帶不銹鋼堆焊層的主管道焊縫全聚焦超聲檢測(cè)

趙天偉，廖靜瑜，金士杰，楊會(huì)敏，康 達(dá)

(1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300；2.大連理工大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)研究所，大連 116085； 3.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司，北京 101300)

壓水堆核電站主回路管道連接主冷卻劑泵、蒸汽發(fā)生器和反應(yīng)堆壓力容器，是核安全一級(jí)裝置。其母材材料為中低合金鋼，因要滿足耐腐蝕性等特殊要求，母材及焊縫內(nèi)表面一般堆焊一定厚度的奧氏體不銹鋼保護(hù)層[1-2]。20世紀(jì)70年代，美國(guó)首次發(fā)現(xiàn)核壓力容器內(nèi)部不銹鋼堆焊層下的熱影響區(qū)存在再熱裂紋，由此，堆焊層結(jié)構(gòu)的役前與在役無(wú)損檢測(cè)引起了核工業(yè)界的關(guān)注[3]。

可利用常規(guī)超聲與射線檢測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)帶不銹鋼堆焊層的主管道焊縫進(jìn)行檢測(cè)，其中，射線檢測(cè)對(duì)危害性極大的裂紋等面積型缺陷不敏感，且不能實(shí)現(xiàn)壁厚方向上缺陷的深度定量。超聲檢測(cè)對(duì)面積型缺陷敏感，定位與定量誤差小，已被廣泛應(yīng)用于核電站焊縫的檢測(cè)中[4-5]。堆焊層為奧氏體不銹鋼，其具有粗大的晶粒和顯著的彈性各向異性，使得超聲波在傳播過(guò)程中發(fā)生衰減和散射，導(dǎo)致檢測(cè)波形出現(xiàn)草狀回波且信噪比低，從而不利于缺陷的識(shí)別與定量[6-7]。目前，基于全矩陣捕捉(FMC)數(shù)據(jù)的全聚焦方法(TFM)[8]被廣泛應(yīng)用于超聲檢測(cè)中，其通過(guò)對(duì)陣列的A掃描信號(hào)進(jìn)行延時(shí)疊加處理，實(shí)現(xiàn)了聲能在待檢區(qū)域的逐點(diǎn)聚焦[9-11]，提高了檢測(cè)信噪比[12]。在此基礎(chǔ)上，CAMACHO等[13]進(jìn)一步提出了用于抑制結(jié)構(gòu)噪聲的相位相干成像(PCI)法，其利用陣列信號(hào)的相位相干性構(gòu)建相位相干因子，并對(duì)全聚焦圖像進(jìn)行加權(quán)處理，進(jìn)一步改善了信噪比和成像質(zhì)量。

文章首先簡(jiǎn)要介紹了TFM和PCI法的原理，然后分析了堆焊層區(qū)域的宏觀和微觀金相，最后對(duì)比應(yīng)用PCI法前后的TMF成像結(jié)果，分析了檢測(cè)信噪比和缺陷辨識(shí)能力的變化情況。

1 技術(shù)原理

1.1 全聚焦方法

TFM是一種基于相控陣探頭FMC數(shù)據(jù)的信號(hào)后處理方法[14]。該方法的原理為：對(duì)于陣元數(shù)量為N的相控陣探頭，各陣元依次發(fā)射超聲脈沖信號(hào)，所有陣元同時(shí)接收并儲(chǔ)存A掃描信號(hào)，完整的全矩陣數(shù)據(jù)包括N2個(gè)時(shí)域信號(hào)；隨后，對(duì)成像區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分并建立坐標(biāo)系，將每個(gè)陣元簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)。在超聲垂直入射的條件下，用(xi, 0)表示陣元i的位置坐標(biāo)。設(shè)任意聚焦點(diǎn)Q的坐標(biāo)為(xref,zref)，根據(jù)各陣元到Q點(diǎn)的聲程計(jì)算延時(shí)法則，所有經(jīng)過(guò)該點(diǎn)信號(hào)的響應(yīng)總幅值ITFM(xref,zref)表示為[15]

(1)

式中：yij(t)為陣元i(xi, 0)發(fā)射，陣元j(xj, 0)接收的超聲信號(hào)；tij(xref,zref)為第i個(gè)陣元發(fā)射，第j個(gè)陣元接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)時(shí)的傳播時(shí)間。

