葛廣林,姚建松,朱 琪 ,徐 寧
(1.中國能源建設(shè)集團有限公司工程研究院,北京 100022;2.浙江無損檢測工程技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310016;3.安徽津利能源科技發(fā)展有限責(zé)任公司,安徽 合肥 231200;4.中國能建工程研究院相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用研究所,安徽 合肥 231200;5.蘇州熱工研究院有限公司,江蘇 蘇州 215004)
奧氏體不銹鋼(austenitic stainless steel,ASS)是指常溫下有奧氏體組織的不銹鋼。因具有很高的耐蝕性,良好的冷加工性、韌性、塑性、焊接性和無磁性,ASS 在核電廠主管道等系統(tǒng)中大量應(yīng)用。
目前,國內(nèi)核電、火電和特種設(shè)備行業(yè)已有關(guān)于ASS 焊接接頭相控陣超聲檢測的方法。我國能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47103.15—2021《承壓設(shè)備無損檢測 第15 部分:相控陣超聲檢測》[1]在資料性附錄I 中提出了10 ~80 mm ASS 對接接頭超聲檢測方法和質(zhì)量分級,但工藝方法和參數(shù)設(shè)計部分描述較為簡潔。該標(biāo)準(zhǔn)未提及針對核電主管道中厚壁(≥80 mm)ASS 對接接頭,目前普遍采用的相控陣超聲扇掃描并不能對厚壁ASS 對接接頭進(jìn)行有效檢測。黃文大[2]等提出了采用FMC-TFM(full matrix capture-total focusing method)全聚焦技術(shù)檢測厚壁ASS 對接接頭,驗證了全聚焦技術(shù)檢測ASS 對接接頭的可行性。張子健[3]等提出了采用雙面陣相控陣探頭激勵聲場檢測厚壁管ASS 接頭,可以提高相控陣超聲檢測靈敏度。
本文采用雙面陣相控陣探頭和平面波激勵的PWI-TFM(plane wave imaging-total focusing method)全聚焦技術(shù)檢測ASS 對接接頭,通過模擬試塊和對比試塊試驗比對,提高檢測靈敏度、信噪比和分辨力,并在某核電廠主管道對接接頭檢測應(yīng)用驗證。
與鐵素體焊接接頭不同,ASS 對接接頭晶粒粗大、柱狀晶粒具有各向異性與母材存在明顯的異質(zhì)界面,特別是在熔合面處組織變化明顯,這樣焊縫組織對相控陣超聲檢測而言是一種彈性非均勻的材料,對相控陣超聲檢測影響較大[4],主要影響體現(xiàn)在晶粒粗大和各向異性2 個方面。
1)晶粒粗大的影響
當(dāng)焊縫晶粒的直徑接近超聲波波長的1/10時,就會產(chǎn)生明顯的散射;當(dāng)晶粒直徑達(dá)到半個波長時,聲散射劇增,無法進(jìn)行超聲檢測。很多奧氏體焊縫的平均晶粒直徑一般大于0.5 mm,長度往往超過10 mm,晶界間的散射能量損失較多,加速了超聲波束的能量衰減,雜亂的散射回波會導(dǎo)致檢測信噪比較低,這是檢測粗晶焊縫的主要困難所在。
2)各向異性的影響
超聲波在不均勻、各向異性焊縫中呈現(xiàn)曲線的傳播路徑,難以確定合理的聚焦延遲法則[5],這不僅會降低檢測聲場的聚焦強度,同時也給缺陷的定位和定量帶來極大的不利影響。
ASS 對接接頭粗大晶粒組織會加速超聲波束能量衰減,改變聲波傳播路徑,而這種影響對于超聲橫波和縱波是不同的。超聲橫波和縱波在ASS 焊縫中的傳播路徑仿真如圖1 所示,可以看出,橫波在ASS 焊縫中的偏轉(zhuǎn)角較縱波更大。
圖1 縱波和橫波在ASS焊縫中的傳播路徑和能量分布仿真結(jié)果
對于316L 奧氏體不銹鋼焊縫縱波的偏轉(zhuǎn)角約為15°~20°,橫波的偏轉(zhuǎn)角可達(dá)50°,嚴(yán)重影響相控陣超聲的檢測結(jié)果,造成該結(jié)果的主要原因是相同頻率的縱波波長一般是橫波波長的2 倍,縱波受影響更小[6],同時為了減少超聲波束的能量衰減,一般采用較低的激發(fā)頻率。
厚壁ASS 對接接頭受壁厚增加影響較大,需采用高阻尼窄脈沖的雙晶縱波聚焦探頭,減少晶界的影響,提高超聲束的聚焦效果,減少特定檢測區(qū)域的波束界面積和晶粒散射的作用面積,有利于提高檢測靈敏度,且激發(fā)晶片序列和接收晶片序列完全獨立,有效提高靈敏度和信噪比[4]。目前使用的雙晶縱波聚焦探頭主要分為雙線陣和雙面陣。
