楊建龍,楊會敏,2,嚴(yán) 宇,2,張曉峰,董 安,金士杰,劉偉達(dá)
(1.核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司,北京 101300;2.中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司,北京 101300;3.中國核電工程有限公司,北京 100840;4.大連理工大學(xué) 無損檢測研究所,大連 116024)
某化工廠的現(xiàn)場管道焊縫大量采用304L不銹鋼薄壁小徑管(壁厚3.5~6 mm),而304L不銹鋼在進(jìn)行焊接時,可能存在氣孔、裂紋[1]、未熔合、未焊透等焊接缺陷,對焊縫質(zhì)量造成影響。設(shè)計方要求焊縫檢驗結(jié)果不允許有裂紋、未焊透、鏈狀氣孔及密集氣孔等缺陷,允許有單個零星的氣孔、夾渣。針對該類型不銹鋼薄壁小徑管,采用傳統(tǒng)射線方法檢測時,由于存在輻射風(fēng)險,無法交叉施工,檢測效率低;采用常規(guī)超聲檢測時,衰減和噪聲的影響較大,檢測靈敏度較低,難以發(fā)現(xiàn)焊縫中較小缺陷,且檢測結(jié)果無法存儲。而相控陣超聲技術(shù)(PAUT)可通過調(diào)整陣列換能器各陣元發(fā)射和接收的相位延遲,合成在一定范圍內(nèi)有偏轉(zhuǎn)、聚焦等效果的聲束,具有更大的檢測范圍和更高的檢出能力[2],可對304L不銹鋼焊縫進(jìn)行檢測[3-5],且該方法具有檢測結(jié)果可數(shù)字化存儲、檢測重復(fù)性好、顯示直觀、面積型缺陷檢出率高、無需輻射防護(hù)、可交叉施工、檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此,筆者通過聲學(xué)特性分析、仿真模擬、試驗驗證、解剖試驗和缺陷檢出率分析,對304L不銹鋼薄壁小徑管焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測,并利用現(xiàn)場焊縫對檢測工藝進(jìn)行了驗證。
根據(jù)某化工廠的現(xiàn)場焊縫選取了φ33.4 mm×4.55 mm,φ48.3 mm×3.68 mm,φ60.3 mm×3.91 mm,φ60.3 mm×5.54 mm,φ88.9 mm×5.49 mm,φ73.5 mm×5.16 mm(直徑×壁厚,下同)等6種規(guī)格焊縫進(jìn)行研究。
選取與現(xiàn)場管道材料(牌號為022Cr19Ni10,屬于304L不銹鋼,經(jīng)過軋制和固溶處理)和焊接工藝完全相同的小徑管對接焊縫(規(guī)格為φ60.3 mm×5.54 mm)進(jìn)行解剖分析。在試塊上選取三處截面進(jìn)行焊縫和母材區(qū)域的金相觀察,不同位置截面金相照片如圖1~3所示。各截面分別命名為1-1、1-2和1-3。統(tǒng)計金相照片中的最大晶粒尺寸和各截面處晶粒度,結(jié)果如表1所示。
圖1 1-1截面金相照片
圖2 1-2截面金相照片
圖3 1-3截面金相照片
表1 各截面處晶粒度及最大晶粒尺寸
由表1可知,不銹鋼材料晶粒粗大,超聲波在其焊縫組織內(nèi)傳播時,會產(chǎn)生嚴(yán)重的散射現(xiàn)象,從而使檢測的有效能量大大降低,當(dāng)聲波遇到晶界還會發(fā)生一定的波型轉(zhuǎn)換,使檢測效果大打折扣[6],因此筆者采用相控陣超聲方法,通過偏轉(zhuǎn)和聚焦提高檢測的有效能量,并通過聲場能量仿真進(jìn)行分析。
