奧氏體不銹鋼焊縫裂紋高度測量技術研究

邱光銀 陳保家 謝 航 汪新波

(1.三峽大學水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室,湖北宜昌 443002;2.中核武漢核電運行股份有限公司,武漢 430223)

奧氏體不銹鋼無磁性,且具有良好的塑性,極佳的耐腐蝕性和優(yōu)良的抗氧化性[1],因而被廣泛應用于石油化工、機械制造和核電等行業(yè)的管道系統(tǒng)中.由于焊接工藝不完善以及工作環(huán)境惡劣,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[2].斷裂力學研究表明,帶有尖銳邊緣的平面缺陷(如裂紋)危險性最大,在受壓零件中,裂紋型缺陷在壁厚方向上的徑向長度、缺陷距表面及其他缺陷的距離等都是關鍵性的尺寸[3].當裂紋缺陷高度超過一定范圍,在壓力和腐蝕作用下將引起工件的徑向斷裂,其高度方向的缺陷尺寸直接決定著工件的疲勞強度和使用壽命.在核電站和核動力裝置的檢測規(guī)范和大綱(IWA-2232 APP.I)中,對奧氏體不銹鋼主回路管道焊縫的加工質量及服役期間的狀況提出了無損檢測的強制性要求[4].

由于超聲波對平面缺陷非常敏感,因而成為奧氏體不銹鋼管道無損檢測的常用方法.但奧氏體不銹鋼組織不均勻,其粗大柱狀晶粒結構和彈性各向異性造成超聲波在材料中傳播時發(fā)生嚴重的扭曲、衰減和散射,使得常規(guī)超聲檢測方法難以對焊縫缺陷進行有效的定量檢測.超聲相控陣檢測技術是一種先進的無損檢測技術,相比常規(guī)超聲檢測,超聲相控陣能夠產(chǎn)生可多角度偏轉的高強度聚焦聲束,大大提高了對材料的穿透力及缺陷定量檢測的靈敏度.

關于奧氏體不銹鋼焊縫(粗晶材料)缺陷的相控陣超聲檢測一直是熱點研究方向,國內(nèi)外均在此方面做了大量的研究,目前的研究主要集中于成像算法方面.Samson,Christopher A[5]等采用實現(xiàn)“每像素一樣本”可變采樣技術的數(shù)字接收波束形成器,與先前基于變量采樣的系統(tǒng)相比,該采樣相控陣(SPA)方法將所需的采樣率降低了3倍,并將數(shù)據(jù)捕獲率降低了2倍,能夠估算寬帶脈沖包絡帶寬精確至83.0%.Christian H?hne[6]等使用基于射線追蹤和分層結構焊縫模型的合成孔徑聚集技術(SAFT)程序,重建了不同異種焊縫中橫向裂縫的圖像,得到了清晰可見的根部反射和裂縫尖端回波,能夠以良好的精度估計裂縫的尺寸和位置.Fan C[7]等人探究了兩種基于多頻時間反轉(TR)的成像算法:具有多信號分類(TRMUSIC)和相關的相位相干表格(PC-MUSIC)的時間反轉法,兩種算法都能夠分辨出比Rayleigh極限更近的橫向目標,從而實現(xiàn)超分辨率成像,可用于固體缺陷的無損評估成像.Shahjahan S[8]等基于全矩陣捕獲(FMC),結合基于隨機矩陣理論的智能后處理,補充以DORT方法(即時間反轉算子的分解),使用該特定的過濾方法可以顯著提高檢測粗晶結構缺陷的能力.同時,國內(nèi)也有多位學者對奧氏體不銹鋼裂紋缺陷開展了超聲相控陣檢測技術的相關研究.李衍[9]采取了一種手工超聲相控陣技術對異種金屬余高焊縫進行缺陷定量檢測,其準確性可達到美國機械工程師學會(ASME)鍋爐壓力容器規(guī)范要求.彭國平[10]等采用超聲相控陣扇掃檢測技術對承壓設備焊縫根部的底面開口裂紋進行檢測,提出了超聲相控陣絕對傳播時間(AATT)法,可從單面單側對缺陷進行檢測.林莉[11]等通過對厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫超聲相控陣檢測技術進行概述,對于研究發(fā)展現(xiàn)狀,關鍵性技術及存在問題進行了歸納總結.這些研究為后續(xù)的工作提供了指導和借鑒,但是目前國內(nèi)關于管道焊縫裂紋的超聲相控陣檢測定量及誤差分析的相關文獻較少,開展對奧氏體不銹鋼管道焊縫裂紋缺陷的超聲相控陣檢測定量,并分析產(chǎn)生誤差的原因,可以更加了解不銹鋼焊縫區(qū)域的內(nèi)部結構和裂紋缺陷的分布規(guī)律,得到更加精確的定量結果.

