主管道窄间隙焊缝相控阵与常规超声检测技术对比分析

张志鹏 陈 飞 欧阳标 李迎春

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉430223）

0 引言

主管道窄间隙自动焊焊缝为粗晶奥氏体材料，晶粒组织不均匀，对超声波具有强烈的衰减、散射、扭曲作用，因此，这类焊缝的超声检测存在很多技术上的难点。在国内的实际应用中，通常采用常规超声方法对窄间隙焊缝进行检测，如采用纵波、低频检测，通过宽频带窄脉冲探头提高信噪比，利用多种深度的聚焦探头实现全壁厚覆盖。近年来，随着相控阵超声检测技术在核电厂的广泛应用，也为主管道窄间隙焊缝检测提供了新的思路，本文根据窄间隙焊缝的结构特点，制订一种相控阵检测方案，通过试验与已经广泛应用的常规检测方法进行对比分析，从而验证相控阵检测技术对主管道窄间隙焊缝的检测能力。

1 被检对象介绍

主管道窄间隙自动焊焊缝材料为奥氏体不锈钢，坡口为V形和U形组合坡口，坡口底部宽度约7 mm，坡口单边宽度≤10 mm。窄间隙焊缝壁厚最大可达95.7 mm，其检测区域包括焊缝及两侧各10 mm热影响区。窄间隙焊缝主要可能产生的缺陷包括晶间腐蚀、热裂纹和疲劳裂纹等。

2 窄间隙焊缝常规超声与相控阵超声检测技术概述

2.1 常规超声检测技术

为了使声束在奥氏体不锈钢中获得更好的穿透力，对主管道窄间隙焊缝主要采用接触式双晶纵波探头进行检测，采用低频、宽带、窄脉冲、不同焦距和不同晶片尺寸的探头从外表面进行自动检测。检测区域按厚度方向分为三层，分别利用不同的探头进行检测，扫查表面以下0～30 mm为第一层；扫查表面以下20～60 mm为第二层；表面以下50 mm至底面范围为第三层。窄间隙焊缝超声检测不同分层采用的探头如表1所示。

表1 不同分层采用的探头

2.2 相控阵超声检测技术

相控阵超声波探头由多个晶片按照一定规律排列组成，晶片的激发时间可以单独调节，形成一定的延迟法则，从而实现声束角度和焦点等参数控制，如图2所示。相较于常规超声技术来说，相控阵技术可以采用一个探头生成不同角度、不同聚焦深度的超声波声束，生成多角度的扇扫图像。

图2 相控阵检测原理图

结合常规检测方法的应用经验以及相控阵检测的特点，本文分别采用频率为1 MHz和2 MHz的二维面阵相控阵探头进行窄间隙焊缝相控阵检测技术的试验分析。2 MHz探头频率较大，对于大壁厚区域的衰减增大，信噪比减小，因此，采用该探头进行近表面和中间区域的检查。1 MHz探头频率较低，衰减较小，进行中下部分区域的检查。

3 信噪比对比试验

3.1 试验设备

采用DYNARAY相控阵和常规多通道检测两用超声仪进行试验，以对比试块中的φ3.2 mm横孔进行信噪比测试。

3.2 常规超声探头信噪比测试

（1）针对近表面区域，采用频率为2 MHz，角度为70°的近表面聚焦探头，将深度为10 mm深的横孔最大反射回波信号调至80%，信噪比测试结果如图3（a）所示。

（2）针对近表面至中部区域，采用频率为1.5 MHz，角度为的45°的浅焦探头，将深度为20 mm深的横孔最大反射回波信号调至80%，信噪比测试结果如图3（b）所示。

（3）针对中部区域，采用频率为1 MHz，角度为的45°中焦探头，将深度为50 mm的横孔最大反射回波信号调至80%，信噪比测试结果如图3（c）所示。

（4）针对底部区域，采用频率为1MHz，角度为的45°深焦探头，将深度为70 mm的横孔最大反射回波信号调至80%，信噪比测试结果如图3（d）所示。

图3 常规探头信噪比测试信号

3.3 相控阵超声探头信噪比测试

根据探头参数设置好相应的扇扫聚焦法则，分别对试验试块上不同深度的φ3.2mm横孔进行信噪比测试，2 MHz面阵探头信噪比测试结果如图4所示，1MHz面阵探头信噪比测试结果如图5所示。

图4 2MHz相控阵探头信噪比测试信号

图5 1 MHz相控阵探头信噪比测试信号

3.4 试验结果及分析

常规探头及相控阵探头信噪比试验详细测试结果如表3所示。

表3 常规探头及相控阵探头信噪比测试试验结果 dB

根据以上实验结果，进行综合分析总结如下：

（1）在近表面区域，2 MHz相控阵探头信噪比要优于1 MHz探头，在底部区域，1 Mhz相控阵探头信噪比要优于2 MHz探头，在中间区域，两者信噪比相差不大；

（2）在近表面区域，相控阵探头信噪比要明显优于常规探头，在中间及底部区域，相控阵探头及常规探头的信噪比相差不大；

（3）对于常规检测方法，最少要采用4种聚焦深度探头才能覆盖全壁厚检测，而相控阵探头可以设置不同的聚焦法则，采用2个探头就能达到常规探头的检测效果，可以获得更高的检测效率。

4 结论与展望

本文通过相控阵与常规超声检测的信噪比对比试验，确定了主管道窄间隙焊缝实施相控阵检测的可行性，在部分区域，相控阵探头的试验结果优于常规探头，而且相控阵可以利用较少的探头实现较好的检测效果，这对提高现场实施效率意义重大。通过进一步的研究和改进，窄间隙焊缝相控阵超声检测技术可以推广到各核电现场的实际应用中，并逐步取代常规超声检测方法。