不锈钢小径管疲劳裂纹类缺陷相控阵超声检测的可靠性验证

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(苏州热工研究院有限公司，苏州 215004)

1 相控阵检测系统、试块及试管

1.1 小径管试管

小径管试管取自某核电站高压加热器疏水器系统在役更换下来的管道，其上共15个对接焊缝，试管材料为TP304L不锈钢，规格(外径×壁厚)为φ60.3 mm×5.54 mm。试管对接接头中存在疲劳裂纹、内凹、焊瘤及咬边类自然缺陷。

1.2 相控阵检测系统

1.2.1 相控阵设备、探头、楔块及扫查架的准备

采用GEKKO便携式相控阵检测仪，考虑到不锈钢材料晶粒粗大，搭配低频多浦乐5S16-0.5*10-D10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)，多浦乐SD10-N60S-AOD 60.3楔块和多浦乐 CRS-1扫查架。相控阵检测系统外观如图1所示。

图1 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38°～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，同时保证扇扫声束能完全覆盖整个焊缝截面。

采用ES Beam Tool 6声束模拟软件对检测工件的类型及尺寸、坡口形式及尺寸、探头参数、楔块参数、扫查步进偏移等进行选择及设置，实现声速覆盖的模拟。声束覆盖及扫查步进示意如图2所示。

要说钛金属在腕表的使用上是很普遍的，比如很早就有作表壳的，Richard Miller理查德米尔用钛合金制作夹板。但用来作钟表核心擒纵装置的摆轮轴的还真没有。原因就是摆轮轴尖要有很高的硬度，之前的钛合金都达不到这样的硬度。带过钛金表壳的表的朋友，都知道相比不锈钢表壳钛金属表壳相对更软一些，更容易留下划痕。

图2 声束覆盖及扫查步进示意

1.3 标准试块及对比试块

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试块作为标准试块。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，制备了专门的对比试块，在焊缝内壁焊趾处埋藏规格(长×宽×高)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规格如图3所示。

图3 小径管根部缺陷对比试块规格

1.4 PA检测工艺

校核参考量为声速、楔块延迟、定量校准；推荐扫查方式为单面单侧或单面双侧；推荐检测灵敏度为φ2 mm×20 mm-80%+4 dB(小径管裂纹对比试块内壁焊趾处5 mm×0.2 mm×0.5 mm人工槽的60%波幅)。

焊接接头质量分级的方法为：① 参照标准GB/T 29712-2013 《焊缝无损检测 超声检测验收等级》附录B中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；② 参照标准DL/T 820-2002 《管道焊接接头超声波检测技术规程》中第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，将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型缺陷；② 单个缺陷回波幅度不小于判废线；③ 单个缺陷回波幅度不小于评定线，且指示长度大于5 mm。

允许存在的缺陷为：单个缺陷回波幅度小于判废线，且指示长度小于5 mm。

检测灵敏度及焊接接头质量分级选取方法：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，而标准NB/T 47013.3-2015的相关要求又无法实施，故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，在保证已知缺陷不漏检，定量检测结果尽可能接近缺陷实际尺寸的前提下，采用φ2 mm×20 mm-80%+4dB的检测灵敏度，并提出结合标准DL/T 820-2002的相关内容制定相应的验收依据。

2 试验过程

首先对15个高压加热器管道焊缝进行唯一标识，记为M1～M15，其次对PA设备进行调试，按照上述工艺对15个焊缝进行PA扫查，并采集数据。对15个焊缝的PA 数据进行分析，并出具检测报告。

为了验证PA 检验结果中判定的缺陷是否真实存在、缺陷定位是否准确，参照标准NB/T 47013.2-2015的要求，对 M1～M15焊缝进行双壁双影椭圆成像透照，相隔90°透照两次。小径管椭圆成像透照示意如图4所示。

图4 小径管椭圆成像透照示意

对M1～M15焊缝的数字射线影像进行评定，对缺陷进行定位，并在相应焊缝上进行标注，再对照PA检测结果。通过对比结果发现，DR (数字射线检测)检出的缺陷，PA在相应位置也有缺陷检出，且定位足够精准。同时发现了新的问题，DR检出的缺陷只能解释PA检测结果中的一部分缺陷，并不能解释所有PA检出的缺陷。经分析，认为这种情况出现的原因可能是小径管射线(DR)检测工艺存在局限性，或是PA检测的准确度不可靠。

为了进一步验证PA 检测准确度是否可靠，检测团队对焊缝附近位置进行周向切割，对小径管内壁焊缝余高和坡口附近参照NB/T 47013.5-2015标准要求进行渗透检测(PT)。对渗透检测的结果进行记录，并在焊缝上进行标注。

3 试验数据与检测结果分析

3.1 数据与检测结果

对这15个高压加热器管道焊缝的PA，DR，PT检测结果进行分析，对有缺陷焊缝的检测数据进行整理和汇总，其中M1～M13焊缝的PA，DR，PT检测结果如表1所示。

表1 PA，DR，PT检测结果

由表1可知，PA检测结果与PT检测结果基本一致，其中的主要差异性体现在：M2焊缝1#缺陷的定量，M2焊缝2#缺陷的漏检以及M8焊缝的PA结果与PT检出缺陷数量不一致；M9焊缝的PA与PT检出缺陷数量不一致。

