相控陣超聲檢測在大厚度高強鋼及奧氏體不銹鋼焊縫上的應用

王永強

（招商局重工（江蘇）有限公司，南通 226100）

1 前言

大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼，以其優(yōu)良的抗腐蝕性、抗氧化性 以及低溫韌性被廣泛應用于海洋工程中。由于長期處在高腐蝕和水流沖擊等環(huán)境中, 大厚度高強鋼和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。

為了保證設備的安全穩(wěn)定運行,必須對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼管道焊縫進行檢查。但大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼大都采用手工焊多道焊,由于焊接工藝、規(guī)范存在差異,導致焊縫中不同部位的組織結(jié)構(gòu)不同,出現(xiàn)晶粒粗大、組織不均,具有明顯的各向異性,給超聲波探傷帶來困難：同一晶粒從不同方向測定有不同的尺寸,對于這種晶粒從不同方向探測引起的衰減與信噪比不同,聲速及聲阻抗也隨之發(fā)生變化,從而使聲速傳播方向產(chǎn)生偏離，給缺陷定位帶來困難；在焊接過程中，如果工藝處理不當，則易產(chǎn)生熱裂紋；在使用過程中，如果環(huán)境達到某些特定條件，則會產(chǎn)生應力腐蝕裂紋和晶間腐蝕裂紋，輕則造成海洋環(huán)境污染和經(jīng)濟損失，重則造成人民生命財產(chǎn)的損失。

考慮到奧氏體不銹鋼焊縫的晶粒組織粗大，當晶粒直徑接近超聲波波長的1/10 時，就會有明顯的聲散射；當晶粒直徑達到半個波長時，聲散射劇增，無法進行超聲檢測；在焊縫中晶粒增長方向平行于熱量流動的方向，并且受外延工藝支配，柱狀晶粒沿珠粒邊界增長，產(chǎn)生大量長且具有特定晶體取向的晶粒；長枝晶軸幾乎是垂直于焊縫中心和近似垂直于熔合線，很難用一般橫波斜探頭進行超聲檢測；此外，雜亂的散射回波會導致檢測信噪比降低，這是檢測奧氏體焊縫的主要困難所在；其次，產(chǎn)品壁厚大于100 mm，聲波衰減將大幅增加且聲束偏轉(zhuǎn)，檢測難度隨之增加。

針對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫檢測的難題，通過CIVA 工藝仿真，采用線陣相控陣探頭在試塊上進行檢測，可為攻克該類檢測難題提供思路。

2 缺陷檢測工藝

焊縫中的焊接缺陷，涵蓋裂紋、未熔合、未焊透等面積型缺陷和氣孔、夾渣等體積型缺陷，這些缺陷會減少焊縫的有效承載面積,削弱焊縫性能甚至引起焊縫斷裂,造成壓力容器、壓力管道失效,影響安全性能。

為了解決對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部缺陷的檢測，將進行檢測工藝驗證：制作了2 塊試件（100 ～120 mm 大厚度對接焊縫和100 ～120 mm的奧氏體不銹鋼角焊縫），工藝上著重考慮聲束覆蓋和檢測能力兩項內(nèi)容；利用CIVA 模擬的探頭，其頻率為2.25 MHz 和5 MHz、晶片間距為0.6 mm、晶片高度為10 mm、晶片總數(shù)為64 塊，對試塊進行仿真測試，并將參數(shù)進行極限化設置，以研究檢測中一些參數(shù)的邊界條件。

仿真要求實現(xiàn)相控陣超聲波束對焊縫及規(guī)定的熱影響區(qū)的全面覆蓋，并進一步確定檢測覆蓋方式對設定的人工缺陷的檢出能力，在此基礎上給出推薦的檢測工藝方案。

通過CIVA 仿真技術，得到優(yōu)化檢測工藝，采用相控陣超聲檢測技術進行檢測（PAUT），并將檢測結(jié)果同解剖驗證對比，最終確定大厚度特種鋼焊縫相控陣超聲檢測工藝。

3 CIVA 仿真

（1）本次使用的仿真軟件CIVA10.1,是法國原子能委員會開發(fā)的專業(yè)無損檢測仿真平臺。它由超聲、射線、渦流三個仿真模塊組成，每個模塊都有相應的仿真、成像和分析工具；仿真試驗使用的是超聲模塊，它是最早開發(fā)也是應用最成熟的模塊；CIVA 的主要作用是預測實際無損檢測的結(jié)果，設計和優(yōu)化檢測工藝；

