陳定光，郭少宏，鄭若谷，鄭文江，鄧德津，劉希驥

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院佛山檢測(cè)院，廣東佛山 528000）

0 引言

小口徑奧氏體不銹鋼管廣泛地應(yīng)用于石油化工、核電等行業(yè)，其焊縫質(zhì)量的好壞直接影響到承壓類特種設(shè)備（鍋爐、壓力容器、壓力管道）的安全性。但是由于其具有焊縫組織不均勻、薄壁、大曲率等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行超聲波檢測(cè)十分困難。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于奧氏體不銹鋼管的焊縫質(zhì)量超聲檢測(cè)工藝及其實(shí)施，不同的行業(yè)各不相同，且普遍水平較低、檢測(cè)效果較差。這對(duì)于開展奧氏體不銹鋼管焊接的檢驗(yàn)、檢測(cè)工作十分不利。

標(biāo)準(zhǔn)DL/T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》第7 條，介紹了一種奧氏體中小徑薄壁管焊接接頭檢驗(yàn)方法[1]，但其推薦的對(duì)比試塊需要采用與工件相同的材料，每種工件規(guī)格（直徑與壁厚）都需要相應(yīng)的對(duì)比試塊，試塊種類繁多、試塊反射體（短槽）加工精度不易保證，并且試塊也沒有考慮奧氏體不銹鋼焊縫組織對(duì)超聲波檢測(cè)定位和定量的影響。由于奧氏體不銹鋼管對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)的信噪比低，一般要求焊縫兩側(cè)掃查結(jié)果一致才能排除雜波干擾、判定缺陷，這就要求超聲定位精度更高。因此，研究一種成熟可靠的小口徑奧氏體不銹鋼管對(duì)接焊縫的超聲檢測(cè)技術(shù)，對(duì)進(jìn)一步完善該標(biāo)準(zhǔn)顯得十分必要。

本研究主要是對(duì)超聲橫波在奧氏體不銹鋼管對(duì)接焊縫中傳播時(shí)的理論定位誤差進(jìn)行分析，并得出定位修正方法。通過自制試塊進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證了該定位修正方法的準(zhǔn)確性，為奧氏體不銹鋼管對(duì)接焊縫實(shí)施超聲波檢測(cè)提供了一種可靠的檢測(cè)方法。

1 奧氏體不銹鋼管對(duì)接焊縫超聲定位誤差分析

對(duì)小口徑碳鋼管對(duì)接焊縫的超聲檢測(cè)，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3—2005 推薦使用GS 系列試塊[2］。如果能使其應(yīng)用到小口徑奧氏體不銹鋼管超聲檢測(cè)，無疑是非常有意義的。要將GS系列試塊擴(kuò)展至小口徑奧氏體不銹鋼管超聲檢測(cè)，需進(jìn)行超聲檢測(cè)的定位修正，而定位差異主要是由超聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)速度發(fā)生變化導(dǎo)致的。

因此，當(dāng)超聲檢測(cè)儀采用碳鋼GS 系列試塊進(jìn)行調(diào)校、對(duì)奧氏體不銹鋼管進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生水平定位誤差、深度定位誤差和K 值誤差（圖1）。

1.1 聲速變化導(dǎo)致的水平定位誤差及修正

當(dāng)超聲波在碳鋼、奧氏體不銹鋼（如20#、304#鋼）傳播時(shí)，由折射定律可知：

圖1 聲速不同導(dǎo)致的定位誤差分析

其中，sinβ20和sinβ304分別為20#、304#鋼超聲波折射角正弦值；Cs20和Cs304分別為20#、304#鋼超聲橫波聲速。

由式（1）可知，只要知道碳鋼的折射角和奧氏體不銹鋼的折射角，即可求出奧氏體不銹鋼的橫波聲速，而奧氏體不銹鋼的折射角可由奧氏體不銹鋼的試塊測(cè)出。同理，奧氏體不銹鋼（含部分焊縫）的橫波聲速也可由奧氏體不銹鋼的試塊（帶焊縫）測(cè)出。經(jīng)過實(shí)際換算可求得：奧氏體不銹鋼的超聲橫波聲速是3156 m/s，穿過部分焊縫后的304#鋼超聲橫波聲速的是3040 m/s。

根據(jù)正弦公式可知，R20=S20sinβ20；R304=S304sinβ304。其中，R20、R304分別為20#、304#鋼中入射點(diǎn)至缺陷的水平距離；β20、β304分別為由空氣入射到20#、304#鋼中的超聲橫波折射角；分別為20#、304#鋼中超聲橫波聲程。所以，

