奥氏体不锈钢焊缝的超声相控阵检测及定量分析

蒋政培,王 强,谢正文,范昕炜

(中国计量学院 质量与安全工程学院,浙江 杭州 310018)

奥氏体不锈钢焊缝的超声相控阵检测及定量分析

蒋政培,王 强,谢正文,范昕炜

(中国计量学院 质量与安全工程学院,浙江 杭州 310018)

奥氏体不锈钢管道焊缝缺陷的检测已引起无损探伤人员的密切关注.今利用超声相控阵技术对奥氏体不锈钢管道焊缝缺陷进行检测,并与20#碳钢检测成像效果进行比对.结果表明,相控阵超声波在20#碳钢中有很好的穿透性,而在奥氏体不锈钢焊缝中超声波信号衰减较为严重.奥氏体不锈钢焊缝区域缺陷信号信噪比最大值为9 dB,当探伤深度大于30 mm时,其信号衰减符合衰减方程描述.对于焊缝区域深度大于50 mm,尺寸小于φ2 mm的横通孔,超声相控阵技术无法清晰地探伤到此类缺陷.对于奥氏体不锈钢焊缝,横波检测成像的信噪比要高于纵波.

超声相控阵;奥氏体不锈钢;焊缝缺陷;信噪比

奥氏体不锈钢无磁性且具有良好的塑性,极佳的耐腐蚀性,优良抗氧化性能[1],因而被广泛应用.近年来,由于生产工艺的进步,奥氏体不锈钢厚壁管道已经被应用于核工业和化工行业等重要领域.但奥氏体不锈钢管道焊缝在高温、高压、放射性、水流冲击等环境下工作时,其结构容易被破坏.常规超声检测方法可以用于不锈钢面型裂纹缺陷的检测,但面对晶粒粗大且各向异性的奥氏体组织[2],常规超声差穿透力不足,得到的图像分辨度不高,因此深厚奥氏体不锈钢材料的超声检测多年来一直倍受关注[3].目前,国内外已有多家大学和科研机构开展了对奥氏体不锈钢焊缝缺陷的超声相控阵检测研究.比如李衍针对异种钢焊缝进行了相控探伤,提出了用电子背散射衍射技术来解决奥氏体声场畸变带来的问题[4].HU Dong等人用相控超声技术对多层次组织焊缝的不锈钢尿素反应塔进行了检测,获得了高信噪比的探伤图像[5].肖琨通过改进DORT算法,使得奥氏体不锈钢管道内部缺陷的相控超声成像更为清晰[6].法国电力公司的CHASSIGNOLE等人使用ATHENA有限元检测了超声波在奥氏体不锈钢焊缝中的衰减,并建立了衰减模型[7].YE J等人对于各向异性的焊缝缺陷进行了超声相控阵检测[8],发现超声波在焊缝区域衰减较为严重.目前国内对于管道焊缝的超声相控阵检测并进行定量分析的相关文献较少,缺少一定的定量检测分析数据,而开展对奥氏体不锈钢焊缝组织区域缺陷回波信号的定量分析,却能够更准确地了解不锈钢焊缝区域的内部特性,洞悉超声波在奥氏体不锈钢焊缝区域具体的衰减规律,以得到更精确的探伤结果.

本文重点研究奥氏体不锈钢管道焊缝缺陷的超声相控阵检测,对焊缝试块中深度为10 mm、30 mm、50 mm、70 mm,尺寸为φ2 mm×30 mm的横通孔进行检测,与20#碳钢中深度为40 mm、80 mm、120 mm、160 mm,尺寸为φ3 mm×30 mm的横通孔的检测结果进行比对,定量分析了奥氏体不锈钢焊缝区域超声波的衰减规律.分析比较扇形扫查和线形扫查两者不同方式获得的扫查结果的区别.

1 超声相控阵检测原理

与传统的超声波检测相比,超声相控阵检测有其独特的优势,最显著的特点是声束偏转和动态聚焦,两者都是通过相位可控的超声波实现的.超声相控阵是依据惠更斯-菲涅耳(Huyghens-Fresnel)原理[9],通过各阵元发出相位可相互抵消或叠加的相干波,形成特定规律的稳定声场.

图1 相控聚焦原理示意图Figure 1 Phased focusing principle diagram

相控聚焦原理如图1,超声波聚焦点为P,焦距为f,相邻阵元间中心距为d,媒质声速为c,0号阵元为中心阵元，t0为足够大的时间常数,以避免延迟时间为负.当P位于中心阵元正前方时,根据几何声程差,可计算出第n个阵元相对于中心阵元的激励信号发射时间为tfn为[10]

(1)

本文所涉及的探头为线性超声相控探头,其声场空间任意一点r(x,y,z)在t时刻的声压分布满足瑞利积分[11]

(2)

(3)

不同的检测手段所获得的图像会有不同的信噪比(SNR),它反映了图像的清晰程度,可通过以下公式计算得到

(4)

式(4)中：I0,I1—实际声强和参考声强[12].

