蔣政培,王 強,謝正文,范昕煒

(中國計量學院 質量與安全工程學院,浙江 杭州 310018)

奧氏體不銹鋼焊縫的超聲相控陣檢測及定量分析

蔣政培,王 強,謝正文,范昕煒

(中國計量學院 質量與安全工程學院,浙江 杭州 310018)

奧氏體不銹鋼管道焊縫缺陷的檢測已引起無損探傷人員的密切關注.今利用超聲相控陣技術對奧氏體不銹鋼管道焊縫缺陷進行檢測,并與20#碳鋼檢測成像效果進行比對.結果表明,相控陣超聲波在20#碳鋼中有很好的穿透性,而在奧氏體不銹鋼焊縫中超聲波信號衰減較為嚴重.奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)域缺陷信號信噪比最大值為9 dB,當探傷深度大于30 mm時,其信號衰減符合衰減方程描述.對于焊縫區(qū)域深度大于50 mm,尺寸小于φ2 mm的橫通孔,超聲相控陣技術無法清晰地探傷到此類缺陷.對于奧氏體不銹鋼焊縫,橫波檢測成像的信噪比要高于縱波.

超聲相控陣;奧氏體不銹鋼;焊縫缺陷;信噪比

奧氏體不銹鋼無磁性且具有良好的塑性,極佳的耐腐蝕性,優(yōu)良抗氧化性能[1],因而被廣泛應用.近年來,由于生產工藝的進步,奧氏體不銹鋼厚壁管道已經被應用于核工業(yè)和化工行業(yè)等重要領域.但奧氏體不銹鋼管道焊縫在高溫、高壓、放射性、水流沖擊等環(huán)境下工作時,其結構容易被破壞.常規(guī)超聲檢測方法可以用于不銹鋼面型裂紋缺陷的檢測,但面對晶粒粗大且各向異性的奧氏體組織[2],常規(guī)超聲差穿透力不足,得到的圖像分辨度不高,因此深厚奧氏體不銹鋼材料的超聲檢測多年來一直倍受關注[3].目前,國內外已有多家大學和科研機構開展了對奧氏體不銹鋼焊縫缺陷的超聲相控陣檢測研究.比如李衍針對異種鋼焊縫進行了相控探傷,提出了用電子背散射衍射技術來解決奧氏體聲場畸變帶來的問題[4].HU Dong等人用相控超聲技術對多層次組織焊縫的不銹鋼尿素反應塔進行了檢測,獲得了高信噪比的探傷圖像[5].肖琨通過改進DORT算法,使得奧氏體不銹鋼管道內部缺陷的相控超聲成像更為清晰[6].法國電力公司的CHASSIGNOLE等人使用ATHENA有限元檢測了超聲波在奧氏體不銹鋼焊縫中的衰減,并建立了衰減模型[7].YE J等人對于各向異性的焊縫缺陷進行了超聲相控陣檢測[8],發(fā)現超聲波在焊縫區(qū)域衰減較為嚴重.目前國內對于管道焊縫的超聲相控陣檢測并進行定量分析的相關文獻較少,缺少一定的定量檢測分析數據,而開展對奧氏體不銹鋼焊縫組織區(qū)域缺陷回波信號的定量分析,卻能夠更準確地了解不銹鋼焊縫區(qū)域的內部特性,洞悉超聲波在奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)域具體的衰減規(guī)律,以得到更精確的探傷結果.

本文重點研究奧氏體不銹鋼管道焊縫缺陷的超聲相控陣檢測,對焊縫試塊中深度為10 mm、30 mm、50 mm、70 mm,尺寸為φ2 mm×30 mm的橫通孔進行檢測,與20#碳鋼中深度為40 mm、80 mm、120 mm、160 mm,尺寸為φ3 mm×30 mm的橫通孔的檢測結果進行比對,定量分析了奧氏體不銹鋼焊縫區(qū)域超聲波的衰減規(guī)律.分析比較扇形掃查和線形掃查兩者不同方式獲得的掃查結果的區(qū)別.

1 超聲相控陣檢測原理

與傳統的超聲波檢測相比,超聲相控陣檢測有其獨特的優(yōu)勢,最顯著的特點是聲束偏轉和動態(tài)聚焦,兩者都是通過相位可控的超聲波實現的.超聲相控陣是依據惠更斯-菲涅耳(Huyghens-Fresnel)原理[9],通過各陣元發(fā)出相位可相互抵消或疊加的相干波,形成特定規(guī)律的穩(wěn)定聲場.

圖1 相控聚焦原理示意圖Figure 1 Phased focusing principle diagram

相控聚焦原理如圖1,超聲波聚焦點為P,焦距為f,相鄰陣元間中心距為d,媒質聲速為c,0號陣元為中心陣元，t0為足夠大的時間常數,以避免延遲時間為負.當P位于中心陣元正前方時,根據幾何聲程差,可計算出第n個陣元相對于中心陣元的激勵信號發(fā)射時間為tfn為[10]

(1)

本文所涉及的探頭為線性超聲相控探頭,其聲場空間任意一點r(x,y,z)在t時刻的聲壓分布滿足瑞利積分[11]

(2)

(3)

不同的檢測手段所獲得的圖像會有不同的信噪比(SNR),它反映了圖像的清晰程度,可通過以下公式計算得到

(4)

式(4)中：I0,I1—實際聲強和參考聲強[12].