為了提高不同深度區(qū)域的檢測靈敏度和分辨率,雙線陣相控陣超聲探頭的2 個晶片序列一般設(shè)計為具有一定的夾角,即“楔塊屋頂角”。相控陣探頭激發(fā)超聲束通過斜楔塊實現(xiàn)聲束偏轉(zhuǎn),某雙線陣相控陣探頭聚焦檢測模型如圖2所示,由圖2 可知,雙線陣相控陣探頭通過楔塊屋頂角實現(xiàn)被檢區(qū)域投影深度方向的聚焦;實際檢測過程中,為保證投影深度方向的聚焦效果,需要相控陣探頭激發(fā)聚焦法則和接收聚焦法則高度一致性,而僅通過改變楔塊屋頂角是難以做到的,如圖2(b)所示,雙線陣相控陣探頭在進(jìn)行投影深度聚焦檢測時,2 個線陣陣列呈現(xiàn)一定的夾角,雙線陣相控陣探頭在進(jìn)行聚焦檢測時,需要定制化設(shè)計楔塊屋頂角和探頭線陣陣列夾角兩個參數(shù),對于現(xiàn)場檢測工件尺寸、被檢區(qū)域、檢測距離等影響因素的變化,采用雙線陣相控陣探頭檢測ASS 對接接頭操作繁瑣,且成本較大。
圖2 某雙線陣相控陣探頭聚焦檢測模型
圖2 為采用雙面陣相控陣探頭投影深度聚焦檢測模型,可通過控制二維晶片序列激發(fā)時序,實現(xiàn)最優(yōu)的聚焦效果,針對現(xiàn)場檢測因素的變化,雙面陣相控陣探頭可以通過改變晶片激發(fā)/接受時序,或楔塊屋頂角,便可達(dá)到預(yù)期檢測效果。與雙線陣相控陣相比,減少了相控陣探頭數(shù)量,降低了成本,且雙面陣相控陣探頭可以根據(jù)現(xiàn)場的檢測因素誤差,對聚焦法則進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,更適用于ASS 焊縫檢測。
采用縱波雙晶相控陣超聲扇掃描檢測,因探頭參數(shù)不同,聚焦效果也有明顯的差異。采用頻率2.5 MHz,晶片數(shù)量4×8 個,晶片大小分別為1.4 mm× 1.8 mm 和2.7 mm×3 mm 的兩個雙面陣相控陣探頭,對5 mm、15 mm 和20 mm 這3 個不同深度的2 mm 橫通孔進(jìn)行聚焦檢測實驗,得到的結(jié)果如圖3 所示。
圖3 雙面陣相控陣探頭激發(fā)不同聚焦距離對反射體的回波幅值關(guān)系
由圖3 可知,ASS 焊縫采用縱波雙面陣相控陣探頭檢測,聚焦距離設(shè)置對不同深度的檢測靈敏度影響較大,要提高厚度范圍內(nèi)所有區(qū)域的檢測靈敏度,需要多組不同的檢測工藝。
雙線陣相控陣探頭通過改變2 個晶片序列的夾角實現(xiàn)不同區(qū)域的聚焦檢測,雙面陣相控陣探頭通過控制橫向排布晶片的激發(fā)延時,實現(xiàn)超聲束的橫向偏轉(zhuǎn)和聚焦,由于受到有效孔徑的影響,偏轉(zhuǎn)范圍也有限,因此,在近表面區(qū)域存在一個無法檢測的盲區(qū)。
相控陣超聲全聚焦檢測技術(shù)可提高有效區(qū)域內(nèi)所有位置的檢測靈敏度和分辨力,近表面盲區(qū)較扇掃描更小。針對厚壁ASS 焊縫,常規(guī)FMC-TFM 全聚焦方法單晶片激勵,能量較弱,而且發(fā)射次數(shù)較多,數(shù)據(jù)處理量大,并不適用于現(xiàn)場檢測。而采用平面波激勵的PWI-TFM 全聚焦技術(shù)依次激發(fā)所有晶片,激發(fā)能量大,且數(shù)據(jù)激發(fā)次數(shù)更少,數(shù)據(jù)處理更快,適用于厚壁ASS 焊縫檢測。結(jié)合式(1)和式(2),考慮到平面波的角度數(shù)量Q遠(yuǎn)小于晶片數(shù)量N,因此,PWI-TFM 全聚焦技術(shù)數(shù)據(jù)疊加次數(shù)更少。
式中:AFMC(P)和APWI(P) 分別為FMC-TFM 和PWI-TFM 在P點數(shù)據(jù)次數(shù);Tip、Tqp為激發(fā)時序;Tjp為接受時序;P為檢測區(qū)域的任一位置;S表示信號矩陣;i表示激發(fā)晶片;j表示接受晶片。
核電主管道ASS 對接接頭一般采用窄間隙焊,上半部分焊縫較寬,下半部分焊縫較窄,因此,焊縫上部分的聲能衰減和影響較下部分嚴(yán)重。采用雙面陣相控陣探頭和PWI-TFM 全聚焦檢測方法,與常規(guī)案頭橫波檢測和雙線陣探頭扇掃描檢測進(jìn)行試驗比對,驗證不同工藝檢測ASS 對接接頭的靈敏度、信噪比和分辨力,得出最佳檢測方案。
