不锈钢小径管焊接缺陷的相控阵超声检测工艺

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(苏州热工研究院有限公司，苏州 215004)

某核电常规岛高压加热器系统疏水器管线焊缝于2015年10月发生泄漏。为了对该类不锈钢小径管焊缝实施相控阵超声检测(PA)，笔者对其焊接缺陷进行了深入分析，并制定了相应的相控阵检测工艺[1-2]。

1 相控阵检测系统、试块及试管准备

1.1 试管的准备

小径管人工缺陷试管由苏州耐迪特精密模具公司制造，材料为TP304L，规格(外径×厚度)为φ60.3 mm×6.0 mm。自然缺陷试管取自某核电站常规岛某压力管道系统，材料为TP304L，规格(外径×厚度)为φ60.3 mm×5.5 mm。试管对接接头中存在未熔合、未焊透、内凹、焊瘤及咬边类缺陷。图1所示为小径管缺陷试管外观。

图1 小径管缺陷试管外观

1.2 相控阵检测系统的准备

1.2.1 相控阵设备、探头、楔块及扫查架的准备

试验设备采用GEKKO便携式相控阵检测仪。考虑到不锈钢材料晶粒粗大，声能衰减严重，搭配低频多普勒5S16-0.5×10-D10自聚焦探头(频率为5 MHz，16个晶片，晶片间距为0.5 mm，单个晶片长度为10 mm)，多普勒 SD10-N60S-AOD 60.3楔块，多普勒 CRS-1扫查架。相控阵检测系统外观见图2。

图2 相控阵检测系统外观

1.2.2 声束覆盖及扫查步进的设置

采用扇扫对焊缝实施检测，推荐扇扫角度范围为40°～72°，扇扫中大角度声束(一次波)覆盖焊缝下部及热影响区，小角度声束(二次波)覆盖焊缝上部及热影响区，同时保证扇扫声束完全覆盖整个焊缝截面。

采用 BEAM Tool 6声束模拟软件，通过对检测工件类型及尺寸、坡口形式及尺寸、探头参数、楔块参数、扫查步进偏移等的选择及设置，实现声速覆盖的模拟。图3所示为声束覆盖及扫查步进示意。

图3 声束覆盖及扫查步进示意

1.2.3 标准试块及对比试块的准备

参照NB/T 47013.3-2015 《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》标准，采用不锈钢材料GS改版试块作为标准试块(试块型号为T06516)，其几何尺寸如图4所示，具体参数为:试块圆弧曲率半径R1为32；适用外径范围为57～72 mm;试块圆弧曲率半径R2为40 mm;适用外径范围为72～90 mm。为了进一步验证相控阵超声对小径管根部缺陷的检出能力，定做专门的对比试块，在焊缝内壁焊趾处埋藏尺寸(长×宽×高,下同)分别为5 mm×0.2 mm×0.5 mm,5 mm×0.2 mm×1 mm,5 mm×0.2 mm×1.5 mm,5 mm×0.2 mm×2.0 mm的人工槽，以近似模拟根部缺陷。小径管根部缺陷对比试块具体规格尺寸见图5。

图4 标准试块几何尺寸

图5 小径管根部缺陷对比试块规格尺寸

1.2.4 PA检测试验工艺

校核参考量：声速、楔块延迟、定量校准 。

扫查方式：单面双侧。

检测灵敏度：φ2 mm×20 mm-80%+4 dB，小径管根部缺陷对比试块内壁焊趾处和母材外壁5 mm×0.2 mm×0.5 mm人工槽分别为60%和70%的回波波幅。 其检测效果如图6所示。

图6 小径管根部缺陷对比试块内壁和母材外壁人工槽的检测效果图

关于检测灵敏度和焊缝质量分级的选择，首先考虑到的是应用NB/T 47013.3-2015标准的6.4.5.3和6.5.3.4节相关要求，以φ2 mm×20 mm-80%+12 dB做为判废线，检测效果如图7所示。

图7 φ2 mm×20 mm-80%+12 dB检测效果图

检测灵敏度太高，信噪比太低，无法分辨回波的有效性，在此检测灵敏度下无法对焊缝实施有效的检测，这就导致了NB/T 47013.3-2015标准的相关要求无法实施。

在这种情况下，结合现有的裂纹缺陷试管M1～M15，人工缺陷试管及人工刻槽对比试块，在保证对已知缺陷不漏检，且对缺陷的定量尽可能接近缺陷实际尺寸的前提下，φ2 mm×20 mm-80%+4 dB为一个恰当的检测灵敏度。