同時,對φ60.3 mm×5.54 mm規(guī)格的不銹鋼小徑管進(jìn)行了聲速、衰減、噪聲水平等聲學(xué)參數(shù)的測量,得到以下結(jié)論:① 母材中平均縱波與平均橫波聲速分別為5 928,3 172 m·s-1,焊縫中平均縱波與平均橫波聲速分別為5 864,3 123 m·s-1;② 母材平均衰減為0.16 dB·mm-1,焊縫平均衰減為0.29 dB·mm-1;
③ 母材平均噪聲水平為φ2 mm-33 dB,焊縫平均噪聲水平為φ2mm-30 dB。
根據(jù)φ60.3 mm×5.54 mm規(guī)格檢測對象的聲學(xué)特性,將其聲學(xué)參數(shù)測量結(jié)果作為仿真參數(shù),展開了聲場仿真研究,主要比較探頭類型(一維自聚焦和雙晶陣列)、檢測頻率(5 MHz和7.5 MHz)、陣元個數(shù)(滿陣、3/4滿陣和1/2滿陣)、楔塊角度(60°和70°)和聚焦深度(三倍壁厚和一倍壁厚)等參數(shù)對聲場分布的影響。不同仿真參數(shù)的仿真結(jié)果比較如表2所示。
經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn),使用一維自聚焦探頭(7.5 MHz)和60°橫波楔塊,設(shè)置扇掃聲束范圍為40°~67°,設(shè)置真實(shí)深度聚焦3倍壁厚,采用橫波二次波和三次波在焊縫兩側(cè)進(jìn)行相控陣超聲檢測的效果較好,其聲場仿真結(jié)果如圖4所示。
在聲場仿真的基礎(chǔ)上,針對不同規(guī)格的奧氏體不銹鋼小徑管進(jìn)行缺陷仿真檢測,缺陷仿真結(jié)果如表3所示。仿真缺陷包含體積型缺陷和非體積型缺陷,結(jié)果顯示:6種規(guī)格小徑管中非體積型缺陷均可有效檢出。其中直徑0.6 mm或0.8 mm球孔缺陷可有效檢出(信噪比大于6 dB),且圖像中偽像較少,缺陷圖像易于辨別。相比之下,直徑0.4 mm和0.5 mm球孔缺陷的扇掃圖像中存在一些偽像,但可從對應(yīng)A掃描信號中識別大于6 dB的缺陷。
表3 缺陷仿真結(jié)果
分析缺陷仿真結(jié)果,可確定6種規(guī)格的奧氏體不銹鋼小徑管檢測工藝為:7.5 MHz的一維自聚焦探頭和60°橫波楔塊,扇掃聲束范圍為40°~67°,真實(shí)深度聚焦3倍壁厚;使用二次波在焊縫兩側(cè)進(jìn)行超聲相控陣檢測。當(dāng)焊縫根部不能有效覆蓋時,可使用三次波進(jìn)行補(bǔ)充。
針對受管道結(jié)構(gòu)或空間布置影響,無法實(shí)施單面雙側(cè)掃查的焊縫,需要研究是否能在焊縫單側(cè)對焊縫區(qū)域進(jìn)行全體積覆蓋。焊縫區(qū)域覆蓋結(jié)果如圖5所示。
圖5 焊縫區(qū)域覆蓋結(jié)果
在焊縫中不同位置設(shè)置缺陷,采用二次波和三次波進(jìn)行仿真模擬,結(jié)果表明,在單側(cè)增加一次掃查,可以實(shí)現(xiàn)焊縫全體積掃查。
為研究PAUT技術(shù)在奧氏體不銹鋼小徑管焊縫中對微小缺陷的檢出能力,尤其是針對某化工廠中射線驗收標(biāo)準(zhǔn)中的圓形缺陷,即實(shí)際產(chǎn)品焊縫中占比較大的氣孔,設(shè)置不同尺寸的氣孔缺陷進(jìn)行模擬分析。
