核电主管道奥氏体不锈钢焊缝相控阵超声检测

葛广林，姚建松，朱 琪 ，徐 宁

(1.中国能源建设集团有限公司工程研究院，北京 100022；2.浙江无损检测工程技术有限公司，浙江 杭州 310016；3.安徽津利能源科技发展有限责任公司，安徽 合肥 231200；4.中国能建工程研究院相控阵检测技术应用研究所，安徽 合肥 231200；5.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

奥氏体不锈钢(austenitic stainless steel，ASS)是指常温下有奥氏体组织的不锈钢。因具有很高的耐蚀性，良好的冷加工性、韧性、塑性、焊接性和无磁性，ASS 在核电厂主管道等系统中大量应用。

目前，国内核电、火电和特种设备行业已有关于ASS 焊接接头相控阵超声检测的方法。我国能源行业标准NB/T 47103.15—2021《承压设备无损检测 第15 部分：相控阵超声检测》[1]在资料性附录I 中提出了10 ～80 mm ASS 对接接头超声检测方法和质量分级，但工艺方法和参数设计部分描述较为简洁。该标准未提及针对核电主管道中厚壁(≥80 mm)ASS 对接接头，目前普遍采用的相控阵超声扇扫描并不能对厚壁ASS 对接接头进行有效检测。黄文大[2]等提出了采用FMC-TFM(full matrix capture-total focusing method)全聚焦技术检测厚壁ASS 对接接头，验证了全聚焦技术检测ASS 对接接头的可行性。张子健[3]等提出了采用双面阵相控阵探头激励声场检测厚壁管ASS 接头，可以提高相控阵超声检测灵敏度。

本文采用双面阵相控阵探头和平面波激励的PWI-TFM(plane wave imaging-total focusing method)全聚焦技术检测ASS 对接接头，通过模拟试块和对比试块试验比对，提高检测灵敏度、信噪比和分辨力，并在某核电厂主管道对接接头检测应用验证。

1 ASS对接接头组织特点和相控阵超声检测方法

1.1 ASS对接接头组织特点

与铁素体焊接接头不同，ASS 对接接头晶粒粗大、柱状晶粒具有各向异性与母材存在明显的异质界面，特别是在熔合面处组织变化明显，这样焊缝组织对相控阵超声检测而言是一种弹性非均匀的材料，对相控阵超声检测影响较大[4]，主要影响体现在晶粒粗大和各向异性2 个方面。

1)晶粒粗大的影响

当焊缝晶粒的直径接近超声波波长的1/10时，就会产生明显的散射；当晶粒直径达到半个波长时，声散射剧增，无法进行超声检测。很多奥氏体焊缝的平均晶粒直径一般大于0.5 mm，长度往往超过10 mm，晶界间的散射能量损失较多，加速了超声波束的能量衰减，杂乱的散射回波会导致检测信噪比较低，这是检测粗晶焊缝的主要困难所在。

2)各向异性的影响

超声波在不均匀、各向异性焊缝中呈现曲线的传播路径，难以确定合理的聚焦延迟法则[5]，这不仅会降低检测声场的聚焦强度，同时也给缺陷的定位和定量带来极大的不利影响。

1.2 相控阵超声探头设计

ASS 对接接头粗大晶粒组织会加速超声波束能量衰减，改变声波传播路径，而这种影响对于超声横波和纵波是不同的。超声横波和纵波在ASS 焊缝中的传播路径仿真如图1 所示，可以看出，横波在ASS 焊缝中的偏转角较纵波更大。

图1 纵波和横波在ASS焊缝中的传播路径和能量分布仿真结果

对于316L 奥氏体不锈钢焊缝纵波的偏转角约为15°～20°，横波的偏转角可达50°，严重影响相控阵超声的检测结果，造成该结果的主要原因是相同频率的纵波波长一般是横波波长的2 倍，纵波受影响更小[6]，同时为了减少超声波束的能量衰减，一般采用较低的激发频率。