焊接接头验收质量分级：考虑到相控阵超声检测在国内的应用现状，在不锈钢小径管领域并无相关的可参照验收标准，也缺少可指导具体检测实践的相关文献，而NB/T 47013.3-2015的相关标准又无法实施。基于此，提出结合DL/T 820-2002 《管道焊接接头超声波检测技术规程》标准的相关内容制定相应的验收依据。

参照GB/T 29712-2013 《焊缝无损检测超声检测验收等级》 标准附录B描述的固定回波幅度等级技术，以40%波幅为评定线，70%波幅为判废线。

参照DL/T 820-2002 《管道焊接接头超声波检验技术规程》 标准7.4.4节要求，根据焊接接头存在的缺陷类型、缺陷波幅以及缺陷的指示长度，缺陷评定为允许存在和不允许存在两类。

不允许存在的缺陷有：① 性质判定为裂纹、坡口未熔合、层间未熔合以及密集性缺陷者；② 单个缺陷回波幅度不小于判废线者；③ 单个缺陷回波幅度不小于评定线，且指示长度大于5 mm者。

允许存在的缺陷有：单个缺陷回波幅度小于判废线，且指示长度小于5 mm者。

2 缺陷分类及相应检测工艺

图8 超声检测时的声束传播图

2.1 结构回波

由于小径管内壁焊缝余高的存在，当某一角度超声波声束倾斜入射到焊缝余高某个位置的界面且入射横波角度αs<33.2°时,会同时发生反射和折射现象。如图8所示(图中B1为底面回波，S1为折射横波，L1为折射纵波，αS为入射横波与法线的夹角；αL为折射纵波与法线的夹角)，当反射横波与折射纵波同时入射到焊缝外壁余高上时，超声检测仪上就会形成如图9所示的结构回波反射信号。

图9 A超结构回波示意

按上述工艺对M16焊缝进行时基扫查，发现个别位置(记为1#)处出现了结构回波，如图10(a)所示，怀疑此回波为焊缝结构回波。考虑到焊缝结构回波最终作用在焊缝外表面余高上，用手指沾上机油按压该位置焊缝的外表面上，由图10(b)可知，反射横波波幅由原来的55.8%(相对满屏)降低为45%，间接证明了该位置回波为焊缝结构回波。

图10 M16焊缝1#位置按压前后的结构回波

按上述工艺对M16焊缝进行时基扫查，发现个别位置(记为2#)处出现了结构回波，如图11(a)所示，在该位置出现波幅为136.3%的回波显示。经分析，认为该回波为声束倾斜入射到焊缝余高某个位置的界面，且入射横波角度αS>33.2°时，发生的横波全反射现象。

为了验证假设，用手指沾上机油按压在该位置焊缝的外表面上，未见波幅变化。考虑到焊缝结构回波最终一定作用在焊缝外表面余高上，改变该位置焊缝外表面余高形态后，对该位置再次进行PA 时基扫查，得到的结构回波波幅由136.3%变为56.6%，如图11(b)所示,这就证明了该位置回波为焊缝结构回波。此位置焊缝余高处理后的外观图片如图12所示。

图11 M16焊缝2#位置余高处理前后的结构回波

图12 M16焊缝余高处理后的外观

对M1～M15试管实施时基扫查，未发现结构回波的存在，对M16焊缝及其余人工缺陷试管实施时基扫查都可以发现结构回波的存在。笔者认为造成此种差异的原因是这两批试管采用的焊接工艺不同。M1～M15试管的焊接工艺采用2.5 mm直径的焊丝，对口间隙在3 mm左右。M16焊缝及其余人工缺陷试管焊接工艺采用1.2 mm直径的焊丝，对口间隙在1.8 mm左右。这使得两者的焊缝内部余高宽度分别在5 mm和3 mm左右。在余高高度相同的前提下，两者的余高形态就有所区别，而正是这种形态的区别，才是形成焊缝结构回波的真正原因。

2.2 凹坑缺陷

(1) 对于典型凹坑缺陷，其缺陷形态和检测效果如图13,14所示。

图13 M7焊缝1#位置凹坑实物图片及其A扫+扇扫结果

图14 M9焊缝2#位置凹坑实物图片及其A扫+扇扫结果

(2) 对于该类缺陷的定性，首先参照DL/T 820-2002标准附录F的要求实施，该类缺陷的A超具有如图15所示的特征(图中T为工件厚度；L和I分别指从焊缝两侧实施检测，探头相对缺陷的水平距离)。

