羅　瑯，王建平，奚延安，燕　輝,錢　輝

(南京寶色股份公司, 南京 211100)

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N08810鎳基合金焊縫的超聲檢測

羅瑯，王建平，奚延安，燕輝,錢輝

(南京寶色股份公司, 南京 211100)

針對N08810鎳基合金焊縫超聲檢測時信號衰減嚴(yán)重，信噪比低，從而影響缺陷的判定及定位、定量等難題進(jìn)行了分析,并對該鎳基合金焊縫超聲檢測用的探頭、對比試塊、信噪比及DAC曲線作了探討。結(jié)果表明，研制的縱波雙晶斜探頭在粗晶N08810鎳基合金焊縫的超聲檢測中效果明顯，提高了檢測信噪比及缺陷檢出率,自行設(shè)計、加工制作的鎳基合金焊縫對比試塊符合檢測要求，并對N08810鎳基合金焊縫超聲檢測工藝進(jìn)行了可檢性評價，該工藝在工程實踐中得到了應(yīng)用，并取得了良好的效果。

縱波雙晶斜探頭；粗晶鎳基合金；焊縫對比試塊； 超聲檢測

UNS N08810鎳基合金為美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM B409的牌號，相當(dāng)于Incoloy 800H，屬Ni-Fe-Cr系鎳基合金，具有很好的耐腐蝕和抗高溫氧化性能，尤其是在1 000 ℃的高溫下具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐熱疲勞、耐高溫沖擊性能，且在固溶情況下具有優(yōu)越的抗壓力破裂特性，廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)中各類高溫高壓設(shè)備及傳輸管線等結(jié)構(gòu)中。而該材料在常溫下主要以奧氏體形態(tài)存在，故具有奧氏體不銹鋼類似的聲學(xué)特征。

從20世紀(jì)70年代起，國內(nèi)外對鎳基合金焊縫、奧氏體不銹鋼焊縫的超聲檢測都作了大量研究，由于檢測方法較復(fù)雜，與鐵素體鋼的超聲檢測相比，其適用范圍仍受到一定限制。為了解決N08810鎳基合金焊縫超聲檢測難題，以及滿足實際生產(chǎn)需要，筆者所在單位研發(fā)了縱波雙晶斜探頭，設(shè)計了用于檢測鎳基合金焊縫的對比試塊，制定了N08810鎳基合金焊縫超聲波檢驗規(guī)程及檢測工藝卡，取得了良好應(yīng)用效果。

1　N08810鎳基合金焊縫超聲檢測方法

1.1N08810鎳基合金焊縫對超聲檢測的影響

N08810鎳基合金焊縫及奧氏體不銹鋼焊縫等粗晶材料的超聲檢測存在一些問題：① 粗晶組織對超聲波的衰減很大，林狀回波的出現(xiàn)降低了缺陷的信噪比。② 超聲波穿過異種金屬焊縫界面時產(chǎn)生的折射會使超聲波傳播路徑發(fā)生畸變，且異種金屬焊縫界面會引起偽缺陷信號，造成誤判。③ 焊縫的粗大晶粒和各向異性易使得超聲傳播路徑發(fā)生畸變。這些因素都會給超聲檢測和缺陷檢出及定位、定量造成極大困難。鑒于鎳基合金及奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測的特殊性，進(jìn)行該類粗晶材料焊縫超聲檢測的人員，應(yīng)掌握一定的材料和焊接基礎(chǔ)知識，才能對檢測中可能出現(xiàn)的問題做出正確的分析、判斷和處理。同時檢測人員需要接受一定時間的有關(guān)奧氏體不銹鋼焊縫檢測的培訓(xùn)[1]，了解奧氏體不銹鋼焊縫的組織特征及聲學(xué)性能。另外，粗晶材料焊縫的超聲檢測一直是超聲檢測中的難題[2]。下面針對具體的影響進(jìn)行分析。

1.1.1焊縫的粗晶組織對超聲波的影響——衰減

超聲波在傳播過程中的衰減主要有散射衰減，由于鎳基合金金屬焊縫的介質(zhì)晶粒較大且具有各向異性，會導(dǎo)致嚴(yán)重的散射，當(dāng)焊縫晶粒的直徑接近超聲波波長的1/10時，就會有明顯的聲散射[3]；散射的強弱和超聲波聲束與晶粒軸線之間的夾角有關(guān)。被散射的超聲波沿著復(fù)雜的路徑傳播到探頭時，在顯示屏上會引起草狀回波，使信噪比下降。草狀回波較為嚴(yán)重時，噪聲信號會淹沒缺陷信號。

