張子健，許 波，柴軍輝,，沈建民，吳家喜，胡 健

(1.寧波市勞動(dòng)安全技術(shù)服務(wù)有限公司，寧波 315048；2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，寧波 315048)

加氫裂化裝置中的反應(yīng)器是石油煉化企業(yè)的核心設(shè)備之一，其進(jìn)出口壓力管道的材料通常為奧氏體不銹鋼，厚度通常為4060 mm。針對(duì)這一類(lèi)規(guī)格的管道，標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015給出了相應(yīng)的檢測(cè)方法，探頭一般采用雙晶縱波斜探頭、聚焦縱波斜探頭或窄脈沖縱波單晶斜探頭，頻率一般選取為1 MHz～5 MHz，探頭角度為45°。這種常規(guī)的超聲檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在一定的局限性，例如信噪比低，缺陷識(shí)別率低、定量定位不準(zhǔn)確等[1]。此外，對(duì)厚壁結(jié)構(gòu)還需進(jìn)行分層掃查，不僅檢測(cè)效率低，且為了提高信噪比需要降低檢測(cè)頻率，進(jìn)而導(dǎo)致分辨力下降。筆者采用基于DMA(雙面陣)探頭的相控陣超聲檢測(cè)方法，通過(guò)對(duì)比試塊和模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，證明了基于DMA探頭的相控陣超聲檢測(cè)方法在奧氏體不銹鋼厚壁對(duì)接焊縫檢測(cè)中具有較高的可行性，可為這一類(lèi)厚壁承壓設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)提供有力的技術(shù)支撐，為后續(xù)缺陷的定量定級(jí)提供有力的保障。

1 厚壁奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫的檢測(cè)難點(diǎn)

奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫的組織結(jié)構(gòu)與普通碳鋼的具有明顯差別，其焊縫在凝固過(guò)程中不產(chǎn)生相變，冷卻至常溫后仍為奧氏體組織。奧氏體不銹鋼焊縫具有熱膨脹系數(shù)小、散熱效果差、晶粒易長(zhǎng)大等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)決定了其具有粗大的柱狀晶組織[2]。此外，對(duì)厚壁結(jié)構(gòu)采用多層多道的焊接工藝時(shí)，會(huì)產(chǎn)生晶界的不連續(xù)，其次奧氏體不銹鋼晶粒具有彈性各向異性的特點(diǎn)，厚壁結(jié)構(gòu)會(huì)加強(qiáng)彈性各向異性的特征，使得超聲波在傳播過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重散射、波型轉(zhuǎn)換、衰減增大、波束偏移等現(xiàn)象，使常規(guī)超聲檢測(cè)在奧氏體不銹鋼厚壁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用存在較大困難。射線檢測(cè)對(duì)危害性較大的裂紋、未熔合等面積型缺陷不敏感，且隨著壁厚的增加，透照厚度過(guò)大，會(huì)增大缺陷的漏檢率，給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患[3-4]。

針對(duì)粗晶材料的相控陣超聲檢測(cè)，TRL(雙晶縱波)相控陣檢測(cè)技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，已廣泛地應(yīng)用于核電工業(yè)領(lǐng)域。其中DMA探頭是屬于TRL系列中的二維矩陣相控陣探頭，其將兩個(gè)低頻探頭安裝在用隔聲層隔開(kāi)的檢測(cè)楔塊上，可避免楔塊之間產(chǎn)生聲場(chǎng)串?dāng)_，大幅改善聲束的穿透能力和信噪比，該探頭的主要特點(diǎn)有：采用低頻縱波、一發(fā)一收模式；覆蓋范圍大、成像效果好、信噪比高[5]。

2 對(duì)比試塊驗(yàn)證

2.1 檢測(cè)對(duì)象

檢測(cè)對(duì)象為NB/T 47013.3-2015附錄I中的3號(hào)對(duì)比試塊，該試塊材料為奧氏體不銹鋼，厚度為80 mm，設(shè)置有2組長(zhǎng)橫孔缺陷，分別為焊縫中心橫孔和熔合區(qū)橫孔，共8個(gè)，試塊尺寸如圖1所示。

2.2 檢測(cè)工藝

采用以色列ISONIC 2009型相控陣檢測(cè)儀器，探頭為Sonotron NDT 2003098型雙面陣相控陣縱波探頭，該探頭的主要參數(shù)有：檢測(cè)頻率為2.0 MHz；折射中心角度為55°；晶片數(shù)量為4×8×2 個(gè)，單個(gè)晶片尺寸為3.8 mm×4 mm(長(zhǎng)×寬)，探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 奧氏體不銹鋼試塊尺寸示意

圖2 DMA探頭結(jié)構(gòu)示意

掃查方式為沿線掃查與扇形掃查結(jié)合；記錄模式為編碼器模式，編碼器步進(jìn)為0.5 mm；扇掃范圍為28°～86°，角度步進(jìn)為1°；聚焦深度為60 mm；聲速為5 790 m·s-1；評(píng)定線靈敏度為φ2 mm×40 mm(直徑×長(zhǎng)度，下同)-8 dB，掃查靈敏度為φ2 mm×40 mm-14 dB；檢測(cè)面為單面雙側(cè)，掃查速度不大于30 mm·s-1，耦合補(bǔ)償為3 dB。