由模擬數(shù)據(jù)可知,隨著壁厚減小,各球孔與φ2 mm橫通孔的幅值差降低。對于射線驗收標(biāo)準(zhǔn)中的φ0.6 mm的球孔,其靈敏度幅值為φ2 mm-24 dB,可以此作為相控陣檢測的TCG(時間校正增益)設(shè)置靈敏度。
為驗證檢測工藝的可行性,根據(jù)仿真結(jié)果,選擇典型規(guī)格的奧氏體不銹鋼小徑管進(jìn)行相控陣超聲檢測缺陷檢出率計算。其中,包括壁厚最薄和最厚的φ48.7 mm×3.7 mm和φ60.3 mm×5.8 mm規(guī)格,以及處于中間厚度且管徑最小的φ33.7 mm×4.6 mm規(guī)格。缺陷檢出率分析的仿真參數(shù)與實(shí)際聲學(xué)參數(shù)一致。
計算結(jié)果顯示,在95%的置信度下,三種規(guī)格的奧氏體不銹鋼小徑管中直徑0.6 mm球孔的缺陷檢出率接近90%,直徑0.8 mm球孔的缺陷檢出率均超過90%。此外,裂紋高度為0.25 mm時,缺陷檢出率接近100%。
因此,采用7.5 MHz的一維自聚焦探頭和60°橫波楔塊,設(shè)置扇掃聲束范圍為40°~67°,真實(shí)深度聚焦3倍壁厚,使用二次波在焊縫兩側(cè)進(jìn)行不銹鋼薄壁小徑管的相控陣檢測工藝可行,能夠滿足設(shè)計的質(zhì)量檢測要求。
為驗證仿真工藝,課題組參照檢驗技術(shù)要求設(shè)計了φ33.4 mm×4.55 mm,φ48.3 mm×3.68 mm,φ60.3 mm×3.91 mm,φ60.3 mm×5.54 mm,φ88.9 mm×5.49 mm,φ73.5 mm×5.16 mm 等6種規(guī)格的模擬試塊共30塊,所含缺陷類型及數(shù)量如表4所示。
表4 模擬試塊所含缺陷類型及數(shù)量
根據(jù)仿真工藝,對304L不銹鋼薄壁小徑管焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測,檢測設(shè)備為TOPAZ64型便攜式相控陣檢測儀,采用一維自聚焦探頭(7.5 MHz)和60°橫波楔塊,設(shè)置扇掃聲束范圍為40°~67°,真實(shí)深度聚焦3倍壁厚,采用橫波二次波和三次波進(jìn)行相控陣超聲檢測。
采用制作的304不銹鋼P(yáng)GS對比試塊上的R25和R50圓弧進(jìn)行聲速校準(zhǔn)和角度靈敏度校準(zhǔn),使用不銹鋼對比試塊上的φ2 mm橫通孔進(jìn)行延遲校準(zhǔn)和繪制TCG曲線。
按照某化工廠射線檢測工藝,對30塊模擬試塊進(jìn)行了射線檢測。統(tǒng)計后得出射線檢測共檢出缺陷168個,包含設(shè)計缺陷154個,獎勵缺陷14個,設(shè)計缺陷中包含體積型缺陷97個(包含直徑0.4,0.5 mm的缺陷43個),面積型缺陷57個。射線檢測結(jié)果如表5所示。
可見,對于直徑0.4,0.5 mm的體積型缺陷,受焊縫結(jié)構(gòu)和缺陷形貌的影響,射線檢測有漏檢的可能。
按照檢測工藝參數(shù)對30塊模擬試塊進(jìn)行相控陣檢測,根據(jù)信號幅值并結(jié)合信噪比對缺陷進(jìn)行評判。統(tǒng)計后得出相控陣檢測共檢出缺陷208個,包含設(shè)計缺陷154個,獎勵缺陷54個,設(shè)計缺陷中包含體積型缺陷97個(包含直徑0.4,0.5 mm的缺陷43個),面積型缺陷57個。相控陣超聲檢測結(jié)果如表6所示。
表6 模擬試塊相控陣超聲檢測結(jié)果