本文從奧氏體不銹鋼管道焊縫的相控陣檢測技術出發(fā),針對裂紋缺陷測量中產(chǎn)生誤差的原因進行了理論分析,并通過實驗進行了誤差修正,總結了誤差規(guī)律.最后比較了奧氏體不銹鋼管道焊縫自然裂紋高度的相控陣直接檢測結果、修正檢測結果以及裂紋高度設計值,驗證了修正結果的準確性.

1 裂紋高度測量誤差分析

選用相控陣探頭進行奧氏體不銹鋼缺陷檢測時,一般優(yōu)先選擇縱波探頭,因為對粗晶材料而言,同樣的聲束與晶粒成長方向夾角下,縱波比橫波的波束偏轉角度要小,聲衰減更小[12],可以獲得更好的聲束穿透性.為避免由界面或楔塊回波造成的雜亂波影響,可采用一發(fā)一收式雙晶探頭,提高檢測的信噪比.雙晶縱波斜探頭的結構如圖1所示.楔塊有兩個傾斜角度,一個決定聲束傳播方向的傾角,定義為楔塊名義角γ,另一個決定繞入射聲束軸線轉動的角度,定義為屋頂角θ(roof角).定義聲束在工件中傳播的距離為聲程S.

圖1 雙晶縱波斜探頭結構和聲束傳播發(fā)射圖

1.1 裂紋高度測量方法

測量裂紋高度的主要依據(jù)是惠更斯原理,常用的裂紋缺陷高度超聲測量方法一般有常規(guī)超聲法(主要包括端點衍射法、端點反射回波法、相對靈敏度法)、超聲衍射時差TOFD法、相控陣超聲檢測法[13].超聲衍射時差TOFD法需要將發(fā)射探頭和接收探頭對稱分布于焊縫兩側進行檢查,此處不做詳細介紹.常規(guī)超聲檢測法測量裂紋高度原理如圖2所示,當發(fā)現(xiàn)缺陷顯示有端點信號時,利用該信號測量缺陷高度,但其探頭聲束角度單一,操作較為復雜繁瑣且結果不直觀.相控陣超聲檢測法通過對各陣元的有序激勵可得到靈活的偏轉及聚焦聲束[14],采用扇掃的方式測量裂紋高度,有效地彌補了常規(guī)超聲法的缺點,提高了檢測效率,其原理如圖3所示.(T為焊縫厚度;H為缺陷高度;h為缺陷端點到探測面的垂直距離)

圖2 常規(guī)超聲方法測高

圖3 超聲相控陣測高

1.2 裂紋高度理論修正方法

實際檢測過程中,雙晶探頭測量缺陷深度會出現(xiàn)一定程度的誤差.為說明誤差原因,取雙晶探頭的聲束發(fā)射部分,其視圖如圖4～5所示.

圖4 聲束發(fā)射側視圖

圖5 聲束發(fā)射正視圖

點A為聲束在試塊上的入射點,點B為缺陷位置,設其深度為H.由于雙晶楔塊屋頂角的存在,使得聲束在試塊中的實際折射偏轉角是空間立體的,設其在試塊側面的投影角度為α,正面的投影角度為α′,設超聲波在楔塊內(nèi)的傳播速度為c1,試塊內(nèi)的傳播速度為c2,根據(jù)折射定律有:

如圖1所示,定義聲束在試塊內(nèi)的傳播距離為聲程S,則圖4側視圖中所顯示的l AB是聲程S在側面上的投影,即

則缺陷深度為:

同理,圖5正視圖中的l A′B′是聲程S在正面的投影:

缺陷深度:由式(4)、(6)可知,從側面和正面進行計算的結果是相同的.常規(guī)楔塊并不存在屋頂角θ,聲束在試塊中的實際折射偏轉角是平面的,并不存在正面的投影角度,或者說α′=0,則缺陷深度計算結果為:

由式(6)、(7)可知,屋頂角θ的存在對于缺陷深度計算方式的影響是顯而易見的.傳統(tǒng)超聲檢測設備一般根據(jù)式(7)計算缺陷深度,即便更換雙晶楔塊,也仍然采用常規(guī)楔塊缺陷深度計算方式,因此誤差難以避免.因而需要對缺陷深度測量結果進行修正,盡量消除誤差影響,進一步提高檢測精度.

