不銹鋼小徑管疲勞裂紋類缺陷相控陣超聲檢測的可靠性驗證

， ，

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

1 相控陣檢測系統(tǒng)、試塊及試管

1.1 小徑管試管

小徑管試管取自某核電站高壓加熱器疏水器系統(tǒng)在役更換下來的管道，其上共15個對接焊縫，試管材料為TP304L不銹鋼，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ60.3 mm×5.54 mm。試管對接接頭中存在疲勞裂紋、內(nèi)凹、焊瘤及咬邊類自然缺陷。

1.2 相控陣檢測系統(tǒng)

1.2.1 相控陣設(shè)備、探頭、楔塊及掃查架的準備

采用GEKKO便攜式相控陣檢測儀，考慮到不銹鋼材料晶粒粗大，搭配低頻多浦樂5S16-0.5*10-D10探頭(頻率為5 MHz，16個晶片，晶片間距為0.5 mm，單個晶片長度為10 mm)，多浦樂SD10-N60S-AOD 60.3楔塊和多浦樂 CRS-1掃查架。相控陣檢測系統(tǒng)外觀如圖1所示。

圖1 相控陣檢測系統(tǒng)外觀

1.2.2 聲束覆蓋及掃查步進的設(shè)置

采用扇掃對焊縫實施檢測，推薦扇掃角度范圍為38°～72°，扇掃中大角度聲束(一次波)覆蓋焊縫下部及熱影響區(qū)，小角度聲束(二次波)覆蓋焊縫上部及熱影響區(qū)，同時保證扇掃聲束能完全覆蓋整個焊縫截面。

采用ES Beam Tool 6聲束模擬軟件對檢測工件的類型及尺寸、坡口形式及尺寸、探頭參數(shù)、楔塊參數(shù)、掃查步進偏移等進行選擇及設(shè)置，實現(xiàn)聲速覆蓋的模擬。聲束覆蓋及掃查步進示意如圖2所示。

要說鈦金屬在腕表的使用上是很普遍的，比如很早就有作表殼的，Richard Miller理查德米爾用鈦合金制作夾板。但用來作鐘表核心擒縱裝置的擺輪軸的還真沒有。原因就是擺輪軸尖要有很高的硬度，之前的鈦合金都達不到這樣的硬度。帶過鈦金表殼的表的朋友，都知道相比不銹鋼表殼鈦金屬表殼相對更軟一些，更容易留下劃痕。

圖2 聲束覆蓋及掃查步進示意

1.3 標準試塊及對比試塊

參照NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標準，采用不銹鋼材料GS試塊作為標準試塊。為了進一步驗證相控陣超聲對小徑管根部缺陷的檢出能力，制備了專門的對比試塊，在焊縫內(nèi)壁焊趾處埋藏規(guī)格(長×寬×高)分別為5 mm×0.2 mm×0.5 mm，5 mm×0.2 mm×1 mm，5 mm×0.2 mm×1.5 mm，5 mm×0.2 mm×2.0 mm的人工槽，以近似模擬根部缺陷。小徑管根部缺陷對比試塊規(guī)格如圖3所示。

圖3 小徑管根部缺陷對比試塊規(guī)格

1.4 PA檢測工藝

校核參考量為聲速、楔塊延遲、定量校準；推薦掃查方式為單面單側(cè)或單面雙側(cè)；推薦檢測靈敏度為φ2 mm×20 mm-80%+4 dB(小徑管裂紋對比試塊內(nèi)壁焊趾處5 mm×0.2 mm×0.5 mm人工槽的60%波幅)。

焊接接頭質(zhì)量分級的方法為：① 參照標準GB/T 29712-2013 《焊縫無損檢測 超聲檢測驗收等級》附錄B中固定回波幅度等級技術(shù)，以40%波幅為評定線，70%波幅為判廢線；② 參照標準DL/T 820-2002 《管道焊接接頭超聲波檢測技術(shù)規(guī)程》中第7.4.4節(jié)要求，根據(jù)焊接接頭存在的缺陷類型、缺陷波幅以及缺陷的指示長度，將缺陷評定為允許存在和不允許存在兩類。

不允許存在的缺陷有：① 性質(zhì)判定為裂紋、坡口未熔合、層間未熔合以及密集型缺陷；② 單個缺陷回波幅度不小于判廢線；③ 單個缺陷回波幅度不小于評定線，且指示長度大于5 mm。

