小口径不锈钢管相控阵超声检测方法研究分析

   浙江至德钢业有限公司概述了采用相控阵超声技术检测小口径不锈钢管对接接头的局限性，通过CIVA声场仿真实验，提出常规横波相控阵探头和双晶线阵相控阵探头的工艺方案，并进行对比试验分析，寻找小径管不锈钢对接接头相控阵超声检测工艺设计研究方向。

   在核电、石化和火电等领域中，不锈钢材料因具有无磁性、高韧性和耐腐蚀等优点被广泛应用，特别是核电机组建设中，主回路管道、冷却剂主管道热管段、过渡管段等核电安全一级装置，都大量采用奥氏体不锈钢材料，在火电机组中的再热器系统也大都采用了奥氏体不锈钢材质。目前的检测标准和工艺条件要求对该类焊缝都采用分层渗透检测和射线检测，但渗透检测仅能检测表面开口缺陷，射线检测对危害性较大的面积性缺陷也并不敏感，使得奥氏体不锈钢焊缝的检测质量远远达不到要求。

   近几年，随着《无损检测超声检测相控阵超声检测方法》(GB/T 32563－2016)和《火力发电厂焊接接头相控阵超声检测规程》(DL/T 1718－2017)等相控阵超声检测标准的发布，在火电、核电、石油石化等众多领域采用相控阵超声检测技术代替传统射线检测和常规超声检测的案例越来越多，铁素体钢制焊接接头的相控阵超声检测技术也愈发成熟。

  本文将着重分析小口径不锈钢管对接接头的超声声场特征，从采用一维线性探头横波检测和双晶线阵探头纵波检测等工艺试验对比，寻求奥氏体不锈钢管相控阵超声检测工艺的研究方向。

一、粗晶奥氏体不锈钢的超声声场特征分析

   奥氏体不锈钢材料组织不均、晶粒较大，具有明显的各向异性，而且超声波在该材料传播过程中的声能衰减较大，并会产生超声波的散射、衍射和反射等现象，以上因素都会严重影响相控阵超声检测对奥氏体不锈钢内部缺陷的定位、定性和定量。本次试验采用材质为316L、焊缝为镍基合金的试件，采用顶面频率为2 MHz的声束传感器作为发射机，沿X方向80mm和Y方向40mm进行扫描，在试样的侧面采用频率为2 MHz的传感器进行接收，用于测量焊缝中声波的传播以及在传播期间的任意时间观察波前。

   图为声束进入焊缝一定时间T以及4μs、9μs时的波前图。从光弹实验的结果发现，随着声波进入镍基合金焊缝时间的延长，其散射和衰减作用非常明显。表是频率为2 MHz的入射光束对晶粒取向作用的实验数据，数据表明:声波进入粗晶材料后会发生衰减，且不同晶粒方向上的衰减作用也不同。

   各向异性材料对横波和纵波的传播影响是不同的，图是横波和纵波在同一各向异性材料中的传播慢度图(慢度为速度的倒数)，(a)、(b)、(c)分别表示波在X、Y、Z三个不同空间方向传播，通过慢度图我们可以看出，纵波在这三个方向的传播都是稳定的。

   我们通过CIVA仿真软件构建了几组焊缝材质为304L小口径不锈钢管的对接接头模型，实验采用频率为2 MHz、晶片数为32、楔块角度60°的线阵相控阵探头。图是采用纵波和横波检测工件厚度为50mm的仿真实验数据，仿真结果中可以很清楚观察到纵波在各向异性材料中传播受到的散射、衰减和偏转等影响更小。主要原因是纵波波长更长，受影响相对较小。依据上述光弹试验和声场仿真实验结果可知，与横波检测相比，采用纵波检测粗晶奥氏体材料可行性更高。

二、实验对比

1. 实验概况

   本次实验分别选择了频率为7.5 MHz、晶片数为16的一维线性相控阵探头采用横波进行检测，以及频率为5 MHz、晶片数为16的双晶线阵相控阵探头采用纵波进行检测，表2为分别采用一维线性相控阵探头和双晶纵波相控阵探头的方案概况，图是两种不同探头的CIVA仿真检测模型。选用3根不同规格的奥氏体不锈钢模拟试管，试管的详细预制信息见表。

2. 实验结果分析

  编号304奥氏体小口径不锈钢管检测结果对比分析，采用方案一横波检测和方案二纵波检测的结果分别见图。我们将方案一和方案二的检测结果进行了统计对比分析，从图中可以发现，方案二采用纵波双晶探头检测图谱的信噪比远远优于方案一，具体检测结果见表。

  检测结果表明，采用方案二可以将试管中的所有缺陷都检测出来，且缺陷的长度和深度与模拟试管预制参数几乎一致；方案一采用横波一次反射波检测表面裂纹，由于信噪比太差，无法分辨气孔和夹渣的缺陷信号，导致缺陷长度测量偏差较大。表是采用方案二检测试管中5个缺陷的信噪比统计表。结果显示，采用双晶线阵探头检测试管中5个缺陷的信噪比都大于12dB，更有利于缺陷信号的识别。

编号316L奥氏体不锈钢试管检测结果对比分析，采用方案一横波检测和方案二纵波检测的结果分别见图。我们将方案一和方案二的检测结果进行了统计对比分析，从图中可以发现，方案二采用纵波双晶探头检测图谱的信噪比依旧远远优于方案一。方案一可有效检出根部裂纹和坡口未熔合，并准确测量，但未能检出气孔和夹渣缺陷。方案二采用纵波双晶探头准确检测出316L模拟试管的四个缺陷，具体检测结果见表。

  在粗晶奥氏体不锈钢相控阵超声检测中，采用纵波双晶线阵相控阵探头进行检测，信噪比和缺陷检出率都远远优于常规横波线阵相控阵探头。采用纵波双晶探头检测小口径不锈钢管，可检出绝大部分缺陷，但是采用纵波检测采集的相控阵图谱中对缺陷定量的分辨力不如横波精确，受变形波的影响，需要仔细分析，才能定量准确。采用双晶纵波探头检测奥氏体粗晶材料小径管是可行的，下一步，应通过改善仪器的组合性能，提高成像纵向分辨力，提高缺陷的测量精度。