奥氏体不锈钢相控阵检测的研究

吴万良，周 琳

(洛阳欣隆工程检测有限公司，河南 洛阳 471012)

在高温、高压和液体冲刷等极端情况下，即便是具有优秀耐腐蚀性能的奥氏体不锈钢，仍会出现腐蚀和破损现象，如晶间腐蚀等，被腐蚀后的奥氏体不锈钢从外表观察往往无法发现异常，从而造成事故的突然发生，危害性较大[1]。因此对奥氏体不锈钢进行在役的无损检测对维护装置的安全运行至关重要。目前，对奥氏体不锈钢焊缝的无损检测方法主要有射线检测和超声检测，射线检测是目前对奥氏体不锈钢焊缝进行探伤的最有效手段之一，但受射线检测的成像原理限制，对焊缝中垂直于射线方向的面积型缺陷缺乏有效的识别手段，且射线检测的实际使用受到很多限制，因此一般采用常规超声检测作为补充，而受奥氏体组织晶粒粗大，焊缝具有各向异性的影响，常规的超声检测方法超声波衰减严重，穿透力不足，缺陷回波信噪比低，检测结果没有足够的可信度[2]。相控阵超声检测技术作为近年以来新兴起的技术，为奥氏体不锈钢焊缝检测这一难题提供了新的思路。

1 相控阵超声检测

1.1 相控阵超声检测的原理

相控阵超声检测技术通过有序排列的多个晶片组成探头，并按照一定的顺序进行延时激发，使声束形成整体波阵面，实现波束的扫描、偏转和聚焦，可以对检测对象进行多方位、多角度的扫查，有效降低漏检率，提高检测可靠性[3]。根据固体介质超声波衰减系数方程[4]。

(1)

式中：f，超声波频率；d，介质的晶粒直径；λ，波长；F，各向异性系数；c1、c2、c3、c4，常数。

由式(1)可知，超声波频率、介质的晶粒尺寸和各向异性系数会影响介质的散射衰减，当介质的晶粒直径小于超声波波长时，衰减系数与f4、d3成正比，在奥氏体不锈钢的超声检测中，奥氏体组织的晶粒粗大，当采用较高频率的超声波时，会受到严重衰减，草波大量的出现在示波屏上，信噪比降低，穿透能力不足，造成检测困难。

而相控阵检测依托于波的独立性原理，通过对各晶片的激发时间进行设定，使其成为相干波源，产生可以互相叠加或互相抵消的相干波，进而获得更强的穿透力，提高信噪比和检测质量，在对奥氏体不锈钢焊缝的检测中可以获得更好的检测效果。

1.2 相控阵超声检测的特点

相控阵超声检测的控制相对灵活，通过软件控制各晶片的激发，可以获得不同特征的波阵面，使超声波束聚焦在不同的深度上，提高检测质量。针对不同种类的工件或焊缝，结合其可能出现缺陷的位置、类型，可以具体调整相控阵超声的检测参数，获得合适的超声波束聚焦角度(图1)和聚焦深度，对缺陷的检测具有针对性，提高缺陷检出率，实现了更高精度的扫查，检测效率和检测质量得到了极大的提升。

图1 相控阵超声检测的多角度扫查

相比于常规超声检测在示波屏上实时显示出回波信号，相控阵超声检测技术通过设置多个波束进行扫描，获得更加丰富的检测数据，通过对同一位置焊缝的多角度扫描以及编码器对检测探头步进距离的记录，可以形成B扫描、C扫描、D扫描等扫描图像，通过软件合成处理后，在显示屏上呈现出焊缝区域的模拟图像，保留了可追溯的检测结果，提高了检测质量[5]。

2 奥氏体不锈钢相控阵超声检测参数选择

2.1 模拟试块的制备

为了模拟奥氏体不锈钢焊缝检测的实际状况，制备Y型坡口的奥氏体不锈钢焊缝模拟试块，母材及焊缝材料均为奥氏体不锈钢，在坡口处设置通孔为模拟缺陷。使用相控阵超声检测设备对模拟试块进行扫查，对相控阵超声对缺陷的检出能力进行验证。模拟试块的结构设置如图(图2)所示。

图2 奥氏体不锈钢模拟试块结构图

2.2 选择实验仪器

由式(1)知道，超声波频率越高，在奥氏体不锈钢中的衰减越严重。李衍等[6]对奥氏体不锈钢焊缝的超声波传播特性进行研究后，也认为使用纵波探头可以获得更好的检测效果。因此，在对奥氏体不锈钢焊缝的相控阵超声检测验证中使用纵波探头，以期望提高对缺陷的检出能力和定性、定量水平。至此，本次实验所需仪器及材料如表1所示。

表1 实验用仪器及材料

2.3 调节检测参数

在开始相控阵检测之前，需要对设备进行调试。首先，将需要检测的焊缝规格进行录入，包括焊缝高度、宽度、余高、坡口尺寸和坡口类型等信息，信息录入后，调节相控阵的扫查角度和步进距离等信息，确保实现对焊缝区域的覆盖，防止出现漏检现象。然后，使用奥氏体不锈钢材质的标准试块，先后进行相控阵设备的声速校准、延迟校准(角度补偿)、灵敏度校准(能量补偿)和TCG校准。其中，声速校准的目的是校正被检工件的真实声速；延迟校准的目的是校正每一条A扫描线到达同一声程的反射体的距离是相等的，延迟校准的准确性影响反射体的定位；灵敏度校准的目的是校正每一条A扫描线到达同一声程的反射体的能量是相等的，灵敏度校准的准确性影响反射体定量的准确性；最后的TCG校准目的是制作用于缺陷定量用的曲线。完成设备调试后，就可以对奥氏体不锈钢焊缝进行扫查。

2.4 模拟实验结果

完成对相控阵超声检测设备的参数设置之后，对所测模拟试块进行扫查，得到的扫查图像如图3所示。

图3 相控阵扫查图像

通过对相控阵图谱的观察，可以很容易地发现人工缺陷，实现了缺陷的检出。

3 相控阵超声检测的现场应用

对各项目实际检测工作中遇到的焊缝缺陷进行相控阵复查，得到以下相控阵图谱与射线底片的对比图像，如图4所示。

图4 射线底片和相控阵图谱对比图像

通过对实际检测中的相控阵与射线底片进行比较，相控阵检测可以实现对奥氏体型不锈钢焊缝中缺陷的检出。

4 结论

相控阵超声检测技术通过模拟试块实验过程中调整检测参数，可以实现对奥氏体不锈钢焊缝的检测，并且获得较好的检测效果，并且，与射线检测相比，相控阵超声检测没有辐射污染，可以多工种同时进行，能够实现装置的在役检测，相比射线检测具有更大的优势。