王永強(qiáng)

（招商局重工（江蘇）有限公司，南通 226100）

1 前言

大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼，以其優(yōu)良的抗腐蝕性、抗氧化性 以及低溫韌性被廣泛應(yīng)用于海洋工程中。由于長(zhǎng)期處在高腐蝕和水流沖擊等環(huán)境中, 大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼管道焊縫及其熱影響區(qū)容易出現(xiàn)腐蝕、疲勞裂紋、沖蝕等缺陷。

為了保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行,必須對(duì)大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼管道焊縫進(jìn)行檢查。但大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼大都采用手工焊多道焊,由于焊接工藝、規(guī)范存在差異,導(dǎo)致焊縫中不同部位的組織結(jié)構(gòu)不同,出現(xiàn)晶粒粗大、組織不均,具有明顯的各向異性,給超聲波探傷帶來(lái)困難：同一晶粒從不同方向測(cè)定有不同的尺寸,對(duì)于這種晶粒從不同方向探測(cè)引起的衰減與信噪比不同,聲速及聲阻抗也隨之發(fā)生變化,從而使聲速傳播方向產(chǎn)生偏離，給缺陷定位帶來(lái)困難；在焊接過(guò)程中，如果工藝處理不當(dāng)，則易產(chǎn)生熱裂紋；在使用過(guò)程中，如果環(huán)境達(dá)到某些特定條件，則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋和晶間腐蝕裂紋，輕則造成海洋環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。

考慮到奧氏體不銹鋼焊縫的晶粒組織粗大，當(dāng)晶粒直徑接近超聲波波長(zhǎng)的1/10 時(shí)，就會(huì)有明顯的聲散射；當(dāng)晶粒直徑達(dá)到半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，聲散射劇增，無(wú)法進(jìn)行超聲檢測(cè)；在焊縫中晶粒增長(zhǎng)方向平行于熱量流動(dòng)的方向，并且受外延工藝支配，柱狀晶粒沿珠粒邊界增長(zhǎng)，產(chǎn)生大量長(zhǎng)且具有特定晶體取向的晶粒；長(zhǎng)枝晶軸幾乎是垂直于焊縫中心和近似垂直于熔合線(xiàn)，很難用一般橫波斜探頭進(jìn)行超聲檢測(cè)；此外，雜亂的散射回波會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)信噪比降低，這是檢測(cè)奧氏體焊縫的主要困難所在；其次，產(chǎn)品壁厚大于100 mm，聲波衰減將大幅增加且聲束偏轉(zhuǎn)，檢測(cè)難度隨之增加。

針對(duì)大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼焊縫檢測(cè)的難題，通過(guò)CIVA 工藝仿真，采用線(xiàn)陣相控陣探頭在試塊上進(jìn)行檢測(cè)，可為攻克該類(lèi)檢測(cè)難題提供思路。

2 缺陷檢測(cè)工藝

焊縫中的焊接缺陷，涵蓋裂紋、未熔合、未焊透等面積型缺陷和氣孔、夾渣等體積型缺陷，這些缺陷會(huì)減少焊縫的有效承載面積,削弱焊縫性能甚至引起焊縫斷裂,造成壓力容器、壓力管道失效,影響安全性能。

為了解決對(duì)大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，將進(jìn)行檢測(cè)工藝驗(yàn)證：制作了2 塊試件（100 ～120 mm 大厚度對(duì)接焊縫和100 ～120 mm的奧氏體不銹鋼角焊縫），工藝上著重考慮聲束覆蓋和檢測(cè)能力兩項(xiàng)內(nèi)容；利用CIVA 模擬的探頭，其頻率為2.25 MHz 和5 MHz、晶片間距為0.6 mm、晶片高度為10 mm、晶片總數(shù)為64 塊，對(duì)試塊進(jìn)行仿真測(cè)試，并將參數(shù)進(jìn)行極限化設(shè)置，以研究檢測(cè)中一些參數(shù)的邊界條件。

