奥氏体不锈钢小径薄壁管焊缝超声相控阵检测工艺

孙忠波,田旭海

(1.艾默生过程管理(天津)阀门有限公司，天津 301700；2.天津市思维奇检测技术有限公司,天津 300130)

奥氏体不锈钢小径薄壁管焊缝超声相控阵检测工艺

孙忠波1,田旭海2

(1.艾默生过程管理(天津)阀门有限公司，天津 301700；2.天津市思维奇检测技术有限公司,天津 300130)

通过理论分析并参照DL/T 820—2002标准，深入分析了奥氏体不锈钢小径薄壁管焊缝超声相控阵单侧扫查时探头及声束的布置、各种参数的设置原则、DAC的制作等，提出了缺陷评定时缺陷波幅及长度的确定方法。通过分析表明，对于该小径薄壁管的检测，超声相控阵技术可以得到与常规超声检测相同甚至优于常规超声的缺陷检出效果。

超声相控阵;小径薄壁管;奥氏体不锈钢

在300，600 MW及以上火力发电机组中，屏式过热器、高温再热器、高温过热器等出入口管道较多采用TP347H、TP304等奥氏体不锈钢小径薄壁(外径不小于32 mm,不大于159 mm;壁厚不小于4 mm，不大于8 mm)管，但不同温度的管段会使用不同的材料，如T91、12Cr1MoV钢等。从而出现了大量的奥氏体与马氏体不锈钢，或者铁素体耐热钢的异种钢焊接接头。采用射线检测时，某些工件位置无法摆放射线机，或者焦距受限。此外由于射线检测工作量大、检验周期长、不能交叉作业等，其应用受到一定的制约。采用常规超声虽然速度快、效率高，但如果结构特殊，只能进行单侧扫查，则需更换不同的K值探头；如果工件壁厚较小，稍小K值的探头很难对焊缝全面扫查，且不锈钢侧信噪比差，对操作人员经验要求极高。因此，笔者采用超声相控阵技术，参考DL/T 820—2002《管道焊接接头超声波检验技术规程》标准，对此类焊缝检测工艺作了深入讨论及详细设计。

1 待检工件参数

待检工件为高温再热器、高温过热器、屏式过热器等出口及入口管道顶棚下的第一道焊缝，该焊缝为T91钢(下)与TP347H钢(上)对接焊缝，采用ER347不锈钢焊丝氩弧焊焊接，待检工件参数和外观如表1及图1所示。

因仅能从TP347H钢侧进行检测，且焊缝为奥氏体不锈钢，依据DL/T 820-2002标准，该焊缝属于奥氏体不锈钢小径薄壁管焊缝范畴。

表1 待检工件参数

图1 待检工件外观

2 超声相控阵检测工艺设计

2.1 超声相控阵检测探头及扫查架 采用Omniscan MX2型超声相控阵检测仪，匹配多普勒探头7.5S16-0.5-10-D10(频率7.5 MHz，16个晶片，晶片间距0.5 mm，单个晶片长度10 mm)，加装横波自然折射角度为60°的斜楔块SD10-N60S-1H，楔块表面曲率与管径匹配，用多浦乐CRS-1型专用小径管扫查器加持。

DL/T 820标准要求探头频率为4 MHz或5 MHz，而选用7.5 MHz超声相控阵探头，严格讲不符合标准要求，但该探头在确保信噪比可接受的前提下，可获得较好的分辨率。

DL/T 820标准中对于探头角度(折射角β为70°～73°)及探头前沿(不大于5 mm)的要求，目的是确保利用直射波及一次反射波扫查覆盖整个检测区域。而相控阵扇型扫描可对焊缝进行多角度覆盖，并采用多次反射波扫查，同样能够确保全面扫查。

DL/T 820标准要求探头晶片面积不大于36 mm2，控制晶片尺寸的目的是避免近场区落入检测区域，影响缺陷定位和定量。采用的相控阵探头的晶片全部激发时，最大孔径为10 mm×8 mm(长×宽)，晶片面积远超标准要求。即使加装了较厚的有机玻璃楔块(弧度与工件匹配，能够良好耦合)，同时采用一次以上的反射波进行覆盖扫查，也难以避免近场区落入检测区域。但近场区内聚焦是相控阵检测的优势，因此，工艺中采用了聚焦设置，提高了信噪比，而较大的晶片有更小的声束扩散角、较大的发射强度和更高的检测灵敏度。

2.2 探头布置及聚焦设置

2.2.1 探头布置

焊缝T91钢侧因顶棚阻碍，不能布置探头，且部分位置顶棚凸起阻碍探头完成整圈扫查。因此，为确保焊缝被检区域任一点至少有2个接近垂直的声束进行覆盖，在TP347H一侧用扇扫描进行2次覆盖扫查，扫描参数具体设置如表2所示(L为探头前沿离开焊缝中心的距离，在其他参数，如工件壁厚、扇扫描角度范围确定的情况下，L直接决定了反射次数，对文中小径薄壁管的检测，L又间接决定了聚焦设置)，焊缝扫查覆盖示意如图2和图3所示。图2和图3中的扫查覆盖满足DL/T 820标准中对检测区域的要求(焊缝本身加上两侧各相当于母材30%的区域，这个区域的宽度最小10 mm，最大20 mm)。

