蔣政培,王 強(qiáng),謝正文,范昕煒

(中國計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

奧氏體不銹鋼焊縫的超聲相控陣檢測(cè)及定量分析

蔣政培,王 強(qiáng),謝正文,范昕煒

(中國計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

奧氏體不銹鋼管道焊縫缺陷的檢測(cè)已引起無損探傷人員的密切關(guān)注.今利用超聲相控陣技術(shù)對(duì)奧氏體不銹鋼管道焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè),并與20#碳鋼檢測(cè)成像效果進(jìn)行比對(duì).結(jié)果表明,相控陣超聲波在20#碳鋼中有很好的穿透性,而在奧氏體不銹鋼焊縫中超聲波信號(hào)衰減較為嚴(yán)重.奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)域缺陷信號(hào)信噪比最大值為9 dB,當(dāng)探傷深度大于30 mm時(shí),其信號(hào)衰減符合衰減方程描述.對(duì)于焊縫區(qū)域深度大于50 mm,尺寸小于φ2 mm的橫通孔,超聲相控陣技術(shù)無法清晰地探傷到此類缺陷.對(duì)于奧氏體不銹鋼焊縫,橫波檢測(cè)成像的信噪比要高于縱波.

超聲相控陣;奧氏體不銹鋼;焊縫缺陷;信噪比

奧氏體不銹鋼無磁性且具有良好的塑性,極佳的耐腐蝕性,優(yōu)良抗氧化性能[1],因而被廣泛應(yīng)用.近年來,由于生產(chǎn)工藝的進(jìn)步,奧氏體不銹鋼厚壁管道已經(jīng)被應(yīng)用于核工業(yè)和化工行業(yè)等重要領(lǐng)域.但奧氏體不銹鋼管道焊縫在高溫、高壓、放射性、水流沖擊等環(huán)境下工作時(shí),其結(jié)構(gòu)容易被破壞.常規(guī)超聲檢測(cè)方法可以用于不銹鋼面型裂紋缺陷的檢測(cè),但面對(duì)晶粒粗大且各向異性的奧氏體組織[2],常規(guī)超聲差穿透力不足,得到的圖像分辨度不高,因此深厚奧氏體不銹鋼材料的超聲檢測(cè)多年來一直倍受關(guān)注[3].目前,國內(nèi)外已有多家大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)開展了對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫缺陷的超聲相控陣檢測(cè)研究.比如李衍針對(duì)異種鋼焊縫進(jìn)行了相控探傷,提出了用電子背散射衍射技術(shù)來解決奧氏體聲場(chǎng)畸變帶來的問題[4].HU Dong等人用相控超聲技術(shù)對(duì)多層次組織焊縫的不銹鋼尿素反應(yīng)塔進(jìn)行了檢測(cè),獲得了高信噪比的探傷圖像[5].肖琨通過改進(jìn)DORT算法,使得奧氏體不銹鋼管道內(nèi)部缺陷的相控超聲成像更為清晰[6].法國電力公司的CHASSIGNOLE等人使用ATHENA有限元檢測(cè)了超聲波在奧氏體不銹鋼焊縫中的衰減,并建立了衰減模型[7].YE J等人對(duì)于各向異性的焊縫缺陷進(jìn)行了超聲相控陣檢測(cè)[8],發(fā)現(xiàn)超聲波在焊縫區(qū)域衰減較為嚴(yán)重.目前國內(nèi)對(duì)于管道焊縫的超聲相控陣檢測(cè)并進(jìn)行定量分析的相關(guān)文獻(xiàn)較少,缺少一定的定量檢測(cè)分析數(shù)據(jù),而開展對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫組織區(qū)域缺陷回波信號(hào)的定量分析,卻能夠更準(zhǔn)確地了解不銹鋼焊縫區(qū)域的內(nèi)部特性,洞悉超聲波在奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)域具體的衰減規(guī)律,以得到更精確的探傷結(jié)果.

本文重點(diǎn)研究奧氏體不銹鋼管道焊縫缺陷的超聲相控陣檢測(cè),對(duì)焊縫試塊中深度為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm,尺寸為φ2 mm×30 mm的橫通孔進(jìn)行檢測(cè),與20#碳鋼中深度為40 mm、80 mm、120 mm、160 mm,尺寸為φ3 mm×30 mm的橫通孔的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),定量分析了奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)域超聲波的衰減規(guī)律.分析比較扇形掃查和線形掃查兩者不同方式獲得的掃查結(jié)果的區(qū)別.

