張 華

（山西鋼鐵建設(shè)（集團(tuán)） 有限公司， 山西 太原 030003）

超聲相控陣作為無損檢測方法當(dāng)中的一類，其能夠通過超聲波束旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)以及動態(tài)聚焦，在不破壞材料的前提下可以很好地檢測到缺陷。但是，檢測缺陷的分類依然取決于操作人員，工程檢測操作要求操作人員具有一定圖譜分析能力及檢測經(jīng)驗。因此，在超聲檢測中，缺陷類型的準(zhǔn)確分析至今還沒有完全解決。

1 超聲相控陣相關(guān)概述

此工藝發(fā)源于20 世紀(jì)60 年代，并被普遍的應(yīng)用到醫(yī)學(xué)超聲成像等行業(yè)當(dāng)中。由于此技術(shù)操作繁瑣同時生成成本較高，所以在工業(yè)檢測當(dāng)中應(yīng)用并未普及。領(lǐng)域。該系統(tǒng)復(fù)雜且生產(chǎn)成本高昂，因此對工業(yè)無損檢測有限。當(dāng)前，超聲波相控陣技術(shù)當(dāng)中靈活聲波束偏轉(zhuǎn)和聚焦性能的關(guān)注。超聲波相控陣成像領(lǐng)域中壓電復(fù)合材料、納秒脈沖信號控制、數(shù)據(jù)處理分析、軟件技術(shù)以及計算機(jī)模擬等諸多先進(jìn)技術(shù)綜合運用，促進(jìn)其快速發(fā)展，并被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)行業(yè)檢測當(dāng)中。如燃?xì)廨啓C(jī)葉片（根） 和渦輪盤檢測、石油和天然氣管道焊接檢查、列車軸檢查、核電站檢查以及航空材料超聲波無損檢測。超聲波是指通過特定方式能夠提升檢測精準(zhǔn)度。

2 鎳基焊縫組織結(jié)構(gòu)對超聲檢測的影響

鎳基焊縫晶粒組織較為粗大，包含顯著的柱狀晶，聲速和普通合金鋼的差異大，對其超聲檢測時存在缺陷信號識別困難和信噪比低的問題。鎳基焊材處于高溫熔化疑惑低溫固態(tài)等形態(tài)時均為單一奧氏體相，所以其形核形式具體為外延結(jié)晶，其凝固過程中易形成較大過冷度，受到溫度梯度等熱力學(xué)條件的影響，晶粒沿著梯度方向不斷生長，從而構(gòu)成了粗大、并具有一定取向的柱狀晶組織，同時伴隨過冷度方向持續(xù)凝固長大進(jìn)而構(gòu)成多晶結(jié)構(gòu)，但其相互接觸的前期，并未沿著同一過冷度方向給予生長，相鄰的晶粒取向已存在差異，進(jìn)而造成晶界的不連續(xù)性。

3 鎳基焊縫的相控陣超聲檢測及定位偏差修正技術(shù)

3.1 定位偏差分析及修正

1） 定位偏差分析。檢測鎳基焊縫時，由于焊縫與母材的聲速差異，聲束在界面處產(chǎn)生較大的偏折，在鎳基焊縫內(nèi)傳播時，局部聲速的差異也會導(dǎo)致聲束繼續(xù)偏折。使用CIVA 軟件模擬了奧氏體不銹鋼焊縫當(dāng)中超聲波檢測試驗，使用CIVA 軟件對汽輪機(jī)葉根相控陣超聲檢測給予有效的模擬。使用CIVA 軟件研究了對接焊縫相控陣超聲檢測的可靠性。CIVA 仿真結(jié)果顯示：焊縫內(nèi)部局部不均勻產(chǎn)生的聲束偏折的影響小于聲束在焊縫坡口界面產(chǎn)生折射的影響；2）檢測中的定位偏差。橫孔影像偏向?qū)?cè)，這是由聲束在坡口界面處發(fā)生折射所造成的；3） 定位修正計算。鎳基焊縫相控陣超聲檢測的反射體位置與真實位置有差異，可進(jìn)行相應(yīng)的修正，主要對聲束在坡口界面折射產(chǎn)生的偏差進(jìn)行修正。

3.2 實驗案例分析

1） 校準(zhǔn)試塊設(shè)計及加工。對于鋼焊縫，母材和焊縫的衰減系數(shù)差別較大，為準(zhǔn)確模擬聲波的衰減情況，使用與待檢管線一致的材料進(jìn)行試塊加工。該試塊上具備2 個分別為：R25、R50 的半圓弧用于校準(zhǔn)聲速及楔塊延遲，并通過一個距試塊底面20mm 的1.5 的橫通孔校準(zhǔn)靈敏度。對于TCG 試塊，則是取一段現(xiàn)場待檢的鋼焊縫作為TCG 試塊，在試塊焊縫部分分別制作3 個直徑為3mm，深度分別為T/4、T/2、3T/4 的橫通孔，通過該孔進(jìn)行TCG 曲線的制作；2） 人工缺陷對比試塊設(shè)計及加工。根據(jù)某項目中涉及的工藝管線規(guī)格，完成一系列規(guī)格的人工缺陷對比試塊，以該項目中最常見的8″X30.4mm 的鋼管線焊縫為例，進(jìn)行人工缺陷對比試塊相關(guān)說明，人工缺陷對比試塊。人工缺陷對比試塊是按照ASME 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計加工和制作的，符合ASME 規(guī)范當(dāng)中的第V 卷和B31.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。繼而保證試塊聲透性能以及被檢工件處于相同亦或，這些試塊全部取材于被檢材料相同型號規(guī)格的余料，當(dāng)RT 以及UT 進(jìn)行檢驗后，需保證并未干擾到焊接缺陷使用，進(jìn)行所需人工缺陷加工，確保試塊的精準(zhǔn)度；3） 工藝開發(fā)過程。將焊縫劃分為以下幾個區(qū)域：坡口及熱影響區(qū)、根部區(qū)域、焊縫內(nèi)部及焊縫表面。在工藝開發(fā)的過程中，需要考慮到焊縫所有區(qū)域及其熱影響區(qū)都應(yīng)該被探頭發(fā)出的聲束所覆蓋。同時，為了減輕鋼材料對檢驗結(jié)果的影響，本工藝通過設(shè)置兩組聚焦法則，利用縱波一次法覆蓋檢測區(qū)域。通過調(diào)整晶片數(shù)量、角度范圍以及掃查偏移等參數(shù)，形成一套能有效覆蓋以上各區(qū)域的檢測工藝；4） 檢驗結(jié)果。通過所開發(fā)工藝，對人工缺陷對比試塊進(jìn)行掃查，從上述結(jié)果看出，相控陣檢測結(jié)果與加工尺寸相比，無漏檢情況發(fā)生，所開發(fā)的相控陣工藝技術(shù)能很好地應(yīng)用于鋼工藝管線焊縫檢測中。

4 結(jié)語

綜上所述，為了能在無損傷的情況下快速解決以上檢測難點，對鎳基焊縫進(jìn)行了超聲相控陣檢測研究，根據(jù)采用設(shè)計制作的相關(guān)試塊及檢驗工藝，使用相近陣超聲檢測及定位偏差修正技術(shù)對于鎳基焊縫使用傳統(tǒng)射線檢測的不足之處，實現(xiàn)了缺陷精確的定位、定量和定性。