对于M8焊缝，通过分析PA与PT检测数据，可以确认PT检测结果中的裂纹1(1#裂纹)、裂纹2(2#裂纹)为贯穿裂纹(见图5)；对于M9焊缝，通过对试管的观察，可以确认PA检测结果中的缺陷1为焊缝内壁的严重内凹缺陷(见图6)。

图5 M8焊缝1#，2#裂纹PT检测结果

M2焊缝裂纹的PA 检测结果(A 扫+S 扫+C扫)如图7所示，M2焊缝裂纹对应位置的DR 底片如图8所示，M2焊缝1#，2#，3#裂纹PT 结果如图9所示。

图6 M9焊缝缺陷1外观及PA检测结果

图7 M2焊缝裂纹的PA检测结果

图8 M2焊缝裂纹对应位置的DR 底片

其中，PA检测结果中缺陷1位于坡口对侧，距零点-11 mm，长度L1=70 mm，缺陷2位于坡口本侧，距零点105 mm，长度L2=46 mm。缺陷1呈断续状态，部分波幅小于40%，最高回波波幅在90%以上。DR结果中只有裂纹3有显示,PT 检测结果与PA 结果存在一定差异。

对于M2的1#裂纹，PA与PT定量检测结果存在一定差异，检测人员怀疑是1#裂纹可能向另一侧延伸，于是对1#裂纹另一侧焊缝余高进行处理，再对此位置进行PT检测，结果如图10所示。1#裂纹呈断续状，PT 与PA检测结果在定量上相一致。对弯头侧断续裂纹位置实施时基扫查，结果如图11所示，可见有明确的回波显示。

图9 M2焊缝1#，2#，3#裂纹PT 结果

图10 M2焊缝1#裂纹余高处理后PT检测结果

图11 M2焊缝1#裂纹弯头侧的A扫+扇扫

对于M2焊缝的2#裂纹进行PA检测时漏检，检测人员从弯头侧对该位置做PA 时基扫查，结果如图12所示，PA检测对于坡口本侧位置上的裂纹性缺陷，有明确的回波显示。

图12 M2焊缝 2#裂纹弯头侧的A扫+扇扫

3.2 检测结果分析

通过对上述焊缝的综合检测，已发现的缺陷有焊缝内壁开口裂纹(PT可全部检出)和焊缝内壁成型不良(以咬边、凹坑、焊瘤3种方式体现)两种类型。

与PT检测相比较，PA几乎检测出全部裂纹(就优化后的检测工艺而言，采用单面双侧进行扫查)，而DR 检测的漏检率在50%以上(关于裂纹检出率的统计，这里只针对DR检测方法，并不代表RT的检测能力)。3种检测方法对M1～M15焊缝裂纹的检出率对比如图13所示。

图13 3种检测方法对M1～M15焊缝裂纹的检出率

PA检测结果中判定的缺陷都可以用PT检测结果加以验证。说明PA 对不锈钢小径管疲劳裂纹类缺陷的检测结果，从定位、定量、裂纹检出率上来说都是相当可靠的。

3.3 PA检测经验总结与工艺优化

裂纹性缺陷的超声检测结果具有如下的典型特征：回波根部较宽、多峰、分叉，沿扫查轴移动过程中多峰交替出现峰值。部分焊缝裂纹的A扫和扇扫结果如图14～21所示。

图14 M1焊缝2#裂纹本侧的A扫+扇扫

图15 M3焊缝1#裂纹本侧的A扫+扇扫

图16 M3焊缝2#裂纹本侧的A扫+扇扫

图18 M4焊缝2#裂纹本侧的A扫+扇扫

图19 M6焊缝1#裂纹本侧的A扫+扇扫

图20 M8焊缝2#裂纹对侧的A扫+扇扫

图21 M9焊缝1#裂纹焊缝中心的A扫+扇扫

PA对于坡口本侧裂纹性缺陷的回波直观且特征明显。PA对于坡口对侧裂纹性缺陷回波也有典型特征，但不够直观，部分位置易漏检(如M2焊缝的2#裂纹)。基于此种情况，优化检测工艺，对焊缝实施单面双侧扫查。因结构原因，对侧无法安装扫查器，在对侧实施时基扫查。对侧因为结构原因无法放置探头，则在评定检验数据时，对此位置增益6 dB再进行评定，且增益6 dB后只对该位置的对侧坡口位置进行评定。此外，对焊缝实施单面双侧扫查，更有助于缺陷性质的判断和伪缺陷的排除。

4 存在的不足

(1) PA 无法对横向裂纹进行检测，会造成横向裂纹的漏检。

(2) 为了对不锈钢小径管焊缝实施全面的相控阵超声检测，对于未融合、未焊透、成型不良类型的焊接缺陷，缺少相应的自然缺陷来进行进一步的论证。

(3) 对于该批试管，未见明显的结构性回波和变形波。