坡口缺陷位于母材和焊縫的界面上,縱波的檢測效果優(yōu)于橫波。采用型號為2.25DM4×7-A17,平面楔塊角度為18.9°,孔徑大小18.72 mm×11.75 mm 的雙面陣相控陣探頭,分別采用全聚焦和扇掃描分區(qū)檢測2 種方法,對標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行比對檢測。#1 標(biāo)準(zhǔn)試塊厚度為94 mm,在焊縫單側(cè)坡口處加工5 個不同深度的2 mm 長橫孔。#1 標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測圖像如圖4 所示,雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測結(jié)果見表1所列。
表1 坡口缺陷雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測結(jié)果
圖4 雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測圖像
#1 標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測圖像如圖5 所示。#1 標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測結(jié)果見表2所列。
表2 雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測結(jié)果
由圖4、圖5、表1 和表2 可知:
1)采用扇掃描和全聚焦檢測都可發(fā)現(xiàn)焊縫同側(cè)和對側(cè)長橫孔發(fā)射體,由于穿過焊縫粗晶組織,同側(cè)反射體的靈敏度明顯優(yōu)于對側(cè)。而采用全聚焦檢測長橫孔反射體的靈敏度和分辨力優(yōu)于扇掃描檢測。
2)焊縫上部較寬,聲能損失更大,對聲束偏轉(zhuǎn)的影響更大,尤其是扇掃描檢測,對側(cè)焊縫上部的反射體檢測靈敏度較低,檢測位置偏離嚴(yán)重,因此,在現(xiàn)場檢測過程中,應(yīng)采用嚴(yán)格控制掃查軌跡,以減少缺陷定位的誤差。
檢測ASS 焊縫內(nèi)部缺陷,超聲束均需要穿過焊縫粗晶組織,縱波的檢測效果優(yōu)于橫波。采用2.5 MHz、晶片數(shù)4×8 的雙面陣相控陣探頭,分別采用全聚焦和扇掃描分區(qū)檢測2 種方法,對標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行比對檢測。在標(biāo)準(zhǔn)試塊焊縫中部加工5 個不同深度的2 mm 長橫孔。
標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測圖像如圖6 所示,雙面陣相控陣探頭扇掃描的檢測結(jié)果見表3 所列。
表3 內(nèi)部缺陷雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測結(jié)果
圖6 雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測圖像
標(biāo)準(zhǔn)試塊采用雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測圖像如圖7 所示,雙面陣相控陣探頭全聚焦的檢測結(jié)果見表4 所列。
表4 內(nèi)部缺陷雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測結(jié)果
圖7 內(nèi)部缺陷雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測圖像
由圖6、圖7、表3 和表4 可知,采用全聚焦和扇掃描檢測均能發(fā)現(xiàn)所有長橫孔反射體,由于反射體位于焊縫中部,穿過的焊縫部分較少,缺陷檢測靈敏度和信噪比都較好,從焊縫兩側(cè)檢測差異較小。對于深度較大的反射體,全聚焦檢測靈敏度和分辨力稍優(yōu)于扇掃描檢測。
1)上表面缺陷檢測