1.1.2焊縫的各向異性對超聲波的影響——改變傳播方向

金屬結(jié)構(gòu)的各向異性會導(dǎo)致超聲波的傳播方向改變，聲衰減值和聲速大小都受波束方向和晶軸之間夾角的影響；由于母材、焊縫材料的各向異性的影響，會導(dǎo)致超聲波在傳播過程中產(chǎn)生聲束的偏轉(zhuǎn)；鎳基合金的焊縫熔合面、焊縫內(nèi)部晶粒間的界面組織差異顯著，超聲波束入射到該異質(zhì)界面會發(fā)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換或由于反射回波疊加容易產(chǎn)生假信號[3]。

1.1.3焊縫粗晶對超聲波的影響——試塊

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，要求焊縫對比試塊的厚度與工件一致或在一定偏差范圍內(nèi)；試塊上人工缺陷的最大深度小于工件厚度。如在美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASME)標(biāo)準(zhǔn)中，焊縫對比試塊上橫孔的最大深度位于試塊厚度的3/4處。這種情況僅適用于被檢測材料的衰減系數(shù)較小(鐵素體碳鋼采用二次波檢測)的情況。

鎳基焊縫對超聲波的衰減很大；超聲波可檢測的最大深度無法覆蓋工件厚度時，無法保證工件上未覆蓋區(qū)域的檢測靈敏度；設(shè)計試塊時應(yīng)保證人工缺陷的深度覆蓋備檢工件最大深度，即缺陷深度處于一倍板厚處時檢測靈敏度滿足規(guī)范要求。

1.1.4焊縫粗晶對超聲波的影響——探頭

當(dāng)探頭接收到從缺陷上返回的超聲波時，接收到的信號頻率通常低于發(fā)射時超聲波的頻率，這是材料對超聲波產(chǎn)生低通濾波的影響；材料晶粒粗大時，低通濾波效應(yīng)變大。同時，考慮到超聲檢測時頻率越高衰減越大，穿透力越低，通常推薦用0.52.5 MHz窄脈沖縱波雙晶斜探頭[3]。但JB/T 4730.3-2005《承壓設(shè)備無損檢測》附錄N未給出探頭具體的晶片尺寸及規(guī)格要求。同時實際檢測時，需要根據(jù)檢測材料的特點研制合適的探頭。

綜上分析，鎳基合金焊縫超聲檢測工藝中，探頭是檢測工藝最關(guān)鍵的因素，直接決定該工藝是否可行；焊縫對比試塊設(shè)計時應(yīng)保證人工缺陷的深度設(shè)置覆蓋待檢工件最大厚度。焊縫上設(shè)置最大深度人工反射體的信噪比對檢測深度范圍及可檢性評價具有較大實際意義。

1.2縱波雙晶斜探頭及對比試塊研制

1.2.1自行設(shè)計制作的縱波雙晶探頭

為解決鎳基合金焊縫超聲檢測晶粒粗大引起噪聲信號較大，缺陷信號較弱，檢測靈敏度較低等問題，在分析粗晶對超聲檢測影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合JB/T 4730.3-2005附錄N要求及《大厚度奧氏體鋼焊縫超聲檢測用縱波斜射雙晶探頭研制》中相關(guān)制作經(jīng)驗[4-5]，研制了專用縱波雙晶斜射探頭。探頭實物如圖1所示，相關(guān)參數(shù)為：探頭名稱為VRY45-2；頻率為2 MHz；采用進(jìn)口復(fù)合材料晶片制作，單片晶片尺寸12 mm×24 mm；探頭角度為45°，理論聚焦深度約為30 mm；理論檢測范圍為3060 mm。

圖1　自行設(shè)計制作的縱波雙晶斜探頭實物

測試儀器：CST-22型;測試試塊：奧氏體標(biāo)準(zhǔn)試塊。測試數(shù)據(jù)為：① 回波頻率誤差：不大于10%。② 靈敏度余量：不小于58 dB。③ 空載始波寬度：窄脈沖。④ 分辨率：不小于28。⑤ 聲速偏斜角：不大于1°。⑥ 實測K值/角度：45O。⑦ 測試焦點：26 mm。測試用奧氏體標(biāo)準(zhǔn)試塊實物如圖2所示。