由表6可知,直徑0.4 mm氣孔缺陷檢出率為75%,與仿真數(shù)據(jù)基本相符。上述漏檢缺陷為直徑0.5 mm以下的小缺陷,其形貌存在多種可能,氣孔可能是球形也可能是橢球形,而且其氣孔壁可能存在不平整現(xiàn)象。當(dāng)超聲波通過焊縫傳播到缺陷上時,受其形貌影響,可能直接形成反射信號,形成較高的回波波幅;也可能沿缺陷邊界的復(fù)雜路徑發(fā)生散射,使得最終的回波波幅較低。因此,對于直徑0.5 mm以下的小缺陷,受缺陷形貌、性質(zhì)的影響,其反射波幅存在一定偏差,僅按照波幅進(jìn)行評判,PAUT有漏檢可能。但是直徑0.5 mm以下的氣孔,在某化工廠管道焊縫的驗收要求中不屬于超標(biāo)缺陷,因此,該工藝滿足檢測要求。
由相控陣檢測結(jié)果可知,相控陣超聲存在多檢和漏檢缺陷。為了驗證PAUT和射線的檢測結(jié)果,針對驗證試驗中部分PAUT多檢缺陷試塊(編號XJG-02,規(guī)格為φ48.3 mm×3.68 mm)和漏檢缺陷試塊(編號XJG-08,規(guī)格為φ73.5 mm×5.16 mm)進(jìn)行解剖試驗。
將XJG-02試塊存在多檢的部位(1#顯示部位-0位正方向24 mm,2#顯示部位-0位正方向132.4 mm)外余高去除后,采用雙壁單影法進(jìn)行射線檢測,2#缺陷余高去除后射線檢測發(fā)現(xiàn)缺陷尺寸為0.6 mm,1#顯示部位仍未發(fā)現(xiàn)。
隨后,對1#部位進(jìn)行解剖和宏觀金相試驗,打磨至深度約1 mm時發(fā)現(xiàn)兩處缺陷,分別為設(shè)計缺陷(編號為XJG-02-08,設(shè)計尺寸為0.4 mm)和PAUT檢出缺陷。金相檢驗結(jié)果顯示設(shè)計缺陷XJG-02-08實(shí)際尺寸為0.47 mm,射線檢測顯示缺陷尺寸0.4 mm(幅值為φ2 mm-18 dB),多檢缺陷實(shí)際尺寸為0.3 mm,PAUT幅值為φ2 mm-18 dB。
經(jīng)分析可知,多檢的1#缺陷受小徑管余高影響,加上射線檢測為小徑管橢圓透照,黑度差小于最小可見對比度,因此底片無顯示,2#缺陷解剖顯示為夾雜物,形狀為細(xì)長型,PAUT在某一角度時,反射波幅較高,達(dá)到判廢閾值。
金相檢驗對比結(jié)果如表7所示,表中√表示檢出,×表示未檢出,2#缺陷解剖后的金相照片如圖6所示。
表7 部分試塊金相檢驗對比結(jié)果
圖6 解剖后的金相照片
綜上所述,對于未熔合、未焊透、裂紋等面積型缺陷,相控陣超聲和射線檢測的檢出率均為100%;對于0.5 mm以下的體積型缺陷,受缺陷形貌、性質(zhì)的影響,其反射波幅存在一定偏差,相控陣超聲檢出率與射線檢測的相當(dāng),而且φ0.5 mm氣孔在某化工廠管道焊縫的驗收要求中不屬于超標(biāo)缺陷,滿足檢驗要求。
通過仿真模擬、試驗驗證、解剖試驗和POD分析,可以看出,對于未熔合、未焊透、裂紋等面積型缺陷,相控陣超聲和射線檢測的檢出率均為100%。對于體積型缺陷,相控陣超聲檢出率與射線檢測相當(dāng),對于0.5 mm左右的小缺陷,受缺陷形貌、性質(zhì)的影響,其反射波幅存在一定偏差。另外,經(jīng)現(xiàn)場驗證,PAUT檢測的可達(dá)性和檢測效率優(yōu)于射線檢測,且可進(jìn)行交叉施工,結(jié)果數(shù)據(jù)可復(fù)查,數(shù)據(jù)重復(fù)性好,無輻射風(fēng)險。