雙面陣相控陣全聚焦和扇掃描檢測ASS 焊縫內(nèi)部缺陷,都存在表面盲區(qū)。為了驗證2 種檢測方法的盲區(qū)高度,采用2.5 MHz、晶片數(shù)4×8 的雙面陣相控陣探頭,分別采用全聚焦和扇掃描分區(qū)檢測2 種方法,對標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行比對檢測。在標(biāo)準(zhǔn)試塊焊縫上表面加工深度為2 mm 的開口槽,規(guī)格為長60 mm×寬2 mm×高1 mm。全聚焦檢測和雙面陣探頭相控陣扇掃描2 種檢測方法的檢測圖像如圖8 所示,可見,扇掃描聲束無法覆蓋上表面,因此,無法檢出表面開口槽。
圖8 雙面陣相控陣探頭全聚焦和扇掃描檢測圖像
采用全聚焦可檢測2 mm 開口槽反射體,信噪比為13.3 dB,反射體幅值為TCG-7 dB,超聲波縱波的檢測靈敏度和分辨率滿足檢測需求。但實際檢測深度為9.2 mm,定位誤差較大,主要原因是ASS 焊縫晶粒大小和方向影響超聲縱波的聲速和傳播方向,雖然影響遠(yuǎn)小于超聲橫波,相控陣儀器在激發(fā)超聲縱波檢測時,只能按照一個固定的聲速和偏轉(zhuǎn)范圍計算聚焦法則,對于上表面缺陷檢測,相控陣超聲探頭用于大角度超聲縱波偏轉(zhuǎn)的有效孔徑長度較小,超聲縱波受晶粒尺寸和方向影響被放大,導(dǎo)致缺陷定位誤差較大;對于深度較大的缺陷,超聲縱波偏轉(zhuǎn)角度在主聲束附件,有效孔徑大,超聲縱波受晶粒尺寸和方向影響較小,缺陷定位誤差也較小。
2)下表面缺陷檢測
核電ASS 對接接頭采用窄間隙焊,根部焊縫的寬度很小,約為2 mm,對橫波和縱波的影響都較小。為了驗證橫波和縱波對于焊縫根部開口槽的檢出效果,采用頻率5 MHz、晶片數(shù)量64 的線陣相控陣探頭激發(fā)橫波檢測,頻率2.5 MHz、晶片數(shù)量4×8 的縱波雙面陣相控陣探頭分別激發(fā)扇掃描和全聚焦檢測,以及頻率1.5 MHz、晶片數(shù)量32 激發(fā)縱波扇掃描檢測4 種方法進(jìn)行對比試驗。檢測試塊厚度為94 mm,焊縫根部開口槽為長60 mm× 高2 mm×寬1 mm。4 種檢測方法的檢測圖像如圖9 所示,結(jié)果比對見表5 所列。
表5 4種檢測方法的結(jié)果比對
圖9 4種檢測方法的檢測圖像
由圖9 和表5 可知,采用線陣探頭激發(fā)橫波檢測和雙面陣探頭縱波扇掃描檢測,無法發(fā)現(xiàn)根部開口槽缺陷,雙面陣探頭全聚焦檢測和線陣探頭縱波扇掃描檢測均可發(fā)現(xiàn)根部開口槽缺陷,但靈敏度和分辨率不高,全聚焦檢測的根部信號易于底波混淆,難以分辨,縱波扇掃描檢測靈敏度優(yōu)于全聚焦檢測,但缺陷識別同樣受到根部信號的干擾。
針對厚壁ASS 對接接頭的坡口和焊縫內(nèi)部缺陷,采用雙面陣相控陣探頭全聚焦檢測效果優(yōu)于雙面陣相控陣探頭扇掃描檢測。采用PWITFM 全聚焦檢測,單次工藝可覆蓋焊縫進(jìn)行檢測,較扇掃描分區(qū)檢測效率更高。
采用頻率為2.5MHz、晶片數(shù)量4×8的雙面陣相控陣超聲探頭,檢測規(guī)格為φ795×72.5 mm 的模擬試管,材質(zhì)為316L,分別在模擬試管焊縫上部、中部和下部缺陷預(yù)制6 個條形缺陷。如圖10 所示為全聚焦檢測缺陷圖像,結(jié)果見表6 所列。
表6 扇掃描和全聚焦檢測結(jié)果對比
圖10 全聚焦檢測缺陷圖像
由表6 和圖10 可知,采用相控陣超聲全聚焦技術(shù)可檢測出模擬試塊內(nèi)的所有缺陷,檢測靈敏度和信噪比較好,#1 近表面缺陷定位誤差較大,與2.3 試驗結(jié)果一致。焊縫中上部缺陷檢測靈敏度和信噪比較好,焊縫中部和中下部缺陷,由于近場區(qū)長度較小,缺陷分辨力一般,缺陷測量值大于預(yù)制值。
針對核電厚壁ASS 對接接頭組織晶粒粗大和各向異性導(dǎo)致的超聲聲能衰減和超聲束定位偏差大的問題,本文對比多種不同檢測工藝方法的優(yōu)劣,采用模擬試塊和現(xiàn)場應(yīng)用檢測驗證,表明雙面陣相控陣探頭激發(fā)PWI-TFM 全聚焦檢測ASS 焊縫缺陷是可行的,比縱波扇掃描分區(qū)檢測缺陷信噪比和分辨率更優(yōu),但對于近表面缺陷的定位準(zhǔn)確度還需要進(jìn)一步驗證或補充檢測方案。在厚壁ASS 焊縫相控陣超聲檢測中,晶粒尺寸和方向的影響是不可避免的,但是通過嚴(yán)格控制焊接工藝,細(xì)化晶粒,有利于減少誤差,提高相控陣超聲檢測的精度。