浙江至德鋼業(yè)有限公司開發(fā)了小口徑不銹鋼管對接焊縫超聲波檢測專用探頭，并設(shè)計制作了超聲波檢測對比試塊。通過對比試驗表明，采用該探頭進行超聲波檢測具有信噪比高、雜波少、檢測波束折射角大、傳播距離長、缺陷定位準(zhǔn)確、掃查范圍不受焊縫余高限制等優(yōu)點。該方法有針對性地解決了小口徑不銹鋼管對接焊縫超聲波檢測的難題。

 奧氏體不銹鋼管廣泛地應(yīng)用于核電、石油、化工等行業(yè)，其焊縫質(zhì)量的好壞直接影響到承壓類特種設(shè)備（鍋爐、壓力容器、壓力管道）的安全性。焊縫失效會引起爆炸、燃燒、環(huán)境污染等重大事故，對國家和人民財產(chǎn)造成巨大損失，甚至嚴(yán)重危害人民生命安全。目前國內(nèi)外對于小口徑薄壁奧氏體不銹鋼管對接焊縫質(zhì)量的超聲檢測沒有專門的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實際檢測時主要采用和借鑒碳鋼管道的無損檢測工藝或各種企業(yè)檢測規(guī)程。對于大口徑厚壁奧氏體不銹鋼管的焊縫質(zhì)量超聲檢測工藝及其實施，國內(nèi)不同的行業(yè)各不相同，且普遍水平較低，檢測效果較差。這種狀況對于開展奧氏體不銹鋼管焊接的檢驗檢測工作十分不利。

 對于小口徑不銹鋼管，由于其具有焊縫組織不均勻、薄壁、大曲率等特點，對其進行超聲波檢測十分困難，迄今還沒有一種有效的超聲波檢測方法。為此，亟需研究出一種用于奧氏體不銹鋼管焊縫的超聲檢測方法和工藝，以提高管道焊縫缺陷的檢出率和檢測正確率，大幅度提高檢測效率，降低檢測成本。

一、探頭設(shè)計

 1. 專用探頭理論依據(jù)

  通常，各向異性材料中有三種不同的線彈性波可沿給定的方向向前傳播。這三種波通常不是單一模式，因為每種波既有平行于波法線也有垂直于波法線的質(zhì)點位移分量。一種分量常比另一種分量大得多。含有較大平行分量的波叫“準(zhǔn)縱波”，含有較大垂直分量的波叫“準(zhǔn)橫波”。在各向同性材料中，所有傳播模式均為單一模式——質(zhì)點位移不是平行于波法線，就是垂直于波法線。兩種準(zhǔn)模退化成一種純模因。

  能通量矢量，對于彈性波在各向異性材料中傳播也很重要。與各向同性材料情況有所不同，單位時間、單位面積的能流方向（能通量矢量），同波的法線不一定重合。也就是說，超聲波波束即使垂直入射時也可能發(fā)生折射。

  超聲波在各向異性的介質(zhì)中向前傳播時存在線彈性波。但是這種線彈性波既不是單純的縱波，也不是單純的橫波，而是第三種形式的波，即不同性質(zhì)的線彈性波的混合波。更確切地說，在各向異性的材料中，這種超聲波波束對單個缺陷的反射回波顯示在超聲波探傷儀屏面上時是粘滯在一起的三個波，而且通常情況下三個波中必定有一個波的波幅比另外兩個波的波幅高得多。

 2. 專用探頭結(jié)構(gòu)

  專用探頭結(jié)構(gòu)如圖所示，其中a表示入射角，8表示聚焦傾角，a表示晶片寬度（mm），b表示晶片長度（mm），f表示晶片頻率（MHz）。

  在充分考慮超聲波聲束在奧氏體鋼管管壁內(nèi)表面上的幾何效應(yīng)的前提下，采用雙晶聚焦的方式制作的探頭可以最大限度地克服直徑32mm~159mm、壁厚3.5~20mm奧氏體鋼管管壁內(nèi)表面對超聲波聲束的幾何效應(yīng)帶來的不利影響。

二、對比試塊設(shè)計及測試

 1. 對比試塊設(shè)計制作

  自行設(shè)計了對比試塊，共5塊，分別為1號對比試塊，2號對比試塊，3號對比試塊，4號對比試塊，5號對比試塊。對比試塊材料為304奧氏體不銹鋼板材。

  1號對比試塊結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，圓弧面曲率為17mm，共有1×20通孔4個，距圓弧面頂?shù)纳疃确謩e是4mm、6mm、9mm、12mm；2號對比試塊結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，圓弧面曲率半徑為24mm，共有1×20通孔5個，距圓弧面頂?shù)纳疃确謩e是4mm、6mm、9mm、12mm、18mm；3號對比試塊、4號對比試塊、5號對比試塊的結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示，圓弧面曲率半徑分別為38mm、57mm、84mm，各有01×20通孔6個，距圓弧面頂?shù)纳疃确謩e是4mm、6mm、9mm、12mm、18mm、24mm。