2 試塊及相關信息

本實驗所用碳鋼試塊為RB-3/20(以下簡稱試塊A),用于模擬超聲波在20#對接焊縫鋼管道中的傳播.試塊A長350 mm,寬40 mm,高170 mm,其標準反射體為8個尺寸為φ3 mm×40 mm的橫通孔,各橫通孔的深度位置如圖2(a)所示.另外,本實驗組還定制了一塊奧氏體不銹鋼焊縫試塊(以下簡稱試塊B),試塊B長300 mm,寬30 mm,高90 mm,其標準反射體為5個處于V型焊縫邊緣尺寸為φ2 mm×30 mm橫通孔,其深度位置如圖2(b).

圖2 試塊圖像Figure 2 Images of the testing blocks

內容試塊A試塊B試塊類型橫通孔試塊橫通孔試塊尺寸/mm3長×寬×高350×40×170300×30×90材質20#304孔徑/mm?3×40?2×30實驗檢測橫通孔個數45試塊標準GB11345—89JB/T4730—2005

為了避免檢測楔塊附近的菲涅爾區(qū)對回波信號成像的干擾,避免空間重疊,對試塊A進行檢測時,特選擇了距離試塊探傷表面較遠,深度為40 mm、80 mm、120 mm、160 mm的四個橫通孔作為檢測目標.

實驗儀器如表2.

表2 實驗儀器

3 超聲相控陣檢測結果

3.1 20#碳鋼試塊檢測結果

圖3 試塊A及其超聲相控陣檢測結果 Figure 3 Block A and the detection result by ultrasonic phased array

圖3為試塊A及其超聲相控陣檢測結果.如圖3(a),4個橫通孔處于同一豎直線上.圖3(b)為橫波S掃描圖像,掃查角度為30°～70°,掃查深度為15～180 mm,增益參數設置為50 dB.通過對相應A掃描圖像進行分析,在深度為160 mm處缺陷信號信噪比達到了10 dB,說明相控陣超聲波在20#鋼中具有較強的穿透力.圖3(b)中,隨著探傷深度的增加,大小相同的缺陷的回波信號在逐漸減弱,且雜波信號略有增加.這是由于探頭發(fā)射聲波的特性、試塊材質的組織結構等因素使得超聲波在材料內部傳播時發(fā)生散射和畸變,導致超聲波不能按設定的法則進行聚焦和傳播,造成一部分超聲信號無法被有效利用而轉變?yōu)樵肼曅盘?從而出現雜波.所以，隨著深度的增加,超聲波的聲能逐漸減少,而雜波信號逐漸加強.

3.2 奧氏體不銹鋼焊縫試塊檢測結果

圖4為試塊B及其超聲相控陣檢測結果.圖4(a)中的5處缺陷呈V字形.圖4(b)顯示的深度范圍為5～90 mm.在增益同為50 dB的條件下,從圖4(b)中可看出,試塊上位于V型焊縫區(qū)域附近且深度為10 mm、30 mm、50 mm(分別為圖4(a)中的B1、B2、B3三處)的缺陷的檢測結果較為清晰,其信噪比分別為7 dB、9 dB、8 dB.從理論上而言,三者信噪比應逐漸降低,但實際檢測情況并非如此,10 mm處的缺陷信噪比低于30 mm處是由于該缺陷過于靠近檢測楔塊,造成了楔塊近場附近的菲涅耳區(qū)對超聲波信號產生干擾,使得系統無法分辨缺陷信號.而位于70 mm處的缺陷在圖像上無法觀測到,這是由于不銹鋼內部大量的晶粒粗大且各向異性的奧氏體組織造成了超聲信號的衰減,導致其回波信號強度不夠大,不足以和雜波信號區(qū)分開來,使得缺陷信號湮沒在雜波信號中.

對比圖3和圖4,在相同的增益下,兩試塊的檢測結果存在差異.由于20#鋼內部結構比較均勻,介質材料各向異性差異不大,信號衰減程度較弱,這使得利用超聲相控陣檢測技術可以檢測到深度大于160 mm的缺陷信號,且信噪比可以達到10 dB.然而，對于奧氏體不銹鋼,超聲相控陣對其檢測的成像效果要低于20#鋼.同增益時,圖4所顯示的檢測效果中所含的雜波信號明顯要高于圖3.

圖4 試塊B及其超聲相控陣檢測結果Figure 4 Block B and the detection result by ultrasonic phased array

實驗過程中實驗組還使用60°縱波相控探頭分別對試塊A、B進行了檢測,對試塊A進行檢測時,其檢測圖像與55°橫波檢測結果相似,但是試塊B的縱波檢測效果不如橫波,其原因在于縱波入射時在檢測試塊和楔塊之間發(fā)生了波形轉換,其聲束經過多次的反射和折射后分散為眾多能量較弱的聲束,使得進入試塊的波形中包含橫波和縱波兩種波形,兩者相互干擾影響了回波信號,造成成像模糊.同時,由于縱波波長較長,其在橫通孔處產生的衍射現象更為嚴重,導致回波信號變得更弱.

