相控阵超声波技术在奥氏体不锈钢管道环焊缝检测中的运用

文/吴员 张天江 张利园 史学材 权利

大厚度不锈钢管道焊接是海上平台工艺管线工作中的一个最重要的部分，主要使用的材料是Cr-Ni奥氏体不锈钢，这种材料导线性较差，有较大的线膨胀系数，焊接时会产生较大的焊接应力。如果焊接材料、工艺不当，就会使焊接出现晶间腐蚀、热裂纹等各种缺陷，影响焊缝质量。同时，由于奥氏体焊缝是一种晶粒粗大的柱状晶组织，当超声波进入焊缝中时，会因晶粒直径、柱状晶组织产生的弹性各向异性而导致声速变化、波束偏移、散射衰减增加等问题。因此，采用常规超声方法对奥氏体不锈钢管道环焊缝检测的效果不理想。

超声相控阵检测技术技术可以通过计算机软件对声束角度、聚集距离及焦点尺寸进行控制；能够用单个多晶片相控阵探头对同一位置的焊缝进行多角度的检测；能够检测复杂几何形状焊缝，且具有较好的机动性与灵活性；能够与机械夹具配合使用，高速、全面扫查整个试件；能够通过计算机对信号与数据进行采集处理，使超声检测结果显示更直观，此外，该技术可以对数据进行存储及转移，便于后续的离线分析。采用超声相控阵检测技术对海上平台工艺管线焊缝进行检测，检查时间、检测成本均有显著降低，对一些接由于空间受限而导致常规超声无法完成检测的焊缝，也能够通过一次扫描进行全覆盖检测。目前，相控阵超声波检测在奥氏体不锈钢管道环焊缝的检测工作中取得了良好的效果。

1 奥氏体不锈钢管道环焊缝超声相控阵检测技术

1.1 合理选择相控阵探头

奥氏体不锈钢不会在热处理过程中出现相变，也不会出现晶粒细化的现象。横波检测时会较大地受到奥氏体不锈钢各向异性影响，其声束还会在焊缝中出现偏转，进而生成一些与缺陷相似的伪信号。因此，需要使用纵波探头进行检测，提高声束的穿透性，并通过双晶探头设置进一步降低噪声信号干扰。

1.2 优化超声相控阵设置参数

参数设置是影响检测空间分辨率与对比度分辨率的重要因素，要对各参数在检测过程及检测结果中的影响规律进行分析与总结，优化各参数设置原则与方法。超声相控阵参数主要由通道增幅、采样频率、采样位数、脉冲宽度、脉冲重复频率、带能滤波、时基模式、平滑化、平均化及电压等组成。脉冲宽度在100-1000ns范围内变化时，扫查图显示，脉冲宽度过大或过小获得的检测结果都较差，要合理选择脉冲宽度。在半声程聚集模式下，绘制脉冲宽度-回波幅值-信噪比曲线，观察曲线走向，可以发现，脉冲宽度为450-500ns时，目标孔回波幅值会达到最高值，其他宽度下，会出现先增后减的变化趋势，噪声幅值也有这一规律。因此，运用相控阵超声波技术进行检测时，要将脉冲宽度调节到阵列探头主频率周期的1/2左右，同时保证回波幅值与信噪比满足规范要求。

2 试验设备与试块

选择Omniscan MX2 超声波相控检测仪对有自然缺陷的一种奥氏体不锈钢管道环焊缝试块进行检测，试块包括一个外径较小（273mm）、壁厚较小（30mm）的试块A和一个外径较大（880mm）、壁厚较大（90mm）的试块B，试块有平面型缺陷，主要是内表面缺陷、外表面缺陷与埋藏缺陷三类缺陷。试块A包含5个缺陷，分别为位于x轴位98.64°、y轴位0mm处的长20mm、高9mm的周向外表面缺陷，一个x轴位102.84°、y轴位0mm处的长20mm、高9mm的周向内表面缺陷，一个x轴位282.50°、y轴位0mm处的长20mm、高9mm的周向埋藏缺陷，一个x轴位94.44°、y轴位0mm处的长20mm、高6mm的轴向埋藏缺陷，一个x轴位230.42°、y轴位0mm处的长20mm、高15mm的轴向埋藏缺陷。试块B有4处缺陷，一个x轴位26.01°、y轴位0mm处的长35.4mm、高15mm的周向内表面缺陷，一个x轴位61.30°、y轴位0mm处的长10mm、高10mm的周向内表面缺陷，一个x轴位280.00°、y轴位-5.0mm处的长40mm、高19.5mm的轴向内表面缺陷，一个x轴位302.28°、y轴位0mm处的长48mm、高15mm的周向埋藏缺陷。

3 试验结果

采用超声相控阵检测仪分别检测试块A与试块B，检查过程中，若发现缺陷，则通过-12dB法测长，通过端点衍射法测高，并将相控阵检测结果与常规自动超声检测结果进行比较。

定量结果显示，缺陷高度检测结果误差为-3.8-1.4mm，长度误差则为-1-13mm，高度均方根误差1.7mm，与ASMΕ规范中要求的均方根误差低于3.2mm的标准相符合，长度均方根误差6.0mm，与ASMΕ规范中要求的均方根误差低于19mm的标准相符合。常规超声检测结果显示高度检测结果误差为-2.5-0.8mm，均方根误差1.5mm，长度误差-0.6-18mm，均方根误差8mm。超声相控阵检测误差均符合ASMΕ规范要求，与常规自动超声检测结果误差相近，部分缺陷检测结果精确度更高。

4 结语

本文通过使用二维双晶面阵探头，合理选择适宜聚集深度的楔块，使用CIVA仿真软件的声场仿真，并对有自然缺陷的两个试块进行检测，结果显示，相控阵超声波技术能够对这两个试块进行全体积缺陷检测与定量，定量误差能够满足ASMΕ规范要求，可以用于海上平台工艺管线奥氏体不锈钢管道环焊缝检测工作。