仿真要求實(shí)現(xiàn)相控陣超聲波束對(duì)焊縫及規(guī)定的熱影響區(qū)的全面覆蓋，并進(jìn)一步確定檢測(cè)覆蓋方式對(duì)設(shè)定的人工缺陷的檢出能力，在此基礎(chǔ)上給出推薦的檢測(cè)工藝方案。

通過(guò)CIVA 仿真技術(shù)，得到優(yōu)化檢測(cè)工藝，采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)（PAUT），并將檢測(cè)結(jié)果同解剖驗(yàn)證對(duì)比，最終確定大厚度特種鋼焊縫相控陣超聲檢測(cè)工藝。

3 CIVA 仿真

（1）本次使用的仿真軟件CIVA10.1,是法國(guó)原子能委員會(huì)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)無(wú)損檢測(cè)仿真平臺(tái)。它由超聲、射線(xiàn)、渦流三個(gè)仿真模塊組成，每個(gè)模塊都有相應(yīng)的仿真、成像和分析工具；仿真試驗(yàn)使用的是超聲模塊，它是最早開(kāi)發(fā)也是應(yīng)用最成熟的模塊；CIVA 的主要作用是預(yù)測(cè)實(shí)際無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果，設(shè)計(jì)和優(yōu)化檢測(cè)工藝；

（2）CIVA 的超聲仿真模塊，主要有聲場(chǎng)計(jì)算和缺陷響應(yīng)兩大功能，本次試驗(yàn)使用的是缺陷響應(yīng)功能。它能夠在工件內(nèi)部設(shè)置任意數(shù)量的缺陷，并將缺陷放置在工件中的任何位置；CIVA 的仿真建模是基于半解析法，因此在計(jì)算速度上比有限元方法更快；

（3）在CIVA 中，聲波在工件中的振幅衰減是利用鉛筆模型來(lái)描述的，它把非均勻介質(zhì)分成若干個(gè)均勻介質(zhì)區(qū)域，并將各區(qū)域傳播矩陣相乘，從而得到非均勻介質(zhì)中的振幅衰減；

（4）在缺陷仿真上，CIVA 的使用了基于近似理論的散射模型。對(duì)于空心的體積型缺陷及類(lèi)似的裂紋缺陷，釆用基爾霍夫近似，忽略沿著缺陷表面?zhèn)鞑サ牟ǎ诓ǖ姆瓷浞较蚪咏诓ǖ慕邮辗较驎r(shí)，這個(gè)模型是有效的；在類(lèi)似裂紋缺陷的端角衍射波的模擬上，釆用幾何衍射理論模型；而對(duì)類(lèi)似于夾雜等實(shí)心體積型缺陷的模擬，釆用修正的波恩近似模型。

3.1 高強(qiáng)鋼對(duì)接焊縫CIVA 仿真

對(duì)接焊縫模擬厚度為120 mm 高強(qiáng)鋼對(duì)接，仿真試驗(yàn)采用的參數(shù)如下：相控陣探頭的晶片總數(shù)為32 個(gè)，晶片間距為0.6 mm,晶片高度為10 mm,探頭頻率為2.25 MHz，使用的楔塊是SA2-N55S 橫波楔塊，扇形掃查角度范圍為35°～ 73°，角度增益步進(jìn)為1°；預(yù)設(shè)缺陷為：焊接表面缺陷、單個(gè)氣孔、橫向裂紋、縱向裂紋、坡口未融合。