2 试块及相关信息

本实验所用碳钢试块为RB-3/20(以下简称试块A),用于模拟超声波在20#对接焊缝钢管道中的传播.试块A长350 mm,宽40 mm,高170 mm,其标准反射体为8个尺寸为φ3 mm×40 mm的横通孔,各横通孔的深度位置如图2(a)所示.另外,本实验组还定制了一块奥氏体不锈钢焊缝试块(以下简称试块B),试块B长300 mm,宽30 mm,高90 mm,其标准反射体为5个处于V型焊缝边缘尺寸为φ2 mm×30 mm横通孔,其深度位置如图2(b).

图2 试块图像Figure 2 Images of the testing blocks

内容试块A试块B试块类型横通孔试块横通孔试块尺寸/mm3长×宽×高350×40×170300×30×90材质20#304孔径/mmϕ3×40ϕ2×30实验检测横通孔个数45试块标准GB11345—89JB/T4730—2005

为了避免检测楔块附近的菲涅尔区对回波信号成像的干扰,避免空间重叠,对试块A进行检测时,特选择了距离试块探伤表面较远,深度为40 mm、80 mm、120 mm、160 mm的四个横通孔作为检测目标.

实验仪器如表2.

表2 实验仪器

3 超声相控阵检测结果

3.1 20#碳钢试块检测结果

图3 试块A及其超声相控阵检测结果 Figure 3 Block A and the detection result by ultrasonic phased array

图3为试块A及其超声相控阵检测结果.如图3(a),4个横通孔处于同一竖直线上.图3(b)为横波S扫描图像,扫查角度为30°～70°,扫查深度为15～180 mm,增益参数设置为50 dB.通过对相应A扫描图像进行分析,在深度为160 mm处缺陷信号信噪比达到了10 dB,说明相控阵超声波在20#钢中具有较强的穿透力.图3(b)中,随着探伤深度的增加,大小相同的缺陷的回波信号在逐渐减弱,且杂波信号略有增加.这是由于探头发射声波的特性、试块材质的组织结构等因素使得超声波在材料内部传播时发生散射和畸变,导致超声波不能按设定的法则进行聚焦和传播,造成一部分超声信号无法被有效利用而转变为噪声信号,从而出现杂波.所以，随着深度的增加,超声波的声能逐渐减少,而杂波信号逐渐加强.

3.2 奥氏体不锈钢焊缝试块检测结果

图4为试块B及其超声相控阵检测结果.图4(a)中的5处缺陷呈V字形.图4(b)显示的深度范围为5～90 mm.在增益同为50 dB的条件下,从图4(b)中可看出,试块上位于V型焊缝区域附近且深度为10 mm、30 mm、50 mm(分别为图4(a)中的B1、B2、B3三处)的缺陷的检测结果较为清晰,其信噪比分别为7 dB、9 dB、8 dB.从理论上而言,三者信噪比应逐渐降低,但实际检测情况并非如此,10 mm处的缺陷信噪比低于30 mm处是由于该缺陷过于靠近检测楔块,造成了楔块近场附近的菲涅耳区对超声波信号产生干扰,使得系统无法分辨缺陷信号.而位于70 mm处的缺陷在图像上无法观测到,这是由于不锈钢内部大量的晶粒粗大且各向异性的奥氏体组织造成了超声信号的衰减,导致其回波信号强度不够大,不足以和杂波信号区分开来,使得缺陷信号湮没在杂波信号中.

对比图3和图4,在相同的增益下,两试块的检测结果存在差异.由于20#钢内部结构比较均匀,介质材料各向异性差异不大,信号衰减程度较弱,这使得利用超声相控阵检测技术可以检测到深度大于160 mm的缺陷信号,且信噪比可以达到10 dB.然而，对于奥氏体不锈钢,超声相控阵对其检测的成像效果要低于20#钢.同增益时,图4所显示的检测效果中所含的杂波信号明显要高于图3.

图4 试块B及其超声相控阵检测结果Figure 4 Block B and the detection result by ultrasonic phased array

实验过程中实验组还使用60°纵波相控探头分别对试块A、B进行了检测,对试块A进行检测时,其检测图像与55°横波检测结果相似,但是试块B的纵波检测效果不如横波,其原因在于纵波入射时在检测试块和楔块之间发生了波形转换,其声束经过多次的反射和折射后分散为众多能量较弱的声束,使得进入试块的波形中包含横波和纵波两种波形,两者相互干扰影响了回波信号,造成成像模糊.同时,由于纵波波长较长,其在横通孔处产生的衍射现象更为严重,导致回波信号变得更弱.