厚壁ASS 对接接头受壁厚增加影响较大，需采用高阻尼窄脉冲的双晶纵波聚焦探头，减少晶界的影响，提高超声束的聚焦效果，减少特定检测区域的波束界面积和晶粒散射的作用面积，有利于提高检测灵敏度，且激发晶片序列和接收晶片序列完全独立，有效提高灵敏度和信噪比[4]。目前使用的双晶纵波聚焦探头主要分为双线阵和双面阵。

为了提高不同深度区域的检测灵敏度和分辨率，双线阵相控阵超声探头的2 个晶片序列一般设计为具有一定的夹角，即“楔块屋顶角”。相控阵探头激发超声束通过斜楔块实现声束偏转，某双线阵相控阵探头聚焦检测模型如图2所示，由图2 可知，双线阵相控阵探头通过楔块屋顶角实现被检区域投影深度方向的聚焦；实际检测过程中，为保证投影深度方向的聚焦效果，需要相控阵探头激发聚焦法则和接收聚焦法则高度一致性，而仅通过改变楔块屋顶角是难以做到的，如图2(b)所示，双线阵相控阵探头在进行投影深度聚焦检测时，2 个线阵阵列呈现一定的夹角，双线阵相控阵探头在进行聚焦检测时，需要定制化设计楔块屋顶角和探头线阵阵列夹角两个参数，对于现场检测工件尺寸、被检区域、检测距离等影响因素的变化，采用双线阵相控阵探头检测ASS 对接接头操作繁琐，且成本较大。

图2 某双线阵相控阵探头聚焦检测模型

图2 为采用双面阵相控阵探头投影深度聚焦检测模型，可通过控制二维晶片序列激发时序，实现最优的聚焦效果，针对现场检测因素的变化，双面阵相控阵探头可以通过改变晶片激发/接受时序，或楔块屋顶角，便可达到预期检测效果。与双线阵相控阵相比，减少了相控阵探头数量，降低了成本，且双面阵相控阵探头可以根据现场的检测因素误差，对聚焦法则进行适当调整，更适用于ASS 焊缝检测。

1.3 相控阵超声聚焦方法分析

采用纵波双晶相控阵超声扇扫描检测，因探头参数不同，聚焦效果也有明显的差异。采用频率2.5 MHz，晶片数量4×8 个，晶片大小分别为1.4 mm× 1.8 mm 和2.7 mm×3 mm 的两个双面阵相控阵探头，对5 mm、15 mm 和20 mm 这3 个不同深度的2 mm 横通孔进行聚焦检测实验，得到的结果如图3 所示。

图3 双面阵相控阵探头激发不同聚焦距离对反射体的回波幅值关系

由图3 可知，ASS 焊缝采用纵波双面阵相控阵探头检测，聚焦距离设置对不同深度的检测灵敏度影响较大，要提高厚度范围内所有区域的检测灵敏度，需要多组不同的检测工艺。

双线阵相控阵探头通过改变2 个晶片序列的夹角实现不同区域的聚焦检测，双面阵相控阵探头通过控制横向排布晶片的激发延时，实现超声束的横向偏转和聚焦，由于受到有效孔径的影响，偏转范围也有限，因此，在近表面区域存在一个无法检测的盲区。

相控阵超声全聚焦检测技术可提高有效区域内所有位置的检测灵敏度和分辨力，近表面盲区较扇扫描更小。针对厚壁ASS 焊缝，常规FMC-TFM 全聚焦方法单晶片激励，能量较弱，而且发射次数较多，数据处理量大，并不适用于现场检测。而采用平面波激励的PWI-TFM 全聚焦技术依次激发所有晶片，激发能量大，且数据激发次数更少，数据处理更快，适用于厚壁ASS 焊缝检测。结合式(1)和式(2)，考虑到平面波的角度数量Q远小于晶片数量N，因此，PWI-TFM 全聚焦技术数据叠加次数更少。

式中：AFMC(P)和APWI(P) 分别为FMC-TFM 和PWI-TFM 在P点数据次数；Tip、Tqp为激发时序；Tjp为接受时序；P为检测区域的任一位置；S表示信号矩阵；i表示激发晶片；j表示接受晶片。