1 超聲相控陣檢測(cè)原理

與傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)相比,超聲相控陣檢測(cè)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),最顯著的特點(diǎn)是聲束偏轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)聚焦,兩者都是通過相位可控的超聲波實(shí)現(xiàn)的.超聲相控陣是依據(jù)惠更斯-菲涅耳(Huyghens-Fresnel)原理[9],通過各陣元發(fā)出相位可相互抵消或疊加的相干波,形成特定規(guī)律的穩(wěn)定聲場(chǎng).

圖1 相控聚焦原理示意圖Figure 1 Phased focusing principle diagram

相控聚焦原理如圖1,超聲波聚焦點(diǎn)為P,焦距為f,相鄰陣元間中心距為d,媒質(zhì)聲速為c,0號(hào)陣元為中心陣元，t0為足夠大的時(shí)間常數(shù),以避免延遲時(shí)間為負(fù).當(dāng)P位于中心陣元正前方時(shí),根據(jù)幾何聲程差,可計(jì)算出第n個(gè)陣元相對(duì)于中心陣元的激勵(lì)信號(hào)發(fā)射時(shí)間為tfn為[10]

(1)

本文所涉及的探頭為線性超聲相控探頭,其聲場(chǎng)空間任意一點(diǎn)r(x,y,z)在t時(shí)刻的聲壓分布滿足瑞利積分[11]

(2)

(3)

不同的檢測(cè)手段所獲得的圖像會(huì)有不同的信噪比(SNR),它反映了圖像的清晰程度,可通過以下公式計(jì)算得到

(4)

式(4)中：I0,I1—實(shí)際聲強(qiáng)和參考聲強(qiáng)[12].

2 試塊及相關(guān)信息

本實(shí)驗(yàn)所用碳鋼試塊為RB-3/20(以下簡稱試塊A),用于模擬超聲波在20#對(duì)接焊縫鋼管道中的傳播.試塊A長350 mm,寬40 mm,高170 mm,其標(biāo)準(zhǔn)反射體為8個(gè)尺寸為φ3 mm×40 mm的橫通孔,各橫通孔的深度位置如圖2(a)所示.另外,本實(shí)驗(yàn)組還定制了一塊奧氏體不銹鋼焊縫試塊(以下簡稱試塊B),試塊B長300 mm,寬30 mm,高90 mm,其標(biāo)準(zhǔn)反射體為5個(gè)處于V型焊縫邊緣尺寸為φ2 mm×30 mm橫通孔,其深度位置如圖2(b).

圖2 試塊圖像Figure 2 Images of the testing blocks

內(nèi)容試塊A試塊B試塊類型橫通孔試塊橫通孔試塊尺寸/mm3長×寬×高350×40×170300×30×90材質(zhì)20#304孔徑/mm?3×40?2×30實(shí)驗(yàn)檢測(cè)橫通孔個(gè)數(shù)45試塊標(biāo)準(zhǔn)GB11345—89JB/T4730—2005

為了避免檢測(cè)楔塊附近的菲涅爾區(qū)對(duì)回波信號(hào)成像的干擾,避免空間重疊,對(duì)試塊A進(jìn)行檢測(cè)時(shí),特選擇了距離試塊探傷表面較遠(yuǎn),深度為40 mm、80 mm、120 mm、160 mm的四個(gè)橫通孔作為檢測(cè)目標(biāo).

實(shí)驗(yàn)儀器如表2.

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

3 超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果

3.1 20#碳鋼試塊檢測(cè)結(jié)果

圖3 試塊A及其超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果 Figure 3 Block A and the detection result by ultrasonic phased array

圖3為試塊A及其超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果.如圖3(a),4個(gè)橫通孔處于同一豎直線上.圖3(b)為橫波S掃描圖像,掃查角度為30°～70°,掃查深度為15～180 mm,增益參數(shù)設(shè)置為50 dB.通過對(duì)相應(yīng)A掃描圖像進(jìn)行分析,在深度為160 mm處缺陷信號(hào)信噪比達(dá)到了10 dB,說明相控陣超聲波在20#鋼中具有較強(qiáng)的穿透力.圖3(b)中,隨著探傷深度的增加,大小相同的缺陷的回波信號(hào)在逐漸減弱,且雜波信號(hào)略有增加.這是由于探頭發(fā)射聲波的特性、試塊材質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)等因素使得超聲波在材料內(nèi)部傳播時(shí)發(fā)生散射和畸變,導(dǎo)致超聲波不能按設(shè)定的法則進(jìn)行聚焦和傳播,造成一部分超聲信號(hào)無法被有效利用而轉(zhuǎn)變?yōu)樵肼曅盘?hào),從而出現(xiàn)雜波.所以，隨著深度的增加,超聲波的聲能逐漸減少,而雜波信號(hào)逐漸加強(qiáng).