图15 凹坑缺陷A超特征

(3) 对于典型凹坑缺陷，其具有回波深度小于名义壁厚、单峰、根部较窄、回波波幅较低、沿探头位移方向无长度等特征。对于无法定性的凹坑缺陷，则通过回波幅度是否超出判废线或者单个缺陷回波幅度在不小于评定线的情况下缺陷指示长度是否大于5 mm，来对该类缺陷进行评定。

2.3 咬边缺陷

(1) 对于典型咬边缺陷，其缺陷形态和检测效果如图16,17所示。

图16 M10焊缝1#位置咬边实物图片及其A扫+扇扫结果

图17 M15焊缝2#位置咬边实物图片及其A扫+扇扫结果

(2) 对于该类缺陷的定性，首先参照DL/T 820-2002标准附录F的要求实施，该类缺陷的A超具有如图18所示特征。图18中L和L1分别指从焊缝两侧实施检测时，探头位置相对反射体的水平距离(有一侧有两个反射体)。

图18 咬边缺陷A超特征

图19 焊瘤试块的缺陷形态

(3) 对于典型咬边缺陷，其具有回波深度小于名义壁厚、单峰、根部较窄、回波波幅较低、沿探头位移方向无长度等特征。对于无法定性的咬边缺陷，则通过回波幅度是否超出判废线或者单个缺陷回波幅度在不小于评定线的情况下缺陷指示长度是否大于5 mm，来对该类缺陷进行评定。

2.4 焊瘤缺陷

典型焊瘤缺陷的形态如图19所示，按上述工艺对该试块进行时基扫查，未见明确回波显示。

2.5 未熔合缺陷

(1) 对于T625,T630试管(其射线检测底片如图20，21所示)未熔合缺陷，按上述检测工艺实施时基扫查，检测效果如图22，23所示。T625，T630试管未熔合缺陷的射线检测(RT)、PA检测定量信息如表1所示。

图20 T625试管对应的RT底片

图21 T630试管对应的RT底片

图22 T625-2#未熔合PA本侧及对侧A扫+S扫

图23 T630-未熔合PA本侧及对侧A扫+S扫

(2) 对于该类缺陷的定性，首先参照DL/T 820-2002标准附录F的要求实施，该类缺陷的A超具有如图24所示特征(图中L1,L2分别指从焊缝两侧实施检测时，探头位置相对缺陷的水平距离；T″为工件厚度；x为缺陷至工件底面的距离)。

表1 T625,T630试管未熔合缺陷定量信息

图24 坡口未熔合缺陷A超特征

(3) 检测时，通常情况下在该类缺陷的两侧进行扫查，通过水平定位，可以确认该回波的反射体在水平方向上为同一位置。通常情况下两侧扫查的回波波幅有较大区别，个别情况下对于坡口对侧的未熔合缺陷无回波显示。

2.6 未焊透缺陷

(1) 对于T626,T627试管(其RT底片如图25，26所示)未焊透缺陷，按上述检测工艺实施时基扫查，检测效果如图27，28所示。其未焊透缺陷RT、PA检测定量信息如表2所示。

图25 T626试管对应的RT底片

图26 T627试管对应的RT底片

图27 T626-未焊透PA 本侧及对侧A扫+S扫

图28 T627-未焊透PA 本侧及对侧A扫+S扫

(2) 对于该类缺陷的定性，首先参照DL/T 820-2002标准附录F的要求实施，该类缺陷A超具有如图29所示的特征。

表2 T626,T627试管未焊透缺陷定量信息表

图29 未焊透缺陷A超特征

(3) 检测时，通常情况下在该类缺陷两侧进行扫查，通过水平定位，可以确认该回波的反射体在水平方向上靠近焊缝中心位置。两侧扫查通常都可以得到明显的回波显示，且回波波幅无明显区别。

3 结语

(1) 与常规A超相比，相控阵超声检测技术可以使用单个探头实现大角度范围的横波检测，提高了小径管对接焊缝的缺陷检出率。

(2) 相控阵超声检测技术无需前后移动探头就可实现对整个小径管对接焊缝截面的扫查，这使得对于弯头、三通等对接焊缝的单面双侧扫查的实施成为可能，从而更有利于缺陷性质的判断和伪缺陷的排除。

(3) 相控阵超声检测技术可实时传输A、B、C、S扫查显示，数据分析直观，且可被完整保存，也可以做离线分析。

(4) 时基扫查时，需准确分辨伪缺陷,判断结构回波，从而避免对缺陷信号的误判。

(5) 对于缺陷性质的判断，参照DL/T 820-2012标准的相关要求执行。

(6) 对不锈钢小径管实施完善的相控阵超声检测，除了需要检测人员熟练掌握相控阵超声便携设备的应用，还需要具备专业的A超检测技术知识和丰富的管道超声波检测经验。