及脈沖寬度有關(guān)：另一方面與被檢材料本身的特性有關(guān)，尤其是晶粒組織。一般認(rèn)為，金屬晶粒粗大就很難進(jìn)行超聲波檢測。從金屬結(jié)晶學(xué)知道，鐵素體鋼中，粗大晶粒通過y-a相變可使晶粒細(xì)化，而奧氏體鋼冷卻過程中y-y沒有相變，其晶粒粗大。奧氏體不銹鋼焊縫便是晶粒粗大的柱狀組織，這種柱狀組織表現(xiàn)出對(duì)超聲波有明顯的散射作用，在晶界會(huì)發(fā)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。其原因就是由于晶粒粗大，結(jié)晶方向不一致，所以在每個(gè)晶粒中超聲波傳播方向都不一樣，表現(xiàn)出的聲速也不一樣，從而引起信噪比低下，不易分辨缺陷信號(hào)，使超聲波檢測難以實(shí)施。

三、檢測實(shí)施的可行性分析

  理論上認(rèn)為，奧氏體組織用超聲波檢測時(shí)采用以下幾種方法可減小其影響：

  1. 用縱波探測可減小衰減。奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，縱波波長約為橫波波長的兩倍。由于波長大，衰減?。翰ㄩL小，衰減大。因此采用縱波檢測可使柱狀組織對(duì)超聲波的衰減影響減小。

  2. 采用低探測頻率探頭。頻率大小對(duì)衰減影響很大，頻率愈高，衰減愈大，穿透力愈低。奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，宜選用較低的頻率。

  3. 采用合適的探頭晶片。大晶片探頭波束指向性好，波束寬度小，可以減少晶粒散射的面積。

  采用雙晶探頭。雙晶探頭的發(fā)射與接收分開，消除了壓電晶片與延遲塊之間的反射雜波，同時(shí)由于使脈沖未進(jìn)入放大器，克服了阻塞現(xiàn)象，因而雜波少，盲區(qū)小。采用了延遲塊，使得工件中的近場區(qū)長度較小。

  通過對(duì)8.0mm厚25-22-2不銹鋼襯里對(duì)接焊縫模擬試板的晶粒度測定，得知其焊縫區(qū)平均晶粒度約為0.1mm。這種較小晶粒及較薄壁厚是能夠使用超聲波進(jìn)行檢測的有利條件。據(jù)資料介紹，當(dāng)入≥10d時(shí)（d為晶粒平均尺寸），晶界回波較弱，適宜超聲波檢測：當(dāng)入≤5d時(shí)，晶界回波強(qiáng)烈，不適宜超聲波檢測。當(dāng)使用探測頻率為0.5MHz時(shí)，測得其衰減系數(shù)為0.02dB/mm：當(dāng)使用的探測頻率為2.5MHz時(shí)，測得其衰減系數(shù)為0.04dB/mm。

  實(shí)踐中，檢測奧氏體組織焊縫時(shí)所選用的縱波斜探頭和雙晶直探頭可以滿足上述理論依據(jù)。雙晶直探頭存在一個(gè)交叉的菱形區(qū)，在此菱形區(qū)內(nèi)，裂紋等面積型缺陷的反射波與體積型缺陷的反射波在回波高度、時(shí)間掃描及波形上存在諸多不同的地方，因此比較容易加以區(qū)別。同時(shí)采用雙晶直探頭測定未焊透至探測面的距離比較準(zhǔn)確，對(duì)氣孔密集程度的分辨比較直觀可信。所以，利用縱波斜探頭檢測后再用雙晶直探頭對(duì)檢測后的缺陷進(jìn)行定性、定量、定位并加以比較，其效果較為明顯。汕頭公司生產(chǎn)的CTS-26型超聲波探傷儀，具有較強(qiáng)的分辨力和聲脈沖穿透能力，頻率范圍也較寬，能夠滿足現(xiàn)場使用要求。

四、探頭選擇與試塊制作

  1. 探頭選擇

  在本檢測方法中，考慮到檢測靈敏度、板厚及現(xiàn)場實(shí)際情況，選用的探頭為：①. 2.5P8×8B60°縱波斜探頭：②. 2.5P4×11雙晶直探頭。

 2. 標(biāo)定試塊

  被檢工件薄，聲程短，一、二次波定位不準(zhǔn)，故用同材質(zhì)等板厚板制作標(biāo)定試塊，用來調(diào)節(jié)時(shí)間掃描比例。

   8.0mm薄板的作用：利用薄板一次至四次回波制作雙晶直探頭距離——波幅曲線。

   p1x40長橫孔作用：利用不同距離長橫孔制作縱波斜探頭距離——波幅曲線。

 3. 模擬試板

  采用同材質(zhì)等板厚、同一焊接工藝，按預(yù)先設(shè)定的模擬缺陷制作模擬試板，利用各種設(shè)定的已知缺陷作參考靈敏度，該試板經(jīng)過RT探傷后得知缺陷的性質(zhì)、數(shù)量及位置，同時(shí)再用雙晶直探頭探測，定出缺陷在焊縫中的自身高度。

五、判傷基準(zhǔn)要求

  參照預(yù)先設(shè)定的模擬缺陷，以模擬試板根部自身高度2mm未焊透的回波高度（取60%）作為判廢返修基準(zhǔn)；以模擬試板中10mm×10mm×8mm、焊區(qū)中p0.5-1mm×6個(gè)點(diǎn)狀缺陷能被分辨出2~3個(gè)30%以上回波高度作為判廢返修基準(zhǔn)：根據(jù)動(dòng)態(tài)波形和靜態(tài)波形判為未熔合的應(yīng)判廢返修，發(fā)現(xiàn)根部缺陷的回波高度大于參考線且有一定的指示長度作為記錄缺陷。

六、檢測結(jié)果

  在上述參考靈敏度及判廢返修基準(zhǔn)下，檢測出所有焊接接頭都存在小氣孔，而需返修的有五處，現(xiàn)場返修出來的缺陷與檢測結(jié)果比較一致，經(jīng)返修后合格。

七、結(jié)論

  1. 8.0mm厚奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫超聲波檢測無標(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行，且25-22-3奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，難于用常規(guī)的超聲波探傷方法進(jìn)行檢測。

  2. 本方法采用縱波斜探頭探測，再用雙直探頭校驗(yàn)，避免將假信號(hào)誤判為缺陷信號(hào)，結(jié)果比較準(zhǔn)確。

  3. 使用標(biāo)定試塊來調(diào)節(jié)時(shí)間掃描比例較為準(zhǔn)確、而且實(shí)用。

  4. 采用半波高度法對(duì)缺陷進(jìn)行定量測長，結(jié)果與現(xiàn)場返修情況基本相近。

  5. 對(duì)密集氣孔的數(shù)量、大小與回波高度的關(guān)系、密集氣孔的分辨能力等采用模擬缺陷對(duì)比法，還有待進(jìn)一步完善。