 2. 對比試塊試驗數(shù)據(jù)及波形截圖

  采用相應(yīng)的專用探頭對上述5塊具有不同的人工缺陷的試樣進行檢測，就可得到這些對比試樣上人工反射體的深度、水平距離、反射波幅值等參數(shù)，其中當(dāng)缺陷回波為滿屏的80%時，增益的分貝值就是回波幅值。

 根據(jù)測量結(jié)果可知，雙晶探頭能對奧氏體不銹鋼試塊上的01橫通孔進行檢測。在圖中，缺陷深度與回波幅值近似呈線性關(guān)系，可知雙晶探頭的聲波能量在主聲束方向上單調(diào)遞減，聲波指向性好，缺陷定量方便。根據(jù)圖可知：

  a. 當(dāng)圓弧曲率半徑小于24mm時，圓弧面會影響雙晶探頭聚焦性能，缺陷回波能量降低。

  b. 當(dāng)圓弧曲率半徑大于24mm時，圓弧面曲率半徑對缺陷回波幅值影響不大。從圖可以看出，當(dāng)橫通孔深度小于9mm時制作的雙晶探頭測量相對誤差小于7.5%；當(dāng)橫通孔深度大于9mm時，其測量相對誤差小于3.3%。

  可見雙晶探頭測量精度高，達到對薄管中的缺陷深度進行精確測量的要求。由試驗結(jié)果可知，5塊對比試塊上所有01×20通孔人工缺陷反射波清晰，無明顯干擾雜波，信噪比均大于12dB，說明專用探頭能有效克服奧氏體晶體散射的影響，能對奧氏體鋼中的缺陷進行有效檢測。試塊1中深4mm和深9mm橫通孔回波分別如圖所示。

三、模擬試件缺陷檢測

  1. 模擬試件

  制作規(guī)格分別為78×10、100×14、108×16和133×16等5種奧氏體不銹鋼管對接環(huán)焊縫實物缺陷模擬試件，材料為304，采用全氬焊接工藝焊接，焊后按照J(rèn)B/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)進行射線檢測，結(jié)果為I級合格。分別在焊縫內(nèi)外表面正中垂直加工沿母材內(nèi)壁、外壁為基準(zhǔn)周向等深的人工割槽，寬度為0.4mm，長度為10mm，深度分別為1mm、2mm。規(guī)格為078×10模擬缺陷試樣實物如圖所示，模擬缺陷試樣結(jié)構(gòu)如圖所示。

  2. 模擬缺陷試件測試結(jié)果

  對模擬缺陷試件測試結(jié)果如表和圖所示。試驗結(jié)果表明，5種規(guī)格缺陷模擬試件上人工割槽模擬缺陷的反射回波均能比較清晰地判別，除少數(shù)幾個反射回波旁有較高干擾雜波外，其余大部分反射回波信噪比均大于8dB。

  由表可知，制作的專用探頭能有效地檢測小口徑不銹鋼管中的刻槽缺陷，專用雙晶測量精度高。在試驗中，檢測的外表面缺陷深度誤差小于內(nèi)表面缺陷的測量誤差。小徑管曲率和管厚度會影響測量精度，曲率越小，厚度越大，測量精度就越高。試驗中缺陷回波如圖所示，不銹鋼焊縫的晶體粗大，在缺陷回波附近有多個草狀回波，但是依然能在檢測圖譜中清晰分別缺陷回波，檢測靈敏度高。

四、結(jié)論

  通過試驗證實，這種專用探頭應(yīng)用于小口徑不銹鋼管對接焊縫檢測具有以下特點：

  1. 專用探頭用于檢測的超聲波束在工件中折射角較大，這便于有余高的薄壁焊縫的超聲檢測。

  2. 專用探頭與超聲檢測儀匹配具有較高的綜合靈敏度，檢測奧氏體不銹鋼管焊縫缺陷回波清晰，雜波少，信噪比高。

  3. 專用探頭所發(fā)射的用于檢測的波束在工件中具有較好的指向性，缺陷定位方便。

  4. 管件弧度較大時，所測得的距離波幅曲線較平滑，缺陷定量方便。