允許存在的缺陷為：單個缺陷回波幅度小于判廢線，且指示長度小于5 mm。

檢測靈敏度及焊接接頭質(zhì)量分級選取方法：考慮到相控陣超聲檢測在國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀，在不銹鋼小徑管領(lǐng)域，并無相關(guān)的可參照驗收標準，也缺少可指導具體檢測實踐的相關(guān)文獻，而標準NB/T 47013.3-2015的相關(guān)要求又無法實施，故結(jié)合現(xiàn)有的裂紋缺陷試管M1～M15、人工缺陷試管及人工刻槽對比試塊，在保證已知缺陷不漏檢，定量檢測結(jié)果盡可能接近缺陷實際尺寸的前提下，采用φ2 mm×20 mm-80%+4dB的檢測靈敏度，并提出結(jié)合標準DL/T 820-2002的相關(guān)內(nèi)容制定相應(yīng)的驗收依據(jù)。

2 試驗過程

首先對15個高壓加熱器管道焊縫進行唯一標識，記為M1～M15，其次對PA設(shè)備進行調(diào)試，按照上述工藝對15個焊縫進行PA掃查，并采集數(shù)據(jù)。對15個焊縫的PA 數(shù)據(jù)進行分析，并出具檢測報告。

為了驗證PA 檢驗結(jié)果中判定的缺陷是否真實存在、缺陷定位是否準確，參照標準NB/T 47013.2-2015的要求，對 M1～M15焊縫進行雙壁雙影橢圓成像透照，相隔90°透照兩次。小徑管橢圓成像透照示意如圖4所示。

圖4 小徑管橢圓成像透照示意

對M1～M15焊縫的數(shù)字射線影像進行評定，對缺陷進行定位，并在相應(yīng)焊縫上進行標注，再對照PA檢測結(jié)果。通過對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DR (數(shù)字射線檢測)檢出的缺陷，PA在相應(yīng)位置也有缺陷檢出，且定位足夠精準。同時發(fā)現(xiàn)了新的問題，DR檢出的缺陷只能解釋PA檢測結(jié)果中的一部分缺陷，并不能解釋所有PA檢出的缺陷。經(jīng)分析，認為這種情況出現(xiàn)的原因可能是小徑管射線(DR)檢測工藝存在局限性，或是PA檢測的準確度不可靠。

為了進一步驗證PA 檢測準確度是否可靠，檢測團隊對焊縫附近位置進行周向切割，對小徑管內(nèi)壁焊縫余高和坡口附近參照NB/T 47013.5-2015標準要求進行滲透檢測(PT)。對滲透檢測的結(jié)果進行記錄，并在焊縫上進行標注。

3 試驗數(shù)據(jù)與檢測結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)與檢測結(jié)果

對這15個高壓加熱器管道焊縫的PA，DR，PT檢測結(jié)果進行分析，對有缺陷焊縫的檢測數(shù)據(jù)進行整理和匯總，其中M1～M13焊縫的PA，DR，PT檢測結(jié)果如表1所示。

表1 PA，DR，PT檢測結(jié)果

由表1可知，PA檢測結(jié)果與PT檢測結(jié)果基本一致，其中的主要差異性體現(xiàn)在：M2焊縫1#缺陷的定量，M2焊縫2#缺陷的漏檢以及M8焊縫的PA結(jié)果與PT檢出缺陷數(shù)量不一致；M9焊縫的PA與PT檢出缺陷數(shù)量不一致。

對于M8焊縫，通過分析PA與PT檢測數(shù)據(jù)，可以確認PT檢測結(jié)果中的裂紋1(1#裂紋)、裂紋2(2#裂紋)為貫穿裂紋(見圖5)；對于M9焊縫，通過對試管的觀察，可以確認PA檢測結(jié)果中的缺陷1為焊縫內(nèi)壁的嚴重內(nèi)凹缺陷(見圖6)。

圖5 M8焊縫1#，2#裂紋PT檢測結(jié)果

M2焊縫裂紋的PA 檢測結(jié)果(A 掃+S 掃+C掃)如圖7所示，M2焊縫裂紋對應(yīng)位置的DR 底片如圖8所示，M2焊縫1#，2#，3#裂紋PT 結(jié)果如圖9所示。

圖6 M9焊縫缺陷1外觀及PA檢測結(jié)果

圖7 M2焊縫裂紋的PA檢測結(jié)果

圖8 M2焊縫裂紋對應(yīng)位置的DR 底片

其中，PA檢測結(jié)果中缺陷1位于坡口對側(cè)，距零點-11 mm，長度L1=70 mm，缺陷2位于坡口本側(cè)，距零點105 mm，長度L2=46 mm。缺陷1呈斷續(xù)狀態(tài)，部分波幅小于40%，最高回波波幅在90%以上。DR結(jié)果中只有裂紋3有顯示,PT 檢測結(jié)果與PA 結(jié)果存在一定差異。

