不銹鋼管道焊縫超聲檢測中顯示信號的定性分析

盧 威，張運平，柯 濤，王羽翀，劉 奎

（中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223）

不銹鋼管道具有耐高溫、耐腐蝕、機械性能優(yōu)良等特性，是核電廠中大量存在并與電廠運行安全息息相關(guān)的常見管道，因而對不銹鋼管道焊縫質(zhì)量的檢測尤為重要。對于不銹鋼管道焊縫的無損檢測，主要采用超聲檢測和射線檢測，由于射線檢測對非危險性的體積型缺陷如氣孔、夾渣較靈敏，而對于平面型缺陷如裂紋、未熔合等危險性缺陷的檢測靈敏度遠(yuǎn)低于超聲檢測，所以不銹鋼管道焊縫常采用超聲檢測。核電廠中存在大量規(guī)格為φ200～400mm的中小徑不銹鋼管道，由于現(xiàn)場空間和環(huán)境的限制，往往只能進(jìn)行手動超聲檢測；因此，在僅能獲取A掃信號信息的情況下，掌握顯示信號定性分析方法對準(zhǔn)確判斷出焊縫中的平面型缺陷至關(guān)重要。

筆者選取含有裂紋和未熔合這兩類典型平面型缺陷的φ306mm×26.5mm不銹鋼管道焊縫驗證試塊為試驗對象，實施手動超聲檢測并對缺陷顯示信號進(jìn)行定性分析，得出一些信號定性分析技巧和方法，為工程檢測人員提供參考，以提高現(xiàn)場不銹鋼管道焊縫超聲檢測的可靠性和準(zhǔn)確性。

1 試驗試塊與設(shè)備

1.1 試驗試塊

試驗驗證試塊為φ306mm×26.5mm不銹鋼管道焊縫試塊，長度300mm，焊縫坡口為V型，焊縫寬度40mm，焊縫內(nèi)表面焊縫余高未打磨（即有焊瘤），如圖1。該試塊中包含有不同類型、不同位置的平面型缺陷；試驗時采取盲測，即缺陷信息在結(jié)果對比前是未知的。

圖1 不銹鋼管道試塊尺寸

1.2 試驗儀器

CTS2000型脈沖回波式手動超聲儀。

1.3 試驗探頭

選擇0°、45°、60°、70°四種角度探頭，包括單晶橫波、單晶縱波、雙晶縱波探頭。探頭參數(shù)見表1。

表1 試驗探頭參數(shù)

2 試驗與結(jié)果

在測試試塊上測量出超聲探頭的前沿和角度；然后利用參考試塊上的φ2mm橫孔制作靈敏度曲線并設(shè)置好基準(zhǔn)靈敏度；在基準(zhǔn)靈敏度上提高12dB后，在試驗試塊進(jìn)行超聲檢測。共檢測出4個缺陷顯示，檢測結(jié)果見表2。其中，周向位置X以試塊鋼印標(biāo)記為參考“0”點；軸向位置Y以試塊焊縫中心線為零點。

表2 檢測結(jié)果缺陷顯示

3 顯示信號定性分析

3.1 1號顯示信號分析

該信號的最大幅值由45°探頭探測到，顯示回波最大幅值處的顯示深度略大于焊縫壁厚，但小于正常的焊瘤信號深度，且顯示信號軸向位置與正常的焊瘤信號軸向位置有6mm的偏差，分析該信號的位置信息可判明該缺陷靠近易于產(chǎn)生焊趾裂紋的焊縫根部。0°直探頭在該顯示區(qū)域探測時無明顯回波信號，而45°縱波探頭在該顯示區(qū)域可觀察到較弱的端點衍射信號，可初步判定該缺陷顯示為平面型顯示。

為了進(jìn)一步確認(rèn)，使用單晶縱波70°探頭并采用30－70－70波型轉(zhuǎn)換技術(shù)［1］（圖2）進(jìn)行顯示性質(zhì)的分析判別。30－70－70波型轉(zhuǎn)換技術(shù)是指：伴隨著探頭的70°縱波，同時會產(chǎn)生一個30°直接橫波和31°非直接橫波；其中的30°直接橫波傳播到試塊底面時，將折射為70°縱波信號并在缺陷表面反射后傳播回探頭，稱為CE－1信號；其中的31°非直接橫波傳播到試塊底面時，波型轉(zhuǎn)換為內(nèi)表面爬波并在缺陷表面反射后傳播回探頭，稱為CE－2信號。當(dāng)出現(xiàn)CE－2信號時，說明該缺陷內(nèi)表面開口。該技術(shù)根據(jù)CE－1信號和CE－2信號，對顯示的性質(zhì)和高度進(jìn)行判定。對于1號顯示，可以明顯發(fā)現(xiàn)CE－1信號以及強烈的CE－2信號（內(nèi)表面爬波），如圖3所示。

根據(jù)上述幾點的綜合分析，可以判定該缺陷顯示為靠近焊縫根部的內(nèi)表面開口裂紋。

3.2 2號顯示信號分析

該顯示的最大幅值是由60°探頭探測到的。橫波60°探頭沿Y＋方向檢測時，一次波未探測到該顯示，二次波可探測到該顯示，顯示最高幅值處深度為12mm，軸向位置為－9mm?？v波60°探頭沿Y－方向檢測時，一次波能發(fā)現(xiàn)該顯示，信號幅值較強，且顯示的深度位置和距焊縫中心線位置與橫波60°探頭從Y＋方向二次波探測時的顯示位置基本吻合。由于0°直探頭對該顯示區(qū)域探測時無明顯回波信號，綜合分析認(rèn)為該顯示符合坡口未熔合反射波特征，即：探頭平移時波形較穩(wěn)定，兩側(cè)探測時反射波幅不同或只能從一側(cè)探到［2］。同時，根據(jù)焊縫坡口形式和坡口尺寸信息，繪圖可知缺陷顯示信號的位置位于焊縫坡口面上，如圖4所示。