將陣列時(shí)域信號(hào)通過(guò)延時(shí)疊加聚焦到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上，即可實(shí)現(xiàn)被檢區(qū)域的TFM成像和缺陷檢測(cè)。

1.2 相位相干成像方法

主管道內(nèi)表面堆焊的奧氏體不銹鋼引起的結(jié)構(gòu)噪聲會(huì)干擾缺陷識(shí)別。TFM僅利用信號(hào)的幅值信息進(jìn)行延時(shí)疊加處理，雖然提高了缺陷信號(hào)的幅值，但同時(shí)也提高了噪聲幅值。與之相比，PCI法基于超聲信號(hào)的相位分布統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)成像，利用了陣列A掃描信號(hào)中缺陷回波相位分布一致，噪聲相位分布散亂的特征[16-17]。基于相位相干性構(gòu)建表征信號(hào)相位分布的相干因子，能夠降低TFM重建圖像中的噪聲幅值。成像過(guò)程中構(gòu)建的相位相干因子C(xref,zref)為

C(xref,zref)=1-{var[cosφ(xref,zref,tij)]+

(2)

式中：φ為信號(hào)相角；var為求方差運(yùn)算。

利用式(3)對(duì)全聚焦圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)逐點(diǎn)加權(quán)處理，以提升檢測(cè)信噪比。

IPCI(xref,zref)=|ITFM(xref,zref)C(xref,zref)|

(3)

式中：IPCI(xref,zref)為加權(quán)處理后得到信號(hào)的響應(yīng)總幅值。

2 金相分析

帶奧氏體不銹鋼堆焊層的合金鋼對(duì)接管段外觀如圖1(a)所示，管段壁厚為74 mm，堆焊層試樣[見(jiàn)圖1(b)]為從其焊縫區(qū)截取得到，試樣尺寸為21.0 mm×14.5 mm×11.5 mm(長(zhǎng)×寬×高)。

圖1 帶奧氏體不銹鋼堆焊層的合金鋼對(duì)接管段及堆焊層試樣外觀

利用水性砂紙對(duì)樣品進(jìn)行打磨、拋光處理，并采用重鉻酸鉀冷酸液腐蝕劑腐蝕試樣表面。利用蔡司MEF-4型金相顯微鏡對(duì)堆焊層試樣的宏觀及微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。

圖2 奧氏體不銹鋼堆焊層試樣的宏觀金相照片

奧氏體不銹鋼堆焊層試樣的宏觀金相照片如圖2所示，可見(jiàn)，堆焊層內(nèi)晶粒呈柱狀分布，晶粒寬度為200300 μm，長(zhǎng)度為3 0004 000 μm，晶粒取向較為雜亂，生長(zhǎng)方向?yàn)?60°30°。奧氏體晶粒沿溫度梯度生長(zhǎng)，且由外延工藝控制[18]。在堆焊層焊接凝固的過(guò)程中，焊道邊緣散熱較快，形成了堆焊層晶粒的柱狀結(jié)構(gòu)以及復(fù)雜取向,這也會(huì)導(dǎo)致奧氏體不銹鋼堆焊層呈現(xiàn)出顯著的彈性各向異性。

進(jìn)一步對(duì)圖2所示的堆焊層內(nèi)3個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行500倍放大微觀金相觀察(金相照片見(jiàn)圖3)。堆焊層組織為奧氏體和鐵素體，鐵素體含量較高(約為40%)。圖3中基體白色區(qū)域?yàn)閵W氏體，魚(yú)骨狀黑色區(qū)域?yàn)楦邷罔F素體。不同區(qū)域中魚(yú)骨狀鐵素體分布的情況差別較大，鐵素體的含量和取向不斷變化，進(jìn)一步增加了堆焊層組織的非均質(zhì)性。

圖3 奧氏體不銹鋼堆焊層試樣不同區(qū)域的微觀金相照片

3 全聚焦成像試驗(yàn)

在圖1(a)所示的對(duì)接管段的堆焊層焊縫中心位置加工一個(gè)深度為65 mm，直徑為2 mm的側(cè)鉆孔。采用Multi X++型超聲檢測(cè)儀，并配合Multi 2000操作軟件，利用標(biāo)稱(chēng)頻率為3.5 MHz的64陣元相控陣線陣探頭實(shí)施檢測(cè)。