由式（2）可知，R20與R304呈線性關(guān)系，只需選定板厚深度的某一點(diǎn)（如底波位置），就可對(duì)其作水平定位修正。由此可推得：

式中 K——探頭的折射角正切值

T——管壁厚，mm

根據(jù)式（2）和式（3），可推得不同K值探頭的超聲檢測(cè)水平定位修正值。其中，K2.5 和K2 探頭的超聲檢測(cè)水平定位修正值見表1。其中，△2=R20-R304。

1.2 聲速變化導(dǎo)致的深度定位誤差及修正

根據(jù)正弦公式可知：H20=S20cosβ20；H304=S304cosβ304。其中，H20和H304分別為20#和304#鋼中缺陷距焊縫外表面的垂直距離。而cosβ304=，故可以得到式（4）。

表1 K2.5 和K2 探頭超聲檢測(cè)水平定位修正值△2 mm

1.3 聲速變化導(dǎo)致的K 值修正值△3

根據(jù)正切公式K304=R304/H304，可推得不同K 值的K 值修正值△3（表3）。其中，△3=K304-K20，△4=K304-K20。

2 修正方法及實(shí)測(cè)驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)際檢測(cè)中，在儀器某一檢測(cè)通道打開后，將“入射零位”數(shù)值從碳鋼材料的數(shù)值+修正值輸入在“入射零位”位置，將“K 值”數(shù)值從碳鋼材料的數(shù)值-修正值輸入在“K值”位置即可，檢測(cè)時(shí)實(shí)際深度為儀器讀數(shù)+深度補(bǔ)償值。

為了驗(yàn)證上述定位誤差修正值的準(zhǔn)確性，筆者按不同規(guī)格的奧氏體不銹鋼管分別制作了7 塊焊縫外表面帶線切割槽模擬試塊和4 塊焊縫帶根部未焊透的模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)。模擬試塊材料為304#帶線切割槽的模擬試塊如圖2 所示，其試驗(yàn)結(jié)果見表4。其中：①△=儀器水平讀數(shù)-實(shí)測(cè)水平值；②檢測(cè)位置：前三位為試樣編號(hào)，尾數(shù)1、2 分別為焊縫兩側(cè)檢測(cè)面。

表2 K2.5 和K2 探頭超聲檢測(cè)深度定位修正值△1 mm

通過對(duì)上表中的水平定位比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，考慮調(diào)機(jī)時(shí)的水平定位誤差為±1 mm，表4 共有14 組數(shù)據(jù)，均滿足要求，其最大誤差為1.0 mm，即比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果證明了理論定位誤差補(bǔ)償值的準(zhǔn)確性。

模擬試塊材料為304#帶根部未焊透的模擬試塊如圖3所示，其試驗(yàn)結(jié)果見表5。其中：①檢測(cè)位置：試樣編號(hào)及試樣底片中心定位位置；②重合度：同一反射波焊縫兩側(cè)檢測(cè)水平定位的重合程度。重合度為正，則兩側(cè)定位過頭（焊縫余高反射）；重合度為負(fù)或0，一般判定為缺陷。

表3 K2.5 和K2 探頭K 值修正值 mm

圖2 帶線切割槽的模擬試樣

表4 帶線切割槽的模擬試樣——修正后的儀器水平定位值與實(shí)測(cè)值對(duì)照

從表5 中的數(shù)據(jù)也可以看出，采用第2 節(jié)中的定位誤差修正公式對(duì)奧氏體不銹鋼管對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷的水平定位進(jìn)行補(bǔ)償修正后，均能較準(zhǔn)確地找到缺陷。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)聲波的折射定律原理，總結(jié)出超聲波在奧氏體不銹鋼管及其對(duì)接焊縫中傳播時(shí)產(chǎn)生定位誤差的規(guī)律，并得到理論定位誤差修正值。

圖3 根部未焊透的模擬試樣

（2）通過對(duì)奧氏體不銹鋼管對(duì)接焊縫表面缺陷和根部未焊透進(jìn)行檢測(cè)，并利用理論水平定位修正值進(jìn)行修正，均達(dá)到滿意的結(jié)果。

（3）實(shí)測(cè)結(jié)果證明，本研究所采用的修正值精度較高，能滿足實(shí)際檢測(cè)要求，只要在定量上給予一定的補(bǔ)償，就可應(yīng)用于奧氏體不銹鋼管對(duì)接焊縫的檢測(cè)。

本研究采用的檢測(cè)方法在檢測(cè)時(shí)不需制作專用試塊，僅需根據(jù)管壁厚度計(jì)算出相應(yīng)的修正值進(jìn)行修正，因此該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，值得推廣。

表5 根部未焊透的模擬試樣——修正后的儀器水平定位值與實(shí)測(cè)值對(duì)照表