圖2　探頭廠家測試用奧氏體標(biāo)準(zhǔn)試塊

1.2.2自行加工制作的N08810鎳基合金焊縫對比試塊

試塊備料尺寸長250 mm，寬60 mm，厚75 mm，

材料為N08810，根據(jù)實際設(shè)備制作的焊接工藝施焊而成。試塊正面有三個φ2 mm×40 mm的孔，鉆孔位置與大坡口左側(cè)平齊；焊縫右側(cè)加工成類似CSK-IA R100/R50 臺階，紅色標(biāo)記部分切割至該原始表面下20 mm，R50下部分R弧圓滑過渡，參照CSK-1A 試塊。試塊反面在焊縫中心線(在距焊縫大坡口邊緣約30 mm處)有三個φ2 mm×40 mm的孔。共需鉆6個φ2 mm×40 mm孔，已在實物上標(biāo)記，與圖示深度數(shù)據(jù)要求一致后，按外協(xié)單位制作流程開孔。試塊設(shè)計及實物外觀如圖3所示。

圖3　試塊設(shè)計示意及實物外觀

(1) 將CSK-1A和N08810焊縫對比試塊相結(jié)合，設(shè)計制作一試塊，該試塊具備兩塊試塊的功能。母材、焊縫開孔位置以及CSK-1A R弧位置布局合理，可有效提高試塊實用性。將探頭零點校核、聲速測試、焊縫及母材DAC曲線制作等檢測步驟都用于同一試塊，適合現(xiàn)場檢測使用，攜帶方便[6]。

(2) 在焊縫上設(shè)置T/4、T/2、3T/4(T為板厚)三個φ2 mm×40 mm的孔，孔的位置設(shè)置參照ASME試塊，擴(kuò)大了試塊的應(yīng)用范圍，但ASME中規(guī)定孔徑為φ3 mm×40 mm。同時針對前期試塊自制過程中發(fā)現(xiàn)的一個問題：在聲程上設(shè)置兩個人工反射體，使其回波能夠不互相影響，或者說在同一視窗內(nèi)只有一個反射體的信號。進(jìn)一步實踐發(fā)現(xiàn)N08810兩相鄰人工反射體不出現(xiàn)相互干涉的最小間距為ΔTmin=15 mm。因此該試塊將兩相鄰孔徑深度差設(shè)置為18 mm或20 mm，有效避免了DAC曲線制作階段相鄰反射體相互干涉的情況。聲束通過母材DAC、焊縫DAC曲線更加接近焊縫真實情況，材料可探性具有更合理的評價(JB/T 4730.3-2005附錄N規(guī)定聲束通過母材和焊接接頭分別測繪的兩條距離-波幅曲線間距應(yīng)小于10 dB，俄羅斯相關(guān)規(guī)范《奧氏體鋼焊接接頭檢驗》提出聲程畸變不得大于2 mm[3])。根據(jù)設(shè)備制作過程中裂紋出現(xiàn)位置進(jìn)行了統(tǒng)計分析后，在焊縫中心設(shè)置三個孔，進(jìn)一步提高了檢測效果。

(3) 將試塊寬度增加到60 mm，改善了JB/T 4730.3-2005附錄N推薦的寬度30 mm無法滿足大晶片雙晶斜探頭調(diào)試的情況，且進(jìn)一步排除了側(cè)壁干涉對雙晶探頭的影響。試塊寬度增加后，檢測奧氏體不銹鋼焊縫所用的縱波雙晶斜探頭能提供更精確的接觸面，調(diào)試穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性也相應(yīng)提高。

1.3超聲檢測工藝試驗——可檢性評價

對N08810鎳基合金進(jìn)行焊縫超聲檢測前，應(yīng)進(jìn)行可檢性評價，以保證得到有意義的檢測結(jié)果。由于鎳基合金焊縫晶粒粗大對超聲檢測的影響，一般不推薦采用橫波斜探頭進(jìn)行檢測，但是筆者對N08810焊縫(母材T=44 mm)采用橫波斜探頭進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)橫波斜探頭雖然信噪比不如縱波斜探頭，但其反射信號更加清晰。在304奧氏體不銹鋼焊縫(母材厚度50 mm以下)上橫波斜探頭的缺陷回波信號較清晰，信噪比也較高。有文獻(xiàn)指出，只有縱波可以穿過近120 mm長的奧氏體區(qū)，橫波則不能穿過[7]。并且，橫波斜探頭實際檢測時容易出現(xiàn)偽缺陷回波，該回波易被懷疑為異質(zhì)晶界引起的反射回波。

