厚壁铸造奥氏体不锈钢管道焊缝超声相控阵检测技术概述(1)

  本文关键词：厚壁铸造奥氏体不锈钢管道焊缝超声相控阵检测技术概述，由笔耕文化传播整理发布。

2012年2月 林 莉等：厚壁铸造奥氏体不锈钢管道焊缝超声相控阵检测技术概述 13

法。由于相控阵超声声束灵活可控，可对检测对象进行多角度、多方位的扫查，从而可以有效降低缺陷漏检概率，提高检测可靠性。PAUT还可检测射线检测难以穿透的厚壁构件，并针对不同的检测对象灵活地选择聚焦和检测参数，从而提高检测分辨力、灵敏度以及信噪比[8-10]。此外，通过采用先进的相位偏差信号处理技术，有望减小CASS焊缝中由于频散和波束偏移带来的缺陷定位和定量误差，进而提高成像分辨力。美国电力研究院采用全自动PAUT技术检测压水堆主管道上的CASS焊缝，一次扫查即可完成全焊缝的检测，所需时间由整个班次工作时间缩短到5 min，甚至更少[11]，大大提高了检测效率，降低了检测成本。

早在20世纪80年代，英国的OGILVY[12]就开始研究超声波在CASS中的传播模型。最近十年来，韩国的SONG等[13-14]对OGILVY 的模型进行了改进，并采用声线示踪法计算了相控阵超声不同阵元在非均匀各向异性介质中的延迟时间和入射角；英国的NAGESWARAN等[15]则采用电子背散射衍射技术对奥氏体不锈钢焊缝的微观组织进行了分析；并模瑞典的LIU等[16]对各向异性焊缝进行了分区，拟了超声波在其中的传播路径；法国的MAHAUT等[17]使用CIVA软件对超声波在CASS中的传播过程进行了仿真。美国西北太平洋国家实验室以及某些超声设备生产厂家在相控阵探头设计和检测设备的研制方面也做了大量工作[18-21]；德国夫琅和费无损检测研究所提出了“采样相控阵”和“反向相位匹配”的方法，致力于解决CASS等非均匀各向异性材料的超声检测难题[22-24]。我国的李衍等[25-26]对相控阵的基础理论进行了深入阐述，为研究者提供了重要参考；赖溥祥等[27]对环形相控阵辐射声场和反射声场的基本特性进行了理论和试验研究，取得了良好的一致性；郑中兴等[28-29]则在大厚度奥氏体不锈钢焊缝的检测设备以及检测工艺方面开展了研究，研制了纵波斜射双晶探头并通过试验分析了各工艺参数对超声检测的影响；燕会明等[30]采用动态光弹法研究了相控阵超声波束在介质中的传播规律，并通过反演得到B扫描图像；施克仁等[31]在提高相控阵二维、三维成像分辨力方面做了大量工作，提出了CASS焊缝中相位畸变的修正方法。

本文归纳了厚壁CASS管道焊缝PAUT技术的难点、超声波在厚壁CASS管道焊缝中传播规律的研究进展，并重点介绍了数值模拟、相控阵参数优化、信号处理等关键技术，期望能够为厚壁CASS管道焊缝PAUT技术的研究和工程应用提供参考。

1 厚壁CASS管道焊缝PAUT技术的 难点分析

1.1 厚壁CASS管道焊缝超声检测的难点 CASS焊缝具有粗大晶粒和弹性各向异性，，导致超声波在组织中的传播规律复杂，影响缺陷的检测和评定。一般而言，奥氏体不锈钢焊缝中的柱状晶平均直径在0.5 mm以上，晶粒长度大于10 mm，超声波传播过程中将发生声束弯曲导致缺陷定位不准；而对于CASS母材，其不同区域晶粒尺寸变化范围大(0.2～26.8 mm)，超声波穿透区域的平均晶粒尺寸甚至可达17～20 mm(图1)[21]，这种粗晶将引起超声波严重衰减，超声波束甚至不能进入焊缝；另外，粗晶对超声波的强烈散射导致出现大量林状回波，大大降低了缺陷检测的信噪比。

等轴晶

焊缝

柱状晶

(a) CASS焊缝显微结构照片

柱状晶 等轴晶

(b) CASS中的柱状晶和等轴晶 (c) CASS焊缝中的声束畸变

图1 美国西北太平洋国家实验室CASS焊缝示意图

对于厚壁CASS管道焊缝，由于材料厚度大，焊接应力因整个构件的变形而增大，严重时将诱发焊接裂纹[32]，从而对焊接质量产生影响。同时，厚度越大则晶粒越粗大，从而引起严重的结构噪声和超声波衰减，降低了检测信噪比以及超声波穿透能力。1999年，国内编写了《奥氏体不锈钢焊接接头超声波检验规程》，但该规程主要针对厚度为10～50 mm的奥氏体不锈钢对接焊缝的手工超声波检验，且只适用于对接接头的检测。研究发现，普通探头难以检测厚度大于60 mm的厚壁CASS管道焊缝[33]，必须采取其他办法加以解决。

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