图2 φ44.5 mm×8.1 mm管焊缝扫查覆盖示意

DL/T 820-2002要求选用探头直射波扫查时，应能够扫查到焊接接头1/4以上壁厚范围，常规超声扫查覆盖示意如图4所示。其目的是确保焊缝根部被检区域(焊缝本身加上两侧各相当于母材30%的区域)能够全部被扫查到，同时探头从两个方向用直射波及一次反射波扫查时，能够使焊缝中每个区域都能被来自两个方向的声束各覆盖一次。而一 般相控阵探头前沿较大，薄壁工件扫查时多采用一次以上的反射声束，同样能使整个被检区域得到两次以上的覆盖。L(反射次数)的设置主要考虑以下几个因素：

表2 TP347H钢一侧焊缝扇型扫描参数设置

图3 φ51 mm×4.3 mm管焊缝扫查覆盖示意

图4 常规超声扫查覆盖示意

(1) 确保声束全覆盖，反射次数越多越容易对焊缝进行覆盖。

(2) 反射次数过多会导致较大的声程衰减，使灵敏度及信噪比下降，尤其是奥氏体不锈钢。

(3) 反射次数过多则声程增加，各角度声束间距离增大，导致成像分辨率下降，甚至漏检。

(4) 避开近场区。

(5) 如果是近场区内聚焦，通过调整L值可以选择焦柱较长的区域，以增加覆盖范围。

2.2.2 聚焦设置

一维线阵超声相控阵孔径为矩形，中心轴线上声压起伏规律与常规超声矩形晶片一致。因此，激发孔径的近场区长度为

(1)

式中：Fs为矩形晶片面积；λ为纵波在介质中的波长。

声源长宽比小于2∶1时的计算结果能够较好地反映实际情况， 16个晶片全部激发时长宽比为10∶8。已知该不锈钢中横波声速为3 150 m·s-1，则假想的钢中横波近场区为61.6 mm。另已知楔块横波自然折射角为60°(钢中横波声速3 230 m·s-1时)，则可计算得到扇扫描范围为45°～75°，声束在楔块中的声程为13.1～21.1 mm(见图5)，又知楔块中纵波声速为2 330 m·s-1，则工件中剩余的近场区长度为33.0～43.9 mm。对于壁厚4.3 mm及8.1 mm的工件，要避免用近场区覆盖，需采用3～9次反射波。因此，选用近场区对检测区域进行覆盖，同时配合聚焦设置。

图5 声束在楔块中的声程示意

近场区内聚焦时，焦点设置得越远，焦点处声压越小，但焦点附近在声轴线方向上，声压下降越缓慢，即焦柱越长[1]。对于焊缝的初始扫查工艺追求的是能够获得较大的检测覆盖范围，尽量选择较大的焦柱长度，同时配合焦点深度设置，将焦点设置到覆盖范围内的声程中心，例如，用于覆盖的声束反射次数为1和2时，将焦点设置在2倍壁厚处(见表2)。2.3 DAC曲线的制作 依据标准DL/T 820-2002，该工件属于奥氏体钢小径薄壁管，因此，参照该标准制作了用于DAC(距离-波幅)曲线绘制的短槽试块，试块示意如图6所示(当管焊缝规格为φ44.5 mm×8.1 mm时，b为2 mm；当管焊缝规格为φ51 mm×4.3 mm时，b为1 mm)。

图6 短槽试块示意

Omniscan设备不能按照DL/T 820标准在屏幕上画出两条直线制作DAC曲线，标准将DAC曲线规定为两条直线，主要是考虑所针对的工件壁厚较薄，声程衰减可以忽略，直射波和一次反射波主要的衰减差在于管子内壁的散射，管径越小散射越严重。而相控阵检测多采用多次反射，一次反射声束在工件底面凸面上会发散，但两次反射到上表面凹面上有汇聚的趋势。因此，操作时选择TCG(时间增益修正)模式，并按照表2调节参数设置，根据图2和图3的扫查示意调整合适的声程范围，在图6的试块上使不同角度的声束依次找到短槽的端角反射波，将不同角度声束对短槽的反射波均调节到80%FSH(满屏高度)，记录此时仪器的硬件增益值，该增益值作为波幅定量的基准。

以规格为φ44.5 mm×8.1 mm的焊缝按图2(a)扫查时为例，先使经一次工件表面反射的声束找到试块的外表面开槽，将各角度波幅调整到60%FSH，记录此时仪器整体的增益值；调节硬件增益后，再使经两次工件表面反射的声束找到试块内表面开槽，将各角度波幅调整到60%FSH，记录此时仪器硬件增益值。