1.3.1縱波雙晶斜探頭、普通橫波斜探頭信噪比檢測

采用自行研制的N08810焊縫對比試塊、縱波雙晶斜探頭及普通橫波斜探頭進(jìn)行信噪比測試及DAC曲線制作，得到的結(jié)果如表1所示。最大信噪比即參考反射體與相應(yīng)檢測范圍內(nèi)的平均晶粒噪聲的比值，平均晶粒噪聲指特定檢測深度Hmax的一定范圍內(nèi)的平均晶粒噪聲水平，一般取Hmax±5 mm。此處母材Hmax=62 mm;焊縫Hmax=54 mm。

由表1可以得出：普通橫波斜探頭在對比試塊焊縫最大信噪比達(dá)不到《超聲檢測》中10 dB要求，但母材深Hmax為62 mm處最大信噪比比縱波雙晶斜探頭信噪比還略高1.0 dB，橫波可檢性評價以焊縫上設(shè)置最大人工反射體的信噪比滿足要求較為合適；普通橫波斜探頭在對比試塊焊縫中心深Hmax為54 mm處人工反射體最大信噪比不足10 dB，說明T不小于54 mm的N08810焊縫超聲檢測存在困難，但仍滿足俄羅斯相關(guān)規(guī)范要求(至少6 dB)。

表1　縱波雙晶斜探頭和普通橫波斜探頭檢測數(shù)據(jù)

圖4　縱波雙晶斜探頭及普通橫波斜探頭實測DAC曲線

縱波雙晶斜探頭在對比試塊母材和焊縫上的最大人工反射體信噪比，均達(dá)到基本檢測要求10 dB 以上。當(dāng)超聲聲束穿過焊縫時母材最大信噪比(基本增益為32.5 dB)實測為12.3 dB，說明鎳基合金對縱波聲束畸變影響小于普通橫波；整個測試過程中，實測聲速5 750 m·s-1,實測定位誤差不大于1.5 mm,滿足俄羅斯相關(guān)規(guī)范要求。

1.3.2縱波雙晶斜探頭、普通橫波斜探頭DAC曲線制作

縱波雙晶斜探頭及普通橫波斜探頭實際DAC曲線制作如圖4所示。由圖4可以得到鎳基合金焊縫晶粒對普通橫波探頭聲波影響較大，利用聲束經(jīng)過母材DAC曲線進(jìn)行定量將會導(dǎo)致較大誤差；通過實際測試，普通橫波斜探頭除了焊縫中心深36 mm反射體和母材DAC曲線相差無幾，其他兩個點均相差較大，差值大于10 dB，可能與鎳基合金焊縫坡口設(shè)置和焊接工藝有關(guān)；普通橫波斜探頭從小坡口側(cè)對應(yīng)的掃查面掃查較為合適，與焊縫結(jié)構(gòu)及晶粒有關(guān)。

縱波雙晶斜探頭因近場區(qū)影響，導(dǎo)致母材DAC曲線上深度小于焦點(F實=26 mm)處波高較低，同樣超聲聲束穿過焊縫制作母材DAC曲線可以發(fā)現(xiàn)聲束畸變；縱波雙晶斜探頭從小坡口側(cè)對應(yīng)的掃查面進(jìn)行掃查較為合適，此時母材DAC和焊縫DAC相差不大于10 dB,滿足JB/T 4730.3-2005附錄N要求。

1.3.3檢測工藝綜合評價

綜上分析，研制的縱波雙晶斜探頭信噪比和DAC曲線偏離均符合JB/T 4730.3-2005附錄N要求；實際檢測時，以小坡口側(cè)對應(yīng)掃查面檢測時定量、定位較準(zhǔn)確；普通橫波斜探頭信噪比(焊縫)不足10 dB，但人工反射體或缺陷回波清晰，可以作為輔助超聲檢測方法，其檢測結(jié)果具有一定參考意義[8]。

2　試驗結(jié)果及分析

對44.7 mm(實測)封頭拼縫試板分別采用UT縱波雙晶斜探頭、普通橫波斜探頭、X射線拍片、加速器拍片檢測，得到如表2所示檢測結(jié)果。(其中L1為缺陷距離起參考零點標(biāo)記的距離。2#，3#未解剖)。