2 實驗驗證

如前所述,雙晶縱波斜探頭屋頂角的存在影響了缺陷深度的測量結果,但在奧氏體不銹鋼的超聲相控陣檢測中,這不是唯一的誤差原因.超聲相控陣具有常規(guī)超聲無法比擬的獨特優(yōu)勢,但歸根結底仍是超聲檢測技術的一種,并沒有改變超聲波的產(chǎn)生與傳播的物理基礎[11].在奧氏體不銹鋼復雜的組織結構中仍會有不同程度的衰減與散射,同時系統(tǒng)本身的復雜性也會對檢測結果產(chǎn)生誤差影響.因此僅從理論上無法對相控陣缺陷檢測深度進行修正,需要對試塊不同深度的缺陷孔進行深度測量實驗,采用數(shù)學修正的方法得到缺陷深度測量值與真實深度之間的誤差規(guī)律,以此提高裂紋定量精度.

2.1 修正實驗

實驗所用奧氏體不銹鋼試塊如圖6所示,用于修正雙晶相控陣的缺陷深度測量值.試塊長350 mm,寬60 mm,高130 mm,標準反射體為7個尺寸為Φ2×60 mm的橫通孔,各橫通孔位置如圖6所示,序號分別為1～7.實驗采用64通道的Dynaray超聲相控陣設備,相控陣探頭頻率為2.25 MHz,采用縱波檢測,發(fā)射晶片與接收晶片數(shù)量均為30個,孔徑為19 mm×12 mm,楔塊名義偏轉角γ為45°,屋頂角4°.設置相控陣聚焦深度為70 mm,聚焦形式為真實深度聚焦,扇掃角度范圍為20～80°,步進1°.

圖6 缺陷試塊

檢測時,來回移動探頭尋找缺陷回波,調(diào)整增益并觀察回波幅值,當A掃圖像峰值具有最高點時,所對應的橫軸數(shù)值就是該缺陷的深度測量值.依次記錄各缺陷孔的深度測量值.通孔缺陷定位結果及誤差見表1.

表1 橫通孔定位結果及誤差 (單位:mm)

由表1可知,測量值普遍偏大,與標準值之間存在明顯的誤差.70 mm附近缺陷深度誤差最小,遠離該處誤差增大,這是因為相控陣聚焦深度設置為70 mm,該處附近靈敏度最高,離開該處,靈敏度下降.距表面較近的缺陷,除檢測靈敏度下降外,也有可能受近場區(qū)影響,若缺陷位于近場區(qū),則其中心可能處于聲場的極小值點,這樣其回波最高處便位于缺陷中心兩側,因而產(chǎn)生定位誤差.較深處的缺陷,除檢測靈敏度下降外,也可能由于聲能減小,受材料粗大晶粒結構影響,超聲波散射和衰減嚴重,導致回波信號變?nèi)?使缺陷定位產(chǎn)生誤差.因此,誤差呈現(xiàn)出先大后小而后又變大的規(guī)律.

由王春艷[15]等采用不同K值探頭進行的表面開口裂紋高度的測定結果可知,表面開口裂紋高度測量值與實際值之間近似呈線性關系.由于表面開口裂紋處于開放狀態(tài),其裂紋下端點深度即為裂紋高度,測量過程與本修正實驗測量橫孔深度有相似之處,因此可以參考其擬合方法,認為相鄰橫孔缺陷的測量值與真實值之間也是線性關系,符合回歸函數(shù):

其中,標準孔深為自變量,測量深度為因變量.同理,其余相鄰橫孔之間測量值與真實值變化關系都是線性的,不同深度的測量值采用相應區(qū)間的線性函數(shù)進行修正.在后續(xù)對裂紋高度的定量檢測過程中,對裂紋上下端部回波信號所顯示的測量深度,分別應用相應區(qū)間的線性函數(shù)進行修正,利用修正后的裂紋下端點深度減去上端點深度,即可得到更精確的裂紋高度.