圖2 30－70－70波型轉(zhuǎn)換示意

圖3 1號顯示信號中的CE－1和CE－2信號

圖4 2號缺陷的60°探頭掃查示意

根據(jù)上述幾點的綜合分析，可以判定其為坡口未熔合的缺陷顯示。

3.3 3號顯示信號分析

該顯示與1號顯示有相似的特征，其最大幅值由45°探頭探測到，顯示回波最大幅值處的顯示深度略大于正常的焊瘤信號深度，從焊縫兩邊兩個方向探測時回波信號都較強且顯示信號軸向位置在焊縫中心線上。結(jié)合0°直探頭對該顯示區(qū)域探測時無明顯回波信號的特點，初步可以判定該缺陷顯示為焊縫根部平面型顯示。

同樣，為了進(jìn)一步地對初判進(jìn)行確認(rèn)，采用30－70－70波型轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行顯示性質(zhì)的分析判別。對于該顯示，可見明顯的內(nèi)表面爬波CE－2信號，因此可判定該缺陷顯示為內(nèi)表面開口平面型顯示；考慮到顯示信號的位置在焊縫中心線上，分析判定其為根部未融合的缺陷顯示。

3.4 4號顯示信號分析

使用雙晶縱波斜探頭從焊縫兩邊兩個方向檢測時都能探測到該顯示，顯示距焊縫中心線16mm左右，深度為9mm左右。0°直探頭對該顯示區(qū)域探測時未發(fā)現(xiàn)顯示回波信號，縱波斜探頭有多峰，平行移動時反射波連續(xù)出現(xiàn)且幅值產(chǎn)生變化，探頭轉(zhuǎn)動時反射波幅值下降較快且有上下竄動現(xiàn)象，這些都符合平面缺陷的反射回波特征［2］，因此可初步判定該顯示為平面型缺陷顯示。

為了進(jìn)一步對其定性判別，利用對表面和近表面缺陷非常敏感的爬波探頭［3］進(jìn)行探測，發(fā)現(xiàn)該顯示有較強的反射回波信號，如圖5（a）所示。綜合分析后可以判定該顯示為外表面開口平面型顯示。

為了驗證4號顯示定性分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對該顯示所在區(qū)域進(jìn)行了液體滲透檢測，結(jié)果如圖5（b）所示，其結(jié)果證實4號顯示為外表面開口裂紋。

圖5 4號顯示信號中的爬波信號和滲透檢測結(jié)果

4 結(jié)果確認(rèn)與總結(jié)

4.1 結(jié)果確認(rèn)

采取相應(yīng)分析方法，對試驗驗證試塊中的缺陷顯示信號進(jìn)行定性分析后，該4個缺陷顯示的定性分析結(jié)果為：1號缺陷為焊縫根部開口裂紋；2號缺陷為焊縫坡口未熔合；3號缺陷為焊縫根部未熔合；4號缺陷為外表面開口裂紋。

將上述缺陷定性分析結(jié)果與該不銹鋼管道焊縫驗證試塊的證書報告進(jìn)行對比，兩者結(jié)果完全一致，即，超聲檢測的平面型缺陷信號分析結(jié)果與實際結(jié)果完全吻合。

4.2 試驗總結(jié)

（1）直探頭對平面型缺陷顯示探測時，反射信號很小甚至沒有。

（2）對平面型缺陷，采用縱波斜探頭探測時，一般能夠發(fā)現(xiàn)端點衍射信號；平面型缺陷反射回波一般會出現(xiàn)多峰，探頭轉(zhuǎn)動時波峰有上下竄動現(xiàn)象，且幅值下降較快［2］。

（3）應(yīng)結(jié)合焊縫坡口形式尺寸以及與缺陷顯示的相對位置，對缺陷類型進(jìn)行判定；對于坡口未熔合類型的缺陷，從焊縫兩側(cè)進(jìn)行一次波探測時，缺陷信號波幅不同，有時只能從一側(cè)探到；對信號回波較強一側(cè)的一次波信號位置和另外一側(cè)的二次波信號位置進(jìn)行對照，可對其進(jìn)一步進(jìn)行確認(rèn)。

（4）爬波探頭對于外表面開口缺陷或近表面缺陷有較高的靈敏度，可利用爬波探頭能夠?qū)ν獗砻骈_口缺陷或近表面缺陷進(jìn)行有效的定性分析。

（5）利用30－70－70波型轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠較準(zhǔn)確地分析判斷平面型顯示信號，并判斷該顯示是否為內(nèi)表面開口。

5 結(jié)語

通過在含有自然缺陷的不銹鋼管道焊縫驗證試塊上的超聲檢測試驗，有針對性地對顯示信號進(jìn)行定性分析，得出了一些顯示信號定性分析經(jīng)驗和方法，提高了對不銹鋼管道焊縫手動超聲檢測中缺陷信號的分析能力，特別是對平面型缺陷的定性分析能力，為不銹鋼管道焊縫核電現(xiàn)場超聲檢測的信號分析提供了有參考價值的技術(shù)方法。

［1］SONY B，BALASUBRAMANIAN T，PARDIKAR R J.Ultrasonic study for detection of inner diameter cracking in pipeline girth welds using creeping waves［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2003（80）：139－146.

［2］張文科.超聲波探傷中缺陷波和偽缺陷波的判別［J］.無損檢測，2005，27（1）：47－54.

［3］樊利國，荊洪陽.爬波檢測及其應(yīng)用［J］.無損檢測，2005，27（4）：212－216.