表2　不同檢測方法結(jié)果比較

采用普通橫波斜探頭檢測發(fā)現(xiàn)兩處超標(biāo)缺陷(1#，2#)，缺陷長度與射線檢測結(jié)果有所不同。采用縱波斜探頭發(fā)現(xiàn)三處缺陷(1#，2#，3#)與X射線檢測結(jié)果相同，如圖5所示。對于普通橫波探頭不超標(biāo)的第三處(L1=68 mm)缺陷，縱波雙晶斜探頭缺陷信號明顯，檢測效果較好，如圖6所示。

圖 5　1#，2#，3#裂紋缺陷X射線底片

圖6　縱波雙晶斜探頭與普通橫波斜探頭的檢測波形

1#裂紋解剖后，與縱波雙晶斜探頭檢測、射線檢測結(jié)果一致。說明縱波雙晶斜探頭在該N08810材料中檢測效果較好，達(dá)到研制的各項要求。

圖7　裂紋宏觀解剖圖

3　結(jié)論

(1) 縱波雙晶斜探頭在N08810鎳基合金焊縫檢測時，母材和焊縫信噪比均達(dá)到10 dB要求，且兩DAC曲線相差不大于10 dB,滿足JB/T 4730.3-2005附錄N要求。并且，研制的縱波雙晶斜探頭在焊縫深Hmax=54 mm處最大信噪比為11.6 dB，并不限于附錄N的1050 mm厚度范圍，該探頭的適用深度范圍還留有一定余量。

(2) 普通橫波斜探頭雖然在焊縫上最大深度處信噪比達(dá)不到10 dB要求，但其反射信號比縱波清晰。實際檢測中，可以與縱波雙晶斜探頭結(jié)合使用、互為補充；假如奧氏體焊縫經(jīng)過實際檢測驗證或演示獲得監(jiān)檢認(rèn)可，則可采用橫波斜探頭的檢測規(guī)程[6]。

(3) 實際檢測時，若檢測條件許可，應(yīng)將焊縫余高磨平，實行雙面雙側(cè)掃查；當(dāng)焊縫坡口為非對稱X型坡口時，從小坡口側(cè)對應(yīng)的掃查面進(jìn)行超聲檢測，評定更加準(zhǔn)確。

同時JB/T 4730.3-2011審批稿附錄N已將檢測范圍由50 mm擴(kuò)大到80 mm,需要繼續(xù)研制性能更好的縱波雙晶斜探頭。有文獻(xiàn)報道采用超聲相控陣檢測系統(tǒng)再配合面陣探頭，不僅能有效克服鎳基合金等粗晶材料超聲檢測中存在的衰減嚴(yán)重、噪聲信號較強、各向異性和低通濾波器的影響，同時擁有更高的檢測靈敏度和信噪比，并且具有檢測速度快、檢出率高等特點。另外有關(guān)文獻(xiàn)指出，鎳基合金焊縫或奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測需要從兩個方面著手：一方面，研制更為合適的探頭;另一方面，采用小波變換等方法進(jìn)一步提高缺陷識別和信噪比[9-10]。

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Ultrasonic Testing of Weld in N08810 Nickel-based Alloys

LUO Lang, WANG Jian-ping, XI Yan-an, YAN Hui, QIAN Hui

(Nanjing Baose Co., Ltd., Nanjing 211100, China)

Aiming at the ultrasonic inspection of N08810 nickel-based alloy weld, analysis is made on its severe attenuation and low signal-to-noise ratio, which affects the defect judgment, positioning and quantitative evaluation. At the same time the probe, the test blocks for ultrasonic inspection of the nickel-based alloy weld, the signal to noise ratio and the DAC curve are also discussed. The results showed that longitudinal twin oblique angle beam probe (TRL) developed obvious was effective in ultrasonic testing of welds N08810 nickel-based alloy of coarse-grained material and it improved the signal-to-noise ratio and the defect detection rate. Our self-designed and manufactured test block can meet the detection requirements. Finally, the detection process of ultrasonic N08810 weld is summarized; the technology has been applied in engineering practice and achieved good results.

Longitudinal twin oblique angle beam probe; Coarse-grained Nickel-based alloy; Weld test block; Ultrasonic detection

2015-07-24

羅瑯(1980-),男，碩士，工程師，主要從事TOFD及超聲檢測工作。

10.11973/wsjc201603015

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0060-06