分別采用16，32，48和64個(gè)陣元采集FMC數(shù)據(jù)并進(jìn)行TFM成像，目標(biāo)區(qū)域的網(wǎng)格分辨力為0.5 mm。不同陣元數(shù)目下的TFM成像如圖4所示，可見(jiàn)，缺陷成像結(jié)果與陣元數(shù)目有關(guān)。當(dāng)陣元數(shù)為16時(shí)，成像質(zhì)量較差，缺陷呈現(xiàn)為扁長(zhǎng)的橢圓形，且幅值較低，不利于準(zhǔn)確識(shí)別；當(dāng)陣元數(shù)目為48或64時(shí)，缺陷圖像質(zhì)量得到改善，缺陷區(qū)域能量集中且幅值得到提高。

為評(píng)價(jià)超聲成像結(jié)果，文章采用檢測(cè)信噪比SNR和陣列性能指數(shù)API[9]進(jìn)行定量分析，其定義式如式(4)，(5)所示。

SNR=20log(Imax/Iaverage)

(4)

式中:Imax為缺陷信號(hào)的幅值;Iaverage為噪聲信號(hào)的平均幅值。

API=A-6dB/λ2

(5)

式中:A-6dB為點(diǎn)狀反射體幅值下降一半時(shí)對(duì)應(yīng)的截面積;λ為波長(zhǎng)。

圖4 不同陣元數(shù)目下的TFM成像結(jié)果

信噪比描述了缺陷信號(hào)與噪聲信號(hào)的強(qiáng)弱關(guān)系，能夠反映超聲成像質(zhì)量和缺陷檢測(cè)效果。陣列性能指數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱參量，能夠反映圖像中缺陷的可分辨能力，其值越小，表明超聲檢測(cè)聲束寬度越窄，缺陷成像質(zhì)量越高(聲束寬度若較寬，易使圖像中相鄰缺陷的信號(hào)產(chǎn)生混疊)。

不同陣元數(shù)目下應(yīng)用PCI法前后TFM成像的信噪比和陣列性能指數(shù)如圖5所示，可見(jiàn)，隨著陣元數(shù)量的增加，信噪比不斷提高，64陣元的信噪比較16陣元的提高了5.3 dB，陣列性能指數(shù)不斷降低，64陣元的陣列性能指數(shù)較16陣元的減小了35%。這是因?yàn)殡S著陣元數(shù)量增加，F(xiàn)MC數(shù)據(jù)中包含的A掃描信號(hào)數(shù)量不斷增加，聲束覆蓋范圍隨之?dāng)U大，探頭陣元接收到更多材料與缺陷的特征信息。這些信息經(jīng)過(guò)延時(shí)疊加處理后，缺陷處的能量提升高于非缺陷處的，成像效果得到逐步改善。當(dāng)所用陣元數(shù)達(dá)64時(shí)，TFM圖像能夠較為準(zhǔn)確地描述奧氏體不銹鋼堆焊層焊縫的特征，抑制聲束畸變和散射造成的偽像，但仍存在較為明顯的結(jié)構(gòu)噪聲干擾。

圖5 不同陣元數(shù)目下應(yīng)用PCI法前后TFM成像的信噪比和陣列性能指數(shù)

提取FMC數(shù)據(jù)中各A掃描信號(hào)的相位信息，利用式(2)構(gòu)建相位相干因子矩陣。隨后，對(duì)圖4所示的各TFM圖像實(shí)施自適應(yīng)加權(quán)處理，得到如圖6所示的結(jié)果。對(duì)比圖4和圖6可見(jiàn)，結(jié)合PCI的TFM成像能夠有效地保留缺陷特征，同時(shí)抑制了堆焊層中的結(jié)構(gòu)噪聲，更有利于缺陷辨識(shí)。

圖6 不同陣元數(shù)目下結(jié)合PCI法的TMF成像結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 奧氏體不銹鋼堆焊層組織為晶粒取向復(fù)雜的粗大柱狀晶，呈魚(yú)骨狀的鐵素體含量較高，且不同區(qū)域魚(yú)骨狀鐵素體的取向變化較大。

(2) TFM有助于改善帶不銹鋼堆焊層焊縫缺陷的成像檢測(cè)質(zhì)量，且成像所用陣元數(shù)量越多，圖像信噪比越高,陣列性能指數(shù)越小。

(3) 提取FMC數(shù)據(jù)中的信號(hào)相位信息并實(shí)施自適應(yīng)加權(quán)處理，可進(jìn)一步抑制結(jié)構(gòu)噪聲，提高圖像的信噪比與缺陷的辨識(shí)度。