2.4 扫查注意事项

2.4.1 精确测定壁厚

超声相控阵检测反射次数较多，壁厚的精度误差将多次累计并传递到反射体的回波声程上，同时工件壁厚较小，极易导致较大的相对误差，从而影响缺陷判断。因此，仪器参数设置时，工件壁厚不应按照图纸标注的公称壁厚设定，要用精度0.01 mm的测厚仪多点测定超声波声束路径上的管道壁厚后，按实测值设定。

2.4.2 扫查时L值偏差控制

一些缺陷的判断及定性依赖其回波位置(如未熔合、未焊透等)，因此扫查过程中精确控制L对辅助定性至关重要，扫查时误差应控制在工件厚度的20%以内，具体到壁厚为4.3 mm及8.1 mm小径管，误差应在1 mm及1.5 mm内。因此，在检测前应在工件表面精确划线，并保持专用扫查器轮子与工件表面接触良好，确保运动方向与工件轴线垂直。

图7为扫查偏离轨迹示例，该图像为一个未熔合缺陷图像，因面状缺陷的声束指向性，只能被一次反射波及三次反射波发现，但因扫查时探头偏离预定轨迹约3 mm，导致缺陷出现在焊缝中间而并非坡口位置，给缺陷性质判断增加了难度。

图7 扫查偏离轨迹示例

3 超声相控阵检测的数据评定

DL/T 820标准规定不允许存在以下缺陷：

(1) 判定为裂纹、坡口未熔合、层间未熔合及密集性缺陷等。

(2) 单个缺陷回波幅度大于等于DAC+4 dB。

(3) 单个缺陷回波波幅大于等于DAC，且指示长度大于5 mm。

因此，缺陷评定时要对缺陷波幅及长度进行测量，并尽量确定缺陷性质。

3.1 缺陷波幅的确定

相控阵扇扫描评定时，可同时打开A扫描、B扫描及扇扫描，移动B扫描指针同时观察扇扫描图像的变化，找到缺陷后将扇扫描角度指针指向缺陷，微调两个指针直至找到不同位置、不同角度A扫描中缺陷的最高回波波幅，作为该缺陷的波幅。当最高波幅未达到100%时，调节软件增益值，使缺陷波幅达到DAC(即满屏的60%)，所调节的dB值即 为与DAC的差值，缺陷波幅定量示例如图8所示， 该缺陷的波幅为DAC+4 dB。

图8 缺陷波幅定量示例

当缺陷最高波幅达到100%时，直接评定为不合格，记录为>DAC+4 dB，因基准波高为60%时，与满屏100%的dB差为4.4 dB。

3.2 缺陷长度的确定 若缺陷最高波幅未超过满屏的100%，则以该波幅为基准，在B扫描中测量缺陷长度，找到该缺陷不同角度A扫描回波波幅降低6 dB时的最大长度作为该缺陷的长度，缺陷长度定量示例如图9所示。

图9 缺陷长度定量示例

若缺陷最高波幅超过满屏100%，则在B扫描中，找到该缺陷不同角度A扫描回波波幅降低到50%FSH时的最大长度作为该缺陷的长度。

4 结语

与常规超声检测的本质一样，超声相控阵检测也是基于脉冲反射法获得缺陷信息的，虽然在DAC曲线的制作方法上与DL/T 820-2002稍有差异，甚至在探头规格、声束覆盖等诸多方面，相控阵方法难以满足DL/T 820-2002的要求。但相控阵检测结果能与常规超声保持一致，试块的选择与缺陷定量能够完全符合DL/T 820-2002标准，且利用较大晶片尺寸的相控阵探头进行聚焦扫查，提高了信噪比，选择较高频率的相控阵探头提高了检测分辨力。

[1] 孙忠波，强天鹏.超声相控阵系统的聚焦特性研究[J].无损检测，2012,34(10)：23-27.

The Process of Ultrasonic Phased Array Inspection on Small DiameterThin Walled Austenitic Stainless Steel Tube Weld

SUN Zhongbo1, TIAN Xuhai2

(1.Emerson Process Management (Tianjin) Valve Company, Tianjin 301700,China;2.Tianjin Siweiqi Testing Technology Co., Ltd., Tianjin 300130,China)

In this thesis, through theoretical analysis and referring to DL/T 820-2002 standard, inspection of small diameter austenitic steel tube weld at single side of the seam by using phased array method, was deeply studied. Deduced the principle of probe setting, ultrasound beam and other parameters configuration was deduced and skills of making DAC was introduced, and methods of measuring the echo amplitude and sizing the length of the defects were also raised. By means of technical analysis, it is indicated that, detection on small diameter austenitic stainless steel tube, equivalent to or better than detecting result can be achieved by phased array method than conventional UT.

ultrasonic phased array; small diameter thin walled tube; austenitic stainless steel

2016-07-29

孙忠波(1981-)，男，高级工程师，硕士，主要从事无损检测、理化检验及供应商质量管理工作

孙忠波，zhongbo.sun@emerson.com

10.11973/wsjc201705006

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0024-04