当增益增大至58 dB时,试块B的线性扫查结果如图5所示.从检测结果可知,在缺陷回波信号放大的同时杂波信号也随着变大,其噪声含量明显高于图4,且在线形扫查过程中,超声信号的衰减速率大于扇形扫查时超声波的衰减速率.由于奥氏体焊缝组织的不均匀性和各向异性,增大增益对于提高图像信噪比而言没有太大的作用.在这种情况下,为了获得更高的信噪比成像,可以通过增加探头阵元数目、加大探头发射能量等途径来实现.

图5 试块B的线形扫查结果Figure 5 Detection result of block B by linear scan

3.3 奥氏体不锈钢中相控阵超声波信号衰减定量分析

本次试验中,超声波频率f0为5 MHz,可以得到横波波长λ为0.646 mm.一般而言,奥氏体不锈钢焊缝中的柱状晶平均直径d在0.5 mm以上[13],可以认为d和λ相等,此时超声波在奥氏体不锈钢内部的衰减系数α满足关系[14]

(5)

式(5)中：C—材料的散射系数,F—各向异性因子,d—晶粒直径,f0—声波频率.此处F可取2[15].由此可知,若选择频率较低的超声相控探头,在一定程度上可使得衰减系数降低,减少传播过程中的声压降,提高缺陷信号的信噪比与分辨率,提高图像清晰度,因而用低频探头检测奥氏体不锈钢焊缝缺陷能获得更好的检测效果.

图6 超声信号衰减图Figure 6 Ultrasonic signal attenuation figure

超声信号在试块B焊缝区域的衰减强度如图6所示,x为探伤深度，px为回波信号强度.当探伤深度小于30 mm时,回波信号的信噪比较低,夹杂着较多的杂波,越是靠近探头草状杂波信号越强,这是由于超声近场区域的超声波相互干涉造成的,且规律较为复杂,使得探伤人员在实际的探伤过程中易出现误判,但近场效应又无法完全避免.当探伤深度大于30 mm时,缺陷的信号强度迅速衰减,30 mm处焊缝缺陷信号信噪比为9 dB,50 mm处为8 dB,70 mm处为5 dB,造成此区域范围内信号衰减的主要原因是大量各向异性的奥氏体组织造成超声信号的强烈散射,使得信号在传播过程中迅速衰减,造成声能流失,其衰减规律基本符合衰减方程描述[10]

px=p0·e-αx.

(6)

式(6)中：px—传播距离x后的声压,p0—声波的初始声压.

4 结 语

1)对于20#碳钢内部缺陷,利用超声相控阵能够清晰地检测出缺陷的深度信息和尺寸信息,对于160 mm处尺寸为φ3 mm的缺陷,其回波信号信噪比可达10 dB.在相同实验条件下检测奥氏体不锈钢焊缝缺陷,检测效果不如碳钢检测效果明显,对深度大于50 mm尺寸不大于φ2 mm的焊缝处缺陷,其成像信噪比小于7 dB,检测效果不佳.

3)使用横波对奥氏体不锈钢进行相控超声检测比同频率下的纵波检测获得的图像信噪比更高.

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Detection and quantitative analysis of the weld in austenitic stainless steel based on ultrasonic phased array

JIANG Zhengpei, WANG Qiang, XIE Zhengwen, FAN Xinwei

(College of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

The detection of defects in austenitic stainless steel was focused in the NDT field. The ultrasonic phased array was used to detect the defects in austentic stainless steel pipeline welds. The detection results of the two specimen blocks(the 20#carbon steel block and the austentic stainless steel block) were compared in detail. It showed that the ultrasonic wave could penetrate the carbon steel block easily, while the ultrasonic wave energy decreased rapidly in the austenitic steel block. The largest signal noise ratio of ultrasonic wave echo signals in austenic stainless steel blocks was just 9 dB. The significant attenuation satisfied the rule of attenuation equation,when the defect depth was more than 30 mm. It was difficult to detect the horizontal hole of the size ofφ2 mm when the defect depth was more than 50 mm. Compared with the longitudinal wave detection, a better SNR can be got by transverse wave detection.

ultrasonic phased array; austenitic stainless steel; weld defect; signal noise ratio

1004-1540(2015)02-0166-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.008

2015-01-15 《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

国家自然科学基金资助项目(No.51374188),质检公益性行业科研专项(No.201410027,201410028).

TG115.28+5

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