此次實(shí)驗(yàn)采用雙面雙側(cè)4 次掃查全覆蓋焊縫和熱影響區(qū)：對(duì)接焊縫覆蓋的仿真掃描如圖1 所示；在與各個(gè)缺陷相同的位置添加直徑為2 mm 的長(zhǎng)橫孔，將長(zhǎng)橫孔的信號(hào)波高作為基準(zhǔn)波高對(duì)各個(gè)缺陷進(jìn)行仿真計(jì)算，記錄各個(gè)缺陷的波高與對(duì)應(yīng)長(zhǎng)橫孔的信號(hào)比較，對(duì)檢測(cè)能力進(jìn)行評(píng)估：對(duì)于比基準(zhǔn)孔低10 dB 以上的信號(hào)，評(píng)估為一般；對(duì)比基準(zhǔn)孔信號(hào)低4 dB～10 dB 的信號(hào)，評(píng)估為較好；比基準(zhǔn)孔信號(hào)高10 dB 以下的信號(hào)，評(píng)估為好。

圖1 對(duì)接焊縫覆蓋仿真的掃描圖像

2.2 奧氏體不銹鋼角接焊縫CIVA 仿真

角接焊縫模擬厚度為100 ～120 mm 奧氏體不銹鋼，仿真試驗(yàn)采用的參數(shù)如下：相控陣超聲波探頭的晶片總數(shù)為32 個(gè)晶片間距為0.6 mm，晶片高度為10 mm，探頭頻率為2.25 MHz，使用的楔塊為SA2-N60 L 縱波楔塊， A/B 面扇形掃查角度范圍為35°～73°，角度增益步進(jìn)為1°；C 面使用的楔塊為SA2-N0L 縱波楔塊，扇形掃查角度范圍為-45°～+45°，角度增益步進(jìn)1°；預(yù)設(shè)缺陷為：表面缺陷、單個(gè)氣孔、未焊透、裂紋、坡口未熔合。

此次實(shí)驗(yàn)選擇在角焊縫A/B/C 面分別檢測(cè)，通過(guò)A/B/C 面3 次掃查全覆蓋焊縫和熱影響區(qū)。仿真掃描圖像見(jiàn)圖2，檢出評(píng)估見(jiàn)表1。

圖2 不銹鋼角接焊縫仿真缺陷檢測(cè)圖

表1 角接焊縫典型缺陷檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)仿真數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）從聲束覆蓋的結(jié)果看，對(duì)于厚度較大的工件釆用超聲相控陣檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)聲束全覆蓋；

（2）從檢出能力的仿真結(jié)果看，超聲相控陣檢測(cè)對(duì)于聲束指向性高的缺陷（如未熔合缺陷），其檢測(cè)的可靠性?xún)?yōu)勢(shì)明顯，對(duì)預(yù)設(shè)缺陷可以有效的檢出。

3 試塊制作

3.1 試塊坡口及缺陷類(lèi)型

試塊坡口類(lèi)型：對(duì)接焊縫X 型坡口；角焊縫K型坡口；對(duì)接焊縫坡口角度60°；角焊縫坡口角度45°。試塊長(zhǎng)度1 m，包含5 種類(lèi)型（裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔）的12 個(gè)缺陷。

3.2 試塊制作

參照NB/T47013-2015 標(biāo)準(zhǔn)，制作了對(duì)接焊縫和角焊縫2 種類(lèi)型試塊：對(duì)接焊縫采用Φ2*60 mm 長(zhǎng)橫孔試塊；角接焊縫采用缺陷段制作Φ2*60 mm 長(zhǎng)橫孔試塊。

4 檢測(cè)參數(shù)選擇

（1）按CIVA 仿真結(jié)果對(duì)2 塊試塊的五種缺陷進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)：采用Omniscan X32/128 和M2M 64/128相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)，配合5L64A2 和2.25L64A2 線(xiàn)陣列探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；奧氏體不銹鋼焊縫為高衰減材料，選擇低公稱(chēng)頻率探頭和增加晶片尺寸，試驗(yàn)使用水耦合；

（2）按儀器性能和探頭晶片數(shù)量，通過(guò)不同的探頭和激發(fā)孔徑設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，通過(guò)選用不同激發(fā)孔徑和不同聚焦法則，結(jié)合人工對(duì)比試塊進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，驗(yàn)證PAUT 檢測(cè)的可行性；PAUT 法采用扇形掃查方法,對(duì)接焊縫采用雙面雙側(cè)掃查和單面雙側(cè)掃查；角焊縫采用A、B、C 進(jìn)行3 面掃查；