（2）CIVA 的超聲仿真模塊，主要有聲場計算和缺陷響應兩大功能，本次試驗使用的是缺陷響應功能。它能夠在工件內(nèi)部設置任意數(shù)量的缺陷，并將缺陷放置在工件中的任何位置；CIVA 的仿真建模是基于半解析法，因此在計算速度上比有限元方法更快；

（3）在CIVA 中，聲波在工件中的振幅衰減是利用鉛筆模型來描述的，它把非均勻介質(zhì)分成若干個均勻介質(zhì)區(qū)域，并將各區(qū)域傳播矩陣相乘，從而得到非均勻介質(zhì)中的振幅衰減；

（4）在缺陷仿真上，CIVA 的使用了基于近似理論的散射模型。對于空心的體積型缺陷及類似的裂紋缺陷，釆用基爾霍夫近似，忽略沿著缺陷表面?zhèn)鞑サ牟ǎ诓ǖ姆瓷浞较蚪咏诓ǖ慕邮辗较驎r，這個模型是有效的；在類似裂紋缺陷的端角衍射波的模擬上，釆用幾何衍射理論模型；而對類似于夾雜等實心體積型缺陷的模擬，釆用修正的波恩近似模型。

3.1 高強鋼對接焊縫CIVA 仿真

對接焊縫模擬厚度為120 mm 高強鋼對接，仿真試驗采用的參數(shù)如下：相控陣探頭的晶片總數(shù)為32 個，晶片間距為0.6 mm,晶片高度為10 mm,探頭頻率為2.25 MHz，使用的楔塊是SA2-N55S 橫波楔塊，扇形掃查角度范圍為35°～ 73°，角度增益步進為1°；預設缺陷為：焊接表面缺陷、單個氣孔、橫向裂紋、縱向裂紋、坡口未融合。

此次實驗采用雙面雙側(cè)4 次掃查全覆蓋焊縫和熱影響區(qū)：對接焊縫覆蓋的仿真掃描如圖1 所示；在與各個缺陷相同的位置添加直徑為2 mm 的長橫孔，將長橫孔的信號波高作為基準波高對各個缺陷進行仿真計算，記錄各個缺陷的波高與對應長橫孔的信號比較，對檢測能力進行評估：對于比基準孔低10 dB 以上的信號，評估為一般；對比基準孔信號低4 dB～10 dB 的信號，評估為較好；比基準孔信號高10 dB 以下的信號，評估為好。

圖1 對接焊縫覆蓋仿真的掃描圖像

2.2 奧氏體不銹鋼角接焊縫CIVA 仿真

角接焊縫模擬厚度為100 ～120 mm 奧氏體不銹鋼，仿真試驗采用的參數(shù)如下：相控陣超聲波探頭的晶片總數(shù)為32 個晶片間距為0.6 mm，晶片高度為10 mm，探頭頻率為2.25 MHz，使用的楔塊為SA2-N60 L 縱波楔塊， A/B 面扇形掃查角度范圍為35°～73°，角度增益步進為1°；C 面使用的楔塊為SA2-N0L 縱波楔塊，扇形掃查角度范圍為-45°～+45°，角度增益步進1°；預設缺陷為：表面缺陷、單個氣孔、未焊透、裂紋、坡口未熔合。

此次實驗選擇在角焊縫A/B/C 面分別檢測，通過A/B/C 面3 次掃查全覆蓋焊縫和熱影響區(qū)。仿真掃描圖像見圖2，檢出評估見表1。

圖2 不銹鋼角接焊縫仿真缺陷檢測圖

表1 角接焊縫典型缺陷檢測結(jié)果

通過仿真數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）從聲束覆蓋的結(jié)果看，對于厚度較大的工件釆用超聲相控陣檢測可以實現(xiàn)聲束全覆蓋；

（2）從檢出能力的仿真結(jié)果看，超聲相控陣檢測對于聲束指向性高的缺陷（如未熔合缺陷），其檢測的可靠性優(yōu)勢明顯，對預設缺陷可以有效的檢出。

3 試塊制作

3.1 試塊坡口及缺陷類型

試塊坡口類型：對接焊縫X 型坡口；角焊縫K型坡口；對接焊縫坡口角度60°；角焊縫坡口角度45°。試塊長度1 m，包含5 種類型（裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔）的12 個缺陷。