2.3 結(jié)果分析

采用上述檢測(cè)工藝分別進(jìn)行B掃、C掃和三維成像(見(jiàn)圖3)，并對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行分析。缺陷參數(shù)的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值如表1所示。

表1 缺陷參數(shù)的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值 mm

圖3 B掃、C掃和三維成像結(jié)果(對(duì)比試塊)

從圖3可以看出，采用DMA縱波探頭檢測(cè)的圖像具有較高的信噪比，缺陷信號(hào)清晰可見(jiàn)，雜波信號(hào)較少，值得注意的是，由于扇掃角度為28°～86°，且采用單面雙側(cè)的掃查工藝，所以上表面存在一定的盲區(qū)，焊縫中心1#和熔合線1#缺陷的測(cè)量不準(zhǔn)確，需要采用雙面雙側(cè)掃查進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)?；谙嗫仃嚨纳葤邫z測(cè)原理，預(yù)埋深度越大的缺陷，檢測(cè)結(jié)果的深度誤差會(huì)越大，但對(duì)缺陷長(zhǎng)度測(cè)量的影響不大。

3 模擬試塊驗(yàn)證

3.1 檢測(cè)對(duì)象

檢測(cè)對(duì)象為40 mm厚奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫模擬試塊，尺寸為400 mm×300 mm×40 mm(長(zhǎng)×寬×高)，焊縫坡口為X型，焊接方法為氬弧焊+手工電弧焊，預(yù)制有夾渣、未熔合、縱向裂紋等缺陷。

3.2 檢測(cè)參數(shù)

分別采用上述DMA探頭和常規(guī)16晶片線陣探頭進(jìn)行掃查。16晶片線陣探頭頻率為4 MHz；晶片尺寸為10 mm×0.4 mm(長(zhǎng)×寬)； 檢測(cè)模式為橫波自發(fā)自收；折射中心角度為36°；扇掃范圍為36°～75°。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 DMA探頭檢測(cè)結(jié)果

掃查面為雙面雙側(cè)，采用拉線式編碼器進(jìn)行記錄，對(duì)缺陷的長(zhǎng)度、深度和高度進(jìn)行測(cè)量，并與射線檢測(cè)(RT)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證DMA縱波探頭檢測(cè)結(jié)果的可靠性。DMA探頭與射線檢測(cè)對(duì)缺陷參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表2所示(表中長(zhǎng)度與缺陷埋深為DMA探頭的測(cè)量結(jié)果)。DMA檢測(cè)模擬試塊不同缺陷的成像結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，采用DMA相控陣探頭檢測(cè)得到的圖譜具有高信噪比，除了缺陷成像外，沒(méi)有其

表2 DMA探頭與射線檢測(cè)對(duì)缺陷參數(shù)的

圖4 DMA檢測(cè)模擬試塊不同缺陷的成像結(jié)果

他奧氏體晶粒的雜波信號(hào)，3個(gè)缺陷清晰可見(jiàn)，不會(huì)出現(xiàn)漏檢或誤判的情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)奧氏體不銹鋼厚壁承壓設(shè)備的檢測(cè)具有較高的可行性。從表2可以看出，采用DMA相控陣探頭檢測(cè)得到的缺陷長(zhǎng)度具有較高的準(zhǔn)確性，與射線檢測(cè)結(jié)果較一致，對(duì)于深度與高度的測(cè)量，由于具有較高信噪比，所以測(cè)量結(jié)果也較為準(zhǔn)確，可為后續(xù)的缺陷評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐，具有較高的可靠性。

3.3.2 16晶片線陣探頭檢測(cè)結(jié)果

16晶片線陣探頭檢測(cè)模擬試塊不同缺陷的成像結(jié)果如5所示，其與射線檢測(cè)對(duì)缺陷參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表3所示(其中長(zhǎng)度與缺陷埋深為16晶片線陣探頭的測(cè)量結(jié)果)。

圖5 16晶片線陣探頭檢測(cè)模擬試塊不同缺陷的成像結(jié)果

表3 16晶片線陣探頭與射線檢測(cè)對(duì)缺陷參數(shù)的測(cè)量結(jié)果 mm

從圖5和表3可以看出，16晶片線陣探頭檢測(cè)厚壁奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫得到的圖像信噪比較低，雜波較多，且存在危害性缺陷(未熔合)漏檢的情況，與雙面陣探頭相比具有明顯的差距，且在缺陷定量方面，精確度也沒(méi)有雙面陣探頭的高。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)超聲和射線檢測(cè)對(duì)厚壁奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備對(duì)接焊縫檢測(cè)存在的難點(diǎn)，采用基于DMA探頭的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，分別對(duì)80 mm厚奧氏體不銹鋼對(duì)比試塊和40 mm厚模擬試塊進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，基于DMA探頭的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可獲得較高信噪比的圖像和較低的缺陷檢出率，能在一定程度上解決厚壁奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫檢測(cè)的難題，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。