（3）通過(guò)對(duì)晶片激發(fā)數(shù)量的改變來(lái)模擬不同的激發(fā)孔徑：對(duì)接焊縫選用激發(fā)32 塊晶片進(jìn)行驗(yàn)證，奧氏體不銹鋼角接焊縫選用激發(fā)64 塊晶片進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)以上驗(yàn)證測(cè)試：PAUT 法采用扇形掃查方法,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼角焊縫進(jìn)行檢測(cè)；通過(guò)不同的激發(fā)孔徑對(duì)試塊檢測(cè)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析采用，采用波幅超聲波檢測(cè)方法（A 掃描），凡信號(hào)波幅超過(guò)20%DAC 基準(zhǔn)線(xiàn)，先確定其超聲信號(hào)顯示是缺陷信號(hào)顯示還是幾何形狀顯示，當(dāng)反射體判定為缺陷信號(hào)，即超過(guò)評(píng)定線(xiàn)的缺陷，應(yīng)確定其位置、波幅和長(zhǎng)度范圍。

5 檢測(cè)結(jié)果

5 種常見(jiàn)缺陷的相控陣檢測(cè)成像結(jié)果，如圖3 所示：PAUT 的界面均可顯示S 掃(扇掃圖)、A 掃、C 掃(俯視圖)和D 掃(側(cè)視圖)。

由圖3 可知：相控陣超聲具有良好的檢測(cè)缺陷能力，缺陷顯示直觀(guān)、重復(fù)性好，且能較準(zhǔn)確提供缺陷的長(zhǎng)度、深度和高度等信息。特別是從缺陷顯示的角度來(lái)觀(guān)察，傳統(tǒng)超聲設(shè)備是用脈沖回波來(lái)展示結(jié)果，而相控陣是用非常接近缺陷實(shí)際形狀的顯示圖像來(lái)展示檢測(cè)結(jié)果。

圖3 五種典型缺陷檢測(cè)成像結(jié)果

6 解剖驗(yàn)證

在所有對(duì)比檢測(cè)完成后，對(duì)缺陷試塊進(jìn)行解剖驗(yàn)證。由于缺陷試塊制作時(shí)，對(duì)缺陷的定位和高度存在一定的誤差,為了較準(zhǔn)確地確定焊道內(nèi)焊接裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔的長(zhǎng)度、自身高度和深度，同時(shí)考慮到大厚度試塊體積和機(jī)加工能力，對(duì)整條試塊焊縫采用銑床逐層解剖并測(cè)量的方法。將試塊由右端向左端進(jìn)行切片，每次去除量為0.5 mm，直至缺陷發(fā)現(xiàn)并完全清除；由切割后截面為缺陷的俯視圖,可以測(cè)量焊縫未熔合、未焊透、夾渣、氣孔的長(zhǎng)度、自身高度和深度。

根據(jù)解剖驗(yàn)證結(jié)果：對(duì)2 塊試塊的24 個(gè)缺陷進(jìn)行解剖驗(yàn)證，除1 個(gè)單氣孔未檢出外，其他缺陷都能有效檢出，PAUT 檢出率達(dá)95.83%。

7 結(jié)論

對(duì)大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行了CIVA 仿真、相控陣檢測(cè)以及解剖驗(yàn)證。對(duì)比仿真試驗(yàn)和實(shí)際檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：CIVA 軟件仿真試驗(yàn)的結(jié)果與對(duì)比試塊試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好；采用基于CIVA 仿真所選用的線(xiàn)陣相控陣探頭，能在一定程度上解決大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部缺陷超聲檢測(cè)的難題，為大厚度高強(qiáng)鋼和奧氏體不銹鋼焊縫內(nèi)部缺陷的超聲檢測(cè)提供一種參考。