當增益增大至58 dB時,試塊B的線性掃查結果如圖5所示.從檢測結果可知,在缺陷回波信號放大的同時雜波信號也隨著變大,其噪聲含量明顯高于圖4,且在線形掃查過程中,超聲信號的衰減速率大于扇形掃查時超聲波的衰減速率.由于奧氏體焊縫組織的不均勻性和各向異性,增大增益對于提高圖像信噪比而言沒有太大的作用.在這種情況下,為了獲得更高的信噪比成像,可以通過增加探頭陣元數目、加大探頭發(fā)射能量等途徑來實現.

圖5 試塊B的線形掃查結果Figure 5 Detection result of block B by linear scan

3.3 奧氏體不銹鋼中相控陣超聲波信號衰減定量分析

本次試驗中,超聲波頻率f0為5 MHz,可以得到橫波波長λ為0.646 mm.一般而言,奧氏體不銹鋼焊縫中的柱狀晶平均直徑d在0.5 mm以上[13],可以認為d和λ相等,此時超聲波在奧氏體不銹鋼內部的衰減系數α滿足關系[14]

(5)

式(5)中：C—材料的散射系數,F—各向異性因子,d—晶粒直徑,f0—聲波頻率.此處F可取2[15].由此可知,若選擇頻率較低的超聲相控探頭,在一定程度上可使得衰減系數降低,減少傳播過程中的聲壓降,提高缺陷信號的信噪比與分辨率,提高圖像清晰度,因而用低頻探頭檢測奧氏體不銹鋼焊縫缺陷能獲得更好的檢測效果.

圖6 超聲信號衰減圖Figure 6 Ultrasonic signal attenuation figure

超聲信號在試塊B焊縫區(qū)域的衰減強度如圖6所示,x為探傷深度，px為回波信號強度.當探傷深度小于30 mm時,回波信號的信噪比較低,夾雜著較多的雜波,越是靠近探頭草狀雜波信號越強,這是由于超聲近場區(qū)域的超聲波相互干涉造成的,且規(guī)律較為復雜,使得探傷人員在實際的探傷過程中易出現誤判,但近場效應又無法完全避免.當探傷深度大于30 mm時,缺陷的信號強度迅速衰減,30 mm處焊縫缺陷信號信噪比為9 dB,50 mm處為8 dB,70 mm處為5 dB,造成此區(qū)域范圍內信號衰減的主要原因是大量各向異性的奧氏體組織造成超聲信號的強烈散射,使得信號在傳播過程中迅速衰減,造成聲能流失,其衰減規(guī)律基本符合衰減方程描述[10]

px=p0·e-αx.

(6)

式(6)中：px—傳播距離x后的聲壓,p0—聲波的初始聲壓.

4 結 語

1)對于20#碳鋼內部缺陷,利用超聲相控陣能夠清晰地檢測出缺陷的深度信息和尺寸信息,對于160 mm處尺寸為φ3 mm的缺陷,其回波信號信噪比可達10 dB.在相同實驗條件下檢測奧氏體不銹鋼焊縫缺陷,檢測效果不如碳鋼檢測效果明顯,對深度大于50 mm尺寸不大于φ2 mm的焊縫處缺陷,其成像信噪比小于7 dB,檢測效果不佳.

3)使用橫波對奧氏體不銹鋼進行相控超聲檢測比同頻率下的縱波檢測獲得的圖像信噪比更高.

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Detection and quantitative analysis of the weld in austenitic stainless steel based on ultrasonic phased array

JIANG Zhengpei, WANG Qiang, XIE Zhengwen, FAN Xinwei

(College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

The detection of defects in austenitic stainless steel was focused in the NDT field. The ultrasonic phased array was used to detect the defects in austentic stainless steel pipeline welds. The detection results of the two specimen blocks(the 20#carbon steel block and the austentic stainless steel block) were compared in detail. It showed that the ultrasonic wave could penetrate the carbon steel block easily, while the ultrasonic wave energy decreased rapidly in the austenitic steel block. The largest signal noise ratio of ultrasonic wave echo signals in austenic stainless steel blocks was just 9 dB. The significant attenuation satisfied the rule of attenuation equation,when the defect depth was more than 30 mm. It was difficult to detect the horizontal hole of the size ofφ2 mm when the defect depth was more than 50 mm. Compared with the longitudinal wave detection, a better SNR can be got by transverse wave detection.

ultrasonic phased array; austenitic stainless steel; weld defect; signal noise ratio

1004-1540(2015)02-0166-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.008

2015-01-15 《中國計量學院學報》網址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家自然科學基金資助項目(No.51374188),質檢公益性行業(yè)科研專項(No.201410027,201410028).

TG115.28+5

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