2.2 裂紋高度測量試驗

試驗采用64通道的Dynaray超聲相控陣設備,試塊為帶自然缺陷的奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊,如圖7所示,外徑為273 mm,壁厚30 mm,試件中缺陷均為平面型缺陷,缺陷類型包括內(nèi)表面缺陷,外表面缺陷和埋藏缺陷.缺陷設計尺寸見表2,試塊及缺陷位置示意圖如圖8所示.

圖7 奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫試塊

圖8 焊縫坡口放大圖及缺陷位置示意圖

表2 試塊人工缺陷列表

實驗所用探頭與2.1修正實驗探頭相同,楔塊參數(shù)也相同.不同的是修正實驗所用楔塊用于平面試塊缺陷垂直深度的測量,而此次實驗需要對管道環(huán)焊縫裂紋高度進行測量,因此需要改變楔塊曲率,使其與管道試塊外表面耦合.同時利用圖9、10所示的參數(shù)測量試塊進行校準,消除曲率帶來的影響,使其可以從周向和軸向兩個方位對管道裂紋缺陷進行檢測,得到缺陷的周向和軸向深度.

圖9 弧面R160的軸向探頭參數(shù)測量試塊正視圖與側視圖

圖10 弧面R160的周向探頭參數(shù)測量試塊正視圖與側視圖

校準完成后,即可對管道試塊進行相控陣檢查.發(fā)現(xiàn)缺陷后,利用裂紋缺陷上下端點回波信號測高.由于試塊壁厚30 mm,因此僅需30 mm以內(nèi)缺陷的線性修正公式,依次為f(x)=1.45x,缺陷深度測量值區(qū)間為0～14.50 mm;f(x)=0.851x+5.99,缺陷深度測量值區(qū)間為14.50～23.01 mm;f(x)=0.919x+4.63,缺陷深度測量值區(qū)間為23.01～32.20 mm.將相控陣的直接檢查結果,修正后的檢查結果,以及缺陷的設計值進行比較.結果統(tǒng)計見表3.

表3 試塊的缺陷高度超聲測試及修正結果(單位:mm)

某缺陷的相控陣扇掃圖像如圖11所示,深色區(qū)域即裂紋端點,縱軸表示其深度,利用閘門分別選取上下端點回波最高的位置深度,兩深度之差即裂紋高度的相控陣直接檢查結果.

圖11 裂紋缺陷相控陣扇掃圖像

從表3可知,采用超聲相控陣技術可以實現(xiàn)奧氏體不銹鋼管道焊縫中各類裂紋缺陷的檢測.相控陣直接檢查結果,修正檢查結果的誤差范圍和均方根誤差對比見表4.

表4 定量結果的誤差范圍與均方根誤差(單位:mm)

3 結 論

針對奧氏體不銹鋼焊縫缺陷的超聲相控陣檢測,本文介紹了雙晶縱波超聲技術的優(yōu)勢,理論分析了雙晶楔塊屋頂角對裂紋高度測量造成的誤差影響,并進行了修正實驗和自然裂紋高度測量實驗,結果如下:

1)對于缺陷定量中出現(xiàn)的測量誤差,利用帶不同深度橫孔的奧氏體不銹鋼試塊進行修正實驗,結果表明相控陣聲束聚焦區(qū)域誤差最小,遠離聚焦區(qū)域誤差增大.采用線性模型擬合相鄰橫孔區(qū)間的深度測量值與真實值,根據(jù)該規(guī)律對缺陷深度測量值進行修正.

2)對奧氏體不銹鋼管道焊縫試塊的自然裂紋缺陷進行超聲相控陣檢測,對比裂紋高度的直接檢測結果、修正檢測結果和高度設計值,發(fā)現(xiàn)修正后的裂紋高度誤差范圍和均方根誤差都有所減小,更加接近裂紋真實高度,驗證了該修正方法的有效性,同時提高了超聲相控陣的裂紋測量精度.