2 检测工艺验证

核电主管道ASS 对接接头一般采用窄间隙焊，上半部分焊缝较宽，下半部分焊缝较窄，因此，焊缝上部分的声能衰减和影响较下部分严重。采用双面阵相控阵探头和PWI-TFM 全聚焦检测方法，与常规案头横波检测和双线阵探头扇扫描检测进行试验比对，验证不同工艺检测ASS 对接接头的灵敏度、信噪比和分辨力，得出最佳检测方案。

2.1 坡口缺陷检测

坡口缺陷位于母材和焊缝的界面上，纵波的检测效果优于横波。采用型号为2.25DM4×7-A17，平面楔块角度为18.9°，孔径大小18.72 mm×11.75 mm 的双面阵相控阵探头，分别采用全聚焦和扇扫描分区检测2 种方法，对标准试块进行比对检测。#1 标准试块厚度为94 mm，在焊缝单侧坡口处加工5 个不同深度的2 mm 长横孔。#1 标准试块采用双面阵相控阵探头扇扫描的检测图像如图4 所示，双面阵相控阵探头扇扫描的检测结果见表1所列。

表1 坡口缺陷双面阵相控阵探头扇扫描检测结果

图4 双面阵相控阵探头扇扫描检测图像

#1 标准试块采用双面阵相控阵探头全聚焦的检测图像如图5 所示。#1 标准试块采用双面阵相控阵探头全聚焦的检测结果见表2所列。

表2 双面阵相控阵探头全聚焦检测结果

由图4、图5、表1 和表2 可知：

1)采用扇扫描和全聚焦检测都可发现焊缝同侧和对侧长横孔发射体，由于穿过焊缝粗晶组织，同侧反射体的灵敏度明显优于对侧。而采用全聚焦检测长横孔反射体的灵敏度和分辨力优于扇扫描检测。

2)焊缝上部较宽，声能损失更大，对声束偏转的影响更大，尤其是扇扫描检测，对侧焊缝上部的反射体检测灵敏度较低，检测位置偏离严重，因此，在现场检测过程中，应采用严格控制扫查轨迹，以减少缺陷定位的误差。

2.2 焊缝内部缺陷检测

检测ASS 焊缝内部缺陷，超声束均需要穿过焊缝粗晶组织，纵波的检测效果优于横波。采用2.5 MHz、晶片数4×8 的双面阵相控阵探头，分别采用全聚焦和扇扫描分区检测2 种方法，对标准试块进行比对检测。在标准试块焊缝中部加工5 个不同深度的2 mm 长横孔。

标准试块采用双面阵相控阵探头扇扫描的检测图像如图6 所示，双面阵相控阵探头扇扫描的检测结果见表3 所列。

表3 内部缺陷双面阵相控阵探头扇扫描检测结果

图6 双面阵相控阵探头扇扫描检测图像

标准试块采用双面阵相控阵探头全聚焦的检测图像如图7 所示，双面阵相控阵探头全聚焦的检测结果见表4 所列。

表4 内部缺陷双面阵相控阵探头全聚焦检测结果

图7 内部缺陷双面阵相控阵探头全聚焦检测图像

由图6、图7、表3 和表4 可知，采用全聚焦和扇扫描检测均能发现所有长横孔反射体，由于反射体位于焊缝中部，穿过的焊缝部分较少，缺陷检测灵敏度和信噪比都较好，从焊缝两侧检测差异较小。对于深度较大的反射体，全聚焦检测灵敏度和分辨力稍优于扇扫描检测。

2.3 焊缝近表面缺陷检测

1)上表面缺陷检测

双面阵相控阵全聚焦和扇扫描检测ASS 焊缝内部缺陷，都存在表面盲区。为了验证2 种检测方法的盲区高度，采用2.5 MHz、晶片数4×8 的双面阵相控阵探头，分别采用全聚焦和扇扫描分区检测2 种方法，对标准试块进行比对检测。在标准试块焊缝上表面加工深度为2 mm 的开口槽，规格为长60 mm×宽2 mm×高1 mm。全聚焦检测和双面阵探头相控阵扇扫描2 种检测方法的检测图像如图8 所示，可见，扇扫描声束无法覆盖上表面，因此，无法检出表面开口槽。