對于M2的1#裂紋，PA與PT定量檢測結(jié)果存在一定差異，檢測人員懷疑是1#裂紋可能向另一側(cè)延伸，于是對1#裂紋另一側(cè)焊縫余高進行處理，再對此位置進行PT檢測，結(jié)果如圖10所示。1#裂紋呈斷續(xù)狀，PT 與PA檢測結(jié)果在定量上相一致。對彎頭側(cè)斷續(xù)裂紋位置實施時基掃查，結(jié)果如圖11所示，可見有明確的回波顯示。

圖9 M2焊縫1#，2#，3#裂紋PT 結(jié)果

圖10 M2焊縫1#裂紋余高處理后PT檢測結(jié)果

圖11 M2焊縫1#裂紋彎頭側(cè)的A掃+扇掃

對于M2焊縫的2#裂紋進行PA檢測時漏檢，檢測人員從彎頭側(cè)對該位置做PA 時基掃查，結(jié)果如圖12所示，PA檢測對于坡口本側(cè)位置上的裂紋性缺陷，有明確的回波顯示。

圖12 M2焊縫 2#裂紋彎頭側(cè)的A掃+扇掃

3.2 檢測結(jié)果分析

通過對上述焊縫的綜合檢測，已發(fā)現(xiàn)的缺陷有焊縫內(nèi)壁開口裂紋(PT可全部檢出)和焊縫內(nèi)壁成型不良(以咬邊、凹坑、焊瘤3種方式體現(xiàn))兩種類型。

與PT檢測相比較，PA幾乎檢測出全部裂紋(就優(yōu)化后的檢測工藝而言，采用單面雙側(cè)進行掃查)，而DR 檢測的漏檢率在50%以上(關(guān)于裂紋檢出率的統(tǒng)計，這里只針對DR檢測方法，并不代表RT的檢測能力)。3種檢測方法對M1～M15焊縫裂紋的檢出率對比如圖13所示。

圖13 3種檢測方法對M1～M15焊縫裂紋的檢出率

PA檢測結(jié)果中判定的缺陷都可以用PT檢測結(jié)果加以驗證。說明PA 對不銹鋼小徑管疲勞裂紋類缺陷的檢測結(jié)果，從定位、定量、裂紋檢出率上來說都是相當可靠的。

3.3 PA檢測經(jīng)驗總結(jié)與工藝優(yōu)化

裂紋性缺陷的超聲檢測結(jié)果具有如下的典型特征：回波根部較寬、多峰、分叉，沿掃查軸移動過程中多峰交替出現(xiàn)峰值。部分焊縫裂紋的A掃和扇掃結(jié)果如圖14～21所示。

圖14 M1焊縫2#裂紋本側(cè)的A掃+扇掃

圖15 M3焊縫1#裂紋本側(cè)的A掃+扇掃

圖16 M3焊縫2#裂紋本側(cè)的A掃+扇掃

圖18 M4焊縫2#裂紋本側(cè)的A掃+扇掃

圖19 M6焊縫1#裂紋本側(cè)的A掃+扇掃

圖20 M8焊縫2#裂紋對側(cè)的A掃+扇掃

圖21 M9焊縫1#裂紋焊縫中心的A掃+扇掃

PA對于坡口本側(cè)裂紋性缺陷的回波直觀且特征明顯。PA對于坡口對側(cè)裂紋性缺陷回波也有典型特征，但不夠直觀，部分位置易漏檢(如M2焊縫的2#裂紋)?；诖朔N情況，優(yōu)化檢測工藝，對焊縫實施單面雙側(cè)掃查。因結(jié)構(gòu)原因，對側(cè)無法安裝掃查器，在對側(cè)實施時基掃查。對側(cè)因為結(jié)構(gòu)原因無法放置探頭，則在評定檢驗數(shù)據(jù)時，對此位置增益6 dB再進行評定，且增益6 dB后只對該位置的對側(cè)坡口位置進行評定。此外，對焊縫實施單面雙側(cè)掃查，更有助于缺陷性質(zhì)的判斷和偽缺陷的排除。

4 存在的不足

(1) PA 無法對橫向裂紋進行檢測，會造成橫向裂紋的漏檢。

(2) 為了對不銹鋼小徑管焊縫實施全面的相控陣超聲檢測，對于未融合、未焊透、成型不良類型的焊接缺陷，缺少相應(yīng)的自然缺陷來進行進一步的論證。

(3) 對于該批試管，未見明顯的結(jié)構(gòu)性回波和變形波。