3.2 奧氏體不銹鋼焊縫試塊檢測(cè)結(jié)果

圖4為試塊B及其超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果.圖4(a)中的5處缺陷呈V字形.圖4(b)顯示的深度范圍為5～90 mm.在增益同為50 dB的條件下,從圖4(b)中可看出,試塊上位于V型焊縫區(qū)域附近且深度為10 mm、30 mm、50 mm(分別為圖4(a)中的B1、B2、B3三處)的缺陷的檢測(cè)結(jié)果較為清晰,其信噪比分別為7 dB、9 dB、8 dB.從理論上而言,三者信噪比應(yīng)逐漸降低,但實(shí)際檢測(cè)情況并非如此,10 mm處的缺陷信噪比低于30 mm處是由于該缺陷過于靠近檢測(cè)楔塊,造成了楔塊近場(chǎng)附近的菲涅耳區(qū)對(duì)超聲波信號(hào)產(chǎn)生干擾,使得系統(tǒng)無法分辨缺陷信號(hào).而位于70 mm處的缺陷在圖像上無法觀測(cè)到,這是由于不銹鋼內(nèi)部大量的晶粒粗大且各向異性的奧氏體組織造成了超聲信號(hào)的衰減,導(dǎo)致其回波信號(hào)強(qiáng)度不夠大,不足以和雜波信號(hào)區(qū)分開來,使得缺陷信號(hào)湮沒在雜波信號(hào)中.

對(duì)比圖3和圖4,在相同的增益下,兩試塊的檢測(cè)結(jié)果存在差異.由于20#鋼內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較均勻,介質(zhì)材料各向異性差異不大,信號(hào)衰減程度較弱,這使得利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)到深度大于160 mm的缺陷信號(hào),且信噪比可以達(dá)到10 dB.然而，對(duì)于奧氏體不銹鋼,超聲相控陣對(duì)其檢測(cè)的成像效果要低于20#鋼.同增益時(shí),圖4所顯示的檢測(cè)效果中所含的雜波信號(hào)明顯要高于圖3.

圖4 試塊B及其超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果Figure 4 Block B and the detection result by ultrasonic phased array

實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)組還使用60°縱波相控探頭分別對(duì)試塊A、B進(jìn)行了檢測(cè),對(duì)試塊A進(jìn)行檢測(cè)時(shí),其檢測(cè)圖像與55°橫波檢測(cè)結(jié)果相似,但是試塊B的縱波檢測(cè)效果不如橫波,其原因在于縱波入射時(shí)在檢測(cè)試塊和楔塊之間發(fā)生了波形轉(zhuǎn)換,其聲束經(jīng)過多次的反射和折射后分散為眾多能量較弱的聲束,使得進(jìn)入試塊的波形中包含橫波和縱波兩種波形,兩者相互干擾影響了回波信號(hào),造成成像模糊.同時(shí),由于縱波波長較長,其在橫通孔處產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象更為嚴(yán)重,導(dǎo)致回波信號(hào)變得更弱.

當(dāng)增益增大至58 dB時(shí),試塊B的線性掃查結(jié)果如圖5所示.從檢測(cè)結(jié)果可知,在缺陷回波信號(hào)放大的同時(shí)雜波信號(hào)也隨著變大,其噪聲含量明顯高于圖4,且在線形掃查過程中,超聲信號(hào)的衰減速率大于扇形掃查時(shí)超聲波的衰減速率.由于奧氏體焊縫組織的不均勻性和各向異性,增大增益對(duì)于提高圖像信噪比而言沒有太大的作用.在這種情況下,為了獲得更高的信噪比成像,可以通過增加探頭陣元數(shù)目、加大探頭發(fā)射能量等途徑來實(shí)現(xiàn).