3.2 試塊制作

參照NB/T47013-2015 標準，制作了對接焊縫和角焊縫2 種類型試塊：對接焊縫采用Φ2*60 mm 長橫孔試塊；角接焊縫采用缺陷段制作Φ2*60 mm 長橫孔試塊。

4 檢測參數(shù)選擇

（1）按CIVA 仿真結(jié)果對2 塊試塊的五種缺陷進行實際檢測：采用Omniscan X32/128 和M2M 64/128相控陣超聲檢測系統(tǒng)，配合5L64A2 和2.25L64A2 線陣列探頭進行實驗；奧氏體不銹鋼焊縫為高衰減材料，選擇低公稱頻率探頭和增加晶片尺寸，試驗使用水耦合；

（2）按儀器性能和探頭晶片數(shù)量，通過不同的探頭和激發(fā)孔徑設置檢測參數(shù)，通過選用不同激發(fā)孔徑和不同聚焦法則，結(jié)合人工對比試塊進行測驗，驗證PAUT 檢測的可行性；PAUT 法采用扇形掃查方法,對接焊縫采用雙面雙側(cè)掃查和單面雙側(cè)掃查；角焊縫采用A、B、C 進行3 面掃查；

（3）通過對晶片激發(fā)數(shù)量的改變來模擬不同的激發(fā)孔徑：對接焊縫選用激發(fā)32 塊晶片進行驗證，奧氏體不銹鋼角接焊縫選用激發(fā)64 塊晶片進行驗證。

經(jīng)過以上驗證測試：PAUT 法采用扇形掃查方法,可以實現(xiàn)對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼角焊縫進行檢測；通過不同的激發(fā)孔徑對試塊檢測后的數(shù)據(jù)進行分析，分析采用，采用波幅超聲波檢測方法（A 掃描），凡信號波幅超過20%DAC 基準線，先確定其超聲信號顯示是缺陷信號顯示還是幾何形狀顯示，當反射體判定為缺陷信號，即超過評定線的缺陷，應確定其位置、波幅和長度范圍。

5 檢測結(jié)果

5 種常見缺陷的相控陣檢測成像結(jié)果，如圖3 所示：PAUT 的界面均可顯示S 掃(扇掃圖)、A 掃、C 掃(俯視圖)和D 掃(側(cè)視圖)。

由圖3 可知：相控陣超聲具有良好的檢測缺陷能力，缺陷顯示直觀、重復性好，且能較準確提供缺陷的長度、深度和高度等信息。特別是從缺陷顯示的角度來觀察，傳統(tǒng)超聲設備是用脈沖回波來展示結(jié)果，而相控陣是用非常接近缺陷實際形狀的顯示圖像來展示檢測結(jié)果。

圖3 五種典型缺陷檢測成像結(jié)果

6 解剖驗證

在所有對比檢測完成后，對缺陷試塊進行解剖驗證。由于缺陷試塊制作時，對缺陷的定位和高度存在一定的誤差,為了較準確地確定焊道內(nèi)焊接裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔的長度、自身高度和深度，同時考慮到大厚度試塊體積和機加工能力，對整條試塊焊縫采用銑床逐層解剖并測量的方法。將試塊由右端向左端進行切片，每次去除量為0.5 mm，直至缺陷發(fā)現(xiàn)并完全清除；由切割后截面為缺陷的俯視圖,可以測量焊縫未熔合、未焊透、夾渣、氣孔的長度、自身高度和深度。

根據(jù)解剖驗證結(jié)果：對2 塊試塊的24 個缺陷進行解剖驗證，除1 個單氣孔未檢出外，其他缺陷都能有效檢出，PAUT 檢出率達95.83%。

7 結(jié)論

對大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部缺陷進行了CIVA 仿真、相控陣檢測以及解剖驗證。對比仿真試驗和實際檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：CIVA 軟件仿真試驗的結(jié)果與對比試塊試驗結(jié)果吻合性較好；采用基于CIVA 仿真所選用的線陣相控陣探頭，能在一定程度上解決大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部缺陷超聲檢測的難題，為大厚度高強鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部缺陷的超聲檢測提供一種參考。