图8 双面阵相控阵探头全聚焦和扇扫描检测图像

采用全聚焦可检测2 mm 开口槽反射体，信噪比为13.3 dB，反射体幅值为TCG-7 dB，超声波纵波的检测灵敏度和分辨率满足检测需求。但实际检测深度为9.2 mm，定位误差较大，主要原因是ASS 焊缝晶粒大小和方向影响超声纵波的声速和传播方向，虽然影响远小于超声横波，相控阵仪器在激发超声纵波检测时，只能按照一个固定的声速和偏转范围计算聚焦法则，对于上表面缺陷检测，相控阵超声探头用于大角度超声纵波偏转的有效孔径长度较小，超声纵波受晶粒尺寸和方向影响被放大，导致缺陷定位误差较大；对于深度较大的缺陷，超声纵波偏转角度在主声束附件，有效孔径大，超声纵波受晶粒尺寸和方向影响较小，缺陷定位误差也较小。

2)下表面缺陷检测

核电ASS 对接接头采用窄间隙焊，根部焊缝的宽度很小，约为2 mm，对横波和纵波的影响都较小。为了验证横波和纵波对于焊缝根部开口槽的检出效果，采用频率5 MHz、晶片数量64 的线阵相控阵探头激发横波检测，频率2.5 MHz、晶片数量4×8 的纵波双面阵相控阵探头分别激发扇扫描和全聚焦检测，以及频率1.5 MHz、晶片数量32 激发纵波扇扫描检测4 种方法进行对比试验。检测试块厚度为94 mm，焊缝根部开口槽为长60 mm× 高2 mm×宽1 mm。4 种检测方法的检测图像如图9 所示，结果比对见表5 所列。

表5 4种检测方法的结果比对

图9 4种检测方法的检测图像

由图9 和表5 可知，采用线阵探头激发横波检测和双面阵探头纵波扇扫描检测，无法发现根部开口槽缺陷，双面阵探头全聚焦检测和线阵探头纵波扇扫描检测均可发现根部开口槽缺陷，但灵敏度和分辨率不高，全聚焦检测的根部信号易于底波混淆，难以分辨，纵波扇扫描检测灵敏度优于全聚焦检测，但缺陷识别同样受到根部信号的干扰。

2.4 检测工艺小结

针对厚壁ASS 对接接头的坡口和焊缝内部缺陷，采用双面阵相控阵探头全聚焦检测效果优于双面阵相控阵探头扇扫描检测。采用PWITFM 全聚焦检测，单次工艺可覆盖焊缝进行检测，较扇扫描分区检测效率更高。

3 模拟试块检测对比

采用频率为2.5MHz、晶片数量4×8的双面阵相控阵超声探头，检测规格为φ795×72.5 mm 的模拟试管，材质为316L，分别在模拟试管焊缝上部、中部和下部缺陷预制6 个条形缺陷。如图10 所示为全聚焦检测缺陷图像，结果见表6 所列。

表6 扇扫描和全聚焦检测结果对比

图10 全聚焦检测缺陷图像

由表6 和图10 可知，采用相控阵超声全聚焦技术可检测出模拟试块内的所有缺陷，检测灵敏度和信噪比较好，#1 近表面缺陷定位误差较大，与2.3 试验结果一致。焊缝中上部缺陷检测灵敏度和信噪比较好，焊缝中部和中下部缺陷，由于近场区长度较小，缺陷分辨力一般，缺陷测量值大于预制值。

4 结语

针对核电厚壁ASS 对接接头组织晶粒粗大和各向异性导致的超声声能衰减和超声束定位偏差大的问题，本文对比多种不同检测工艺方法的优劣，采用模拟试块和现场应用检测验证，表明双面阵相控阵探头激发PWI-TFM 全聚焦检测ASS 焊缝缺陷是可行的，比纵波扇扫描分区检测缺陷信噪比和分辨率更优，但对于近表面缺陷的定位准确度还需要进一步验证或补充检测方案。在厚壁ASS 焊缝相控阵超声检测中，晶粒尺寸和方向的影响是不可避免的，但是通过严格控制焊接工艺，细化晶粒，有利于减少误差，提高相控阵超声检测的精度。