圖5 試塊B的線形掃查結(jié)果Figure 5 Detection result of block B by linear scan

3.3 奧氏體不銹鋼中相控陣超聲波信號(hào)衰減定量分析

本次試驗(yàn)中,超聲波頻率f0為5 MHz,可以得到橫波波長λ為0.646 mm.一般而言,奧氏體不銹鋼焊縫中的柱狀晶平均直徑d在0.5 mm以上[13],可以認(rèn)為d和λ相等,此時(shí)超聲波在奧氏體不銹鋼內(nèi)部的衰減系數(shù)α滿足關(guān)系[14]

(5)

式(5)中：C—材料的散射系數(shù),F—各向異性因子,d—晶粒直徑,f0—聲波頻率.此處F可取2[15].由此可知,若選擇頻率較低的超聲相控探頭,在一定程度上可使得衰減系數(shù)降低,減少傳播過程中的聲壓降,提高缺陷信號(hào)的信噪比與分辨率,提高圖像清晰度,因而用低頻探頭檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫缺陷能獲得更好的檢測(cè)效果.

圖6 超聲信號(hào)衰減圖Figure 6 Ultrasonic signal attenuation figure

超聲信號(hào)在試塊B焊縫區(qū)域的衰減強(qiáng)度如圖6所示,x為探傷深度，px為回波信號(hào)強(qiáng)度.當(dāng)探傷深度小于30 mm時(shí),回波信號(hào)的信噪比較低,夾雜著較多的雜波,越是靠近探頭草狀雜波信號(hào)越強(qiáng),這是由于超聲近場(chǎng)區(qū)域的超聲波相互干涉造成的,且規(guī)律較為復(fù)雜,使得探傷人員在實(shí)際的探傷過程中易出現(xiàn)誤判,但近場(chǎng)效應(yīng)又無法完全避免.當(dāng)探傷深度大于30 mm時(shí),缺陷的信號(hào)強(qiáng)度迅速衰減,30 mm處焊縫缺陷信號(hào)信噪比為9 dB,50 mm處為8 dB,70 mm處為5 dB,造成此區(qū)域范圍內(nèi)信號(hào)衰減的主要原因是大量各向異性的奧氏體組織造成超聲信號(hào)的強(qiáng)烈散射,使得信號(hào)在傳播過程中迅速衰減,造成聲能流失,其衰減規(guī)律基本符合衰減方程描述[10]

px=p0·e-αx.

(6)

式(6)中：px—傳播距離x后的聲壓,p0—聲波的初始聲壓.

4 結(jié) 語

1)對(duì)于20#碳鋼內(nèi)部缺陷,利用超聲相控陣能夠清晰地檢測(cè)出缺陷的深度信息和尺寸信息,對(duì)于160 mm處尺寸為φ3 mm的缺陷,其回波信號(hào)信噪比可達(dá)10 dB.在相同實(shí)驗(yàn)條件下檢測(cè)奧氏體不銹鋼焊縫缺陷,檢測(cè)效果不如碳鋼檢測(cè)效果明顯,對(duì)深度大于50 mm尺寸不大于φ2 mm的焊縫處缺陷,其成像信噪比小于7 dB,檢測(cè)效果不佳.

3)使用橫波對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行相控超聲檢測(cè)比同頻率下的縱波檢測(cè)獲得的圖像信噪比更高.

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Detection and quantitative analysis of the weld in austenitic stainless steel based on ultrasonic phased array

JIANG Zhengpei, WANG Qiang, XIE Zhengwen, FAN Xinwei

(College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

The detection of defects in austenitic stainless steel was focused in the NDT field. The ultrasonic phased array was used to detect the defects in austentic stainless steel pipeline welds. The detection results of the two specimen blocks(the 20#carbon steel block and the austentic stainless steel block) were compared in detail. It showed that the ultrasonic wave could penetrate the carbon steel block easily, while the ultrasonic wave energy decreased rapidly in the austenitic steel block. The largest signal noise ratio of ultrasonic wave echo signals in austenic stainless steel blocks was just 9 dB. The significant attenuation satisfied the rule of attenuation equation,when the defect depth was more than 30 mm. It was difficult to detect the horizontal hole of the size ofφ2 mm when the defect depth was more than 50 mm. Compared with the longitudinal wave detection, a better SNR can be got by transverse wave detection.

ultrasonic phased array; austenitic stainless steel; weld defect; signal noise ratio

1004-1540(2015)02-0166-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.008

2015-01-15 《中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51374188),質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(No.201410027,201410028).

TG115.28+5

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