周路云 王國圈 劉書宏

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 （上海 200062）

薄壁奧氏體管對接環(huán)縫的在役檢測長期以來均采用射線方法，該方法存在勞動強度大、效率低、周期長、成本高、射線對人體有害、只能夜間作業(yè)等缺點，特別是射線照相時必須排空管內(nèi)介質(zhì)，不能實現(xiàn)在用檢測；對于安全影響最大的缺陷自身高度，射線底片也不能提供定量數(shù)據(jù)。目前，NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》僅對壁厚為10～80 mm的奧氏體不銹鋼對接接頭給出了檢測方法，對于厚度小于10 mm的薄壁奧氏體不銹鋼對接接頭的檢測并沒有規(guī)定。隨著相控陣技術(shù)的發(fā)展，對于小于10 mm的奧氏體不銹鋼管對接接頭的檢測能有效地進(jìn)行，但是對于不同口徑、不同壁厚管道的檢測，需要制定不同的檢測參數(shù)。CIVA模擬軟件能在現(xiàn)場檢測前，快速地確定并完善檢測參數(shù)，為現(xiàn)場檢測打下扎實的基礎(chǔ)。

CIVA作為近年來有效的無損檢測仿真軟件，應(yīng)用于各種檢測方法的模擬仿真研究。CIVA軟件包括仿真、成像、分析等模塊，常用于檢測工藝的設(shè)計和優(yōu)化，能有效模擬現(xiàn)場檢測過程中可能遇到的各種問題，為現(xiàn)場檢測提供了有效保障。目前，CIVA軟件包括射線檢測、超聲檢測、渦流檢測、相控陣檢測等模塊。

相控陣檢測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的無損檢測新技術(shù)，通過利用線陣列或面陣列排列的探頭按照指定的激發(fā)順序進(jìn)行超聲脈沖信號的激發(fā)，相控陣技術(shù)實現(xiàn)了聲束的快速電子控制，通過調(diào)整聚焦點到每個晶片的相對距離，使每個晶片激勵的球形波的最大峰值在既定的聚焦點匯聚，對每個晶片的發(fā)射次序進(jìn)行精確的計算，實現(xiàn)精確定位檢測。由于薄壁奧氏體不銹鋼管對接接頭管壁較薄，常規(guī)超聲的超聲波盲區(qū)往往大于其壁厚，且大曲率管道及奧氏體不銹鋼材質(zhì)引起超聲波的散射衰減，使檢測靈敏度大幅降低。因此，通過CIVA模擬軟件，運用有效的相控陣檢測方法解決薄壁奧氏體不銹鋼對接接頭的檢測。

1 相控陣檢測參數(shù)選擇

薄壁奧氏體不銹鋼對接接頭的相控陣檢測采用武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司提供的便攜式相控陣檢測儀，該儀器支持32通道，且有配套的線性相控陣探頭，在實際的檢測中只需要根據(jù)被檢測工具的外形尺寸選擇合適的相控陣探頭楔塊參數(shù)（如表1所示）。

1.1 探頭頻率的確定

超聲相控陣檢測儀所匹配的超聲相控陣探頭有3種頻率，分別為2，5和7.5 MHz。針對薄壁奧氏體不銹鋼管對接接頭的檢測，分別采用3種頻率的相控陣探頭進(jìn)行缺陷回波的模擬仿真，結(jié)果如圖1所示。

在上述仿真中，設(shè)計的反射體為深0.5 mm、長5 mm、寬度小于1 mm的刻槽，分別采用2，5和7.5 MHz相控陣探頭進(jìn)行模擬檢測，反射體的回波信號顯示結(jié)果表明：頻率為5和7.5 MHz的相控陣探頭的檢測效果較好，且能夠分辨壁厚方向的3個相同尺寸（0.5 mm×5 mm）刻槽的缺陷信號，二者中7.5 MHz相控陣探頭檢測效果最好；頻率為2 MHz的相控陣探頭雖然能夠檢測到缺陷，但分辨力較差，設(shè)計的3個刻槽信號顯示粘連在一起，無法區(qū)分開。故可選擇的相控陣探頭頻率為7.5 MHz或5 MHz。

表1 超聲相控陣探頭組件選型參數(shù)

圖1 相控陣探頭不同頻率缺陷回波模擬仿真結(jié)果

1.2 主聲束角度的選擇

探頭楔塊主聲束角度主要根據(jù)以下2個方面來進(jìn)行確定：

（1）對于焊縫可能存在或重點關(guān)注的缺陷，采用該角度有很好的檢測效果；

（2）在檢測過程中，該角度的扇掃范圍能夠覆蓋焊縫全體積，即焊縫寬度和焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)（兩側(cè)距焊縫融合區(qū)5 mm范圍內(nèi)）。

標(biāo)準(zhǔn)中對于常規(guī)超聲探頭入射角斜率的規(guī)定，可以用作相控陣主聲束角度選取的參考。如表2所示。

表2 管道壁厚與入射角的關(guān)系

對于薄壁管道焊縫，在焊接過程中可能存在體積性缺陷，如氣孔、夾渣等，在管道運行過程中，易產(chǎn)生根部開裂，所以相控陣檢測中主要針對根部裂紋類缺陷。另外，也應(yīng)注意體積性缺陷的擴展情況。下面根據(jù)45°、60°和65°不同主聲束角度的探頭楔塊，模擬仿真刻槽的回波信號顯示。仿真結(jié)果見圖2。

圖2反射體回波CIVA仿真結(jié)果顯示，65°和60°相控陣探頭檢測效果最好，能夠清晰檢出壁厚方向的3個反射體信號。另外，為了使得檢測能夠覆蓋焊縫全體積，需確定探頭與焊縫的相對位置。在本研究中，被檢測焊縫的外表面寬度為9～10 mm，即焊縫中心線距焊縫邊緣小于5 mm，因此可進(jìn)行如下仿真模擬：

模型建立時，使探頭楔塊前沿與焊縫中心線的距離為10 mm，分別在焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)位置設(shè)置2個?1 mm×5 mm的橫孔，采用主聲束60°楔塊，扇掃角度為30～80°，進(jìn)行缺陷回波仿真。結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)的?1 mm×5 mm橫孔能夠有效檢測出，即主聲束60°的扇掃可有效實現(xiàn)焊縫全體積掃查。通過上述分析，根據(jù)選定的超聲相控陣探頭組件參數(shù)，對接接頭宜采用扇形掃描檢測。對于工件厚度為4～10 mm的焊縫，應(yīng)采用三次波、二次波或四次波分開設(shè)置進(jìn)行檢測，顯示方式可選擇按聲程顯示成像或按實際幾何結(jié)構(gòu)顯示成像，如圖4所示。

圖2 相控陣探頭不同聲束缺陷回波模擬仿真結(jié)果

圖3 相控陣扇掃覆蓋范圍仿真結(jié)果

圖4 相控陣扇掃成像示意圖

2 結(jié)論

通過運用CIVA模擬軟件對現(xiàn)有的探頭參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，建立薄壁奧氏體管對接接頭模型，運用CIVA軟件進(jìn)行探頭激發(fā)和聲束覆蓋仿真，結(jié)果表明：運用7.5 MHz頻率的探頭，主聲束采用60°的扇形掃查，可以有效實現(xiàn)薄壁奧氏體鋼管對接接頭的全體積掃查，為下一步的工藝驗證性檢測及現(xiàn)場檢測打下了堅實的基礎(chǔ)。