鐵素體薄壁對(duì)接焊縫（壁厚一般為3~6 mm）在制造期間，受余高等結(jié)構(gòu)信號(hào)影響，常規(guī)超聲檢測(cè)較為困難，缺陷信號(hào)信噪比低，檢測(cè)效率低。因此，薄壁對(duì)接焊縫一般采用射線檢測(cè)，射線檢測(cè)對(duì)該類焊縫有著較高的靈敏度，尤其對(duì)微小的體積型缺陷有著良好的分辨力。但是在工程應(yīng)用過程中，會(huì)出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)限制或墻體阻擋等無(wú)法實(shí)施射線檢測(cè)的情況，超聲檢測(cè)成為唯一可替代的體積檢測(cè)方法，而常規(guī)超聲檢測(cè)方法亦存在無(wú)法滿足需求的情況。
相控陣超聲檢測(cè)（PAUT）技術(shù)具有聲束聚焦靈活可控，在不改變探頭布置的前提下，可對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行多角度、多方位掃查的特點(diǎn)，能將信號(hào)顯示為直觀的扇掃圖像，從而降低缺陷漏檢概率，提高檢測(cè)可靠性。
筆者采用相控陣超聲探頭對(duì)含有缺陷的模擬試件進(jìn)行檢測(cè)，并與射線檢測(cè)的結(jié)果做對(duì)比，總結(jié)出薄壁鐵素體焊縫的相控陣超聲檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則。
1、薄壁對(duì)接焊縫的規(guī)范要求
薄壁對(duì)接焊縫的無(wú)損檢測(cè)方法一般為射線檢測(cè)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)RCC-M-2007《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》或NB/T 20003.3-2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：射線檢測(cè)》，射線檢測(cè)適用于任意厚度的全焊透對(duì)接焊縫和角焊縫，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了檢測(cè)薄壁對(duì)接焊縫相應(yīng)的射線源、像質(zhì)計(jì)、透照方式、圖像質(zhì)量等檢測(cè)工藝要求。相關(guān)驗(yàn)收準(zhǔn)則如表1所示。
表1 不同標(biāo)準(zhǔn)中薄壁焊縫的射線檢測(cè)適用范圍及驗(yàn)收準(zhǔn)則
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適用于各種厚度的均勻或非均勻的全焊透對(duì)接焊縫和角焊縫
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具有下述任何一種情況的焊縫均為不合格：
① 任何形式的裂紋、未熔合、未焊透、咬邊；
② 壁厚≤6 mm時(shí)缺陷最大尺寸大于1.5 mm的單個(gè)氣孔或者單個(gè)夾渣。
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適用于任意厚度1、2、3級(jí)同質(zhì)或異質(zhì)的全焊透對(duì)接和角接接頭
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具有下述任何一種情況的焊接接頭均為不合格：
① 任何裂紋、未熔合、未焊透、咬邊；
② 壁厚≤6 mm時(shí)最大尺寸大于1.5 mm的任何單個(gè)圓形缺陷；
③ 壁厚≤6 mm時(shí)最大尺寸大于1.5 mm的任何單個(gè)條形缺陷。
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同時(shí)，當(dāng)前核電領(lǐng)域主要規(guī)范均規(guī)定了超聲檢測(cè)的適用范圍（均要求全焊透對(duì)接焊縫壁厚≥6 mm），如RCC-M-2007規(guī)范適用范圍為厚度≥10 mm的對(duì)接焊縫；NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》適用于厚度≥6 mm筒體的對(duì)接焊縫；NB/T 20003.2-2010適用于厚度不小于8 mm焊件的全焊透對(duì)接焊縫，不同規(guī)范的對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)適用范圍如表2所示。對(duì)于壁厚小于6 mm的薄壁對(duì)接焊縫，超聲檢測(cè)方法及質(zhì)量等級(jí)要求沒有規(guī)范可以依據(jù)。
表2 不同規(guī)范的對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)適用范圍
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規(guī)范名稱 |
章節(jié) |
適用范圍 |
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RCC-M-2007 |
MC2600 |
全焊透焊縫：適用于厚度≥10 mm焊件的全焊透對(duì)接焊縫和角焊縫 |
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NB/T 47013-2015 |
第6章 |
筒體對(duì)接焊縫：適用于厚度≥6 mm鍋爐、壓力容器對(duì)接、角接及T型接頭 |
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NB/T 20003.2-2010 |
第18章 |
厚度不小于8 mm焊件的全焊透對(duì)接焊接接頭和角接焊接接頭 |
2、薄壁對(duì)接焊縫的相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)
相控陣超聲檢測(cè)工藝
超聲檢測(cè)薄壁對(duì)接焊縫時(shí)，受焊縫余高的影響，超聲一次波聲束只能覆蓋焊縫根部區(qū)域。筆者采用相控陣超聲分區(qū)域覆蓋檢測(cè)，其中采用較大的聲束角度覆蓋一次波和二次波區(qū)域，采用較小聲束角度覆蓋三次波和四次波區(qū)域，相控陣探頭聲束覆蓋示意如圖1所示。
圖1 薄壁對(duì)接焊縫的相控陣探頭聲束覆蓋示意
相控陣超聲多角度掃查的特性，為薄壁結(jié)構(gòu)的超聲檢測(cè)提供了較好的解決方案，并且在顯示判別方面更為直觀，扇形掃查區(qū)域覆蓋如圖2所示。
圖2 扇形掃查區(qū)域覆蓋示意
通過相控陣超聲聲束仿真，可以看出當(dāng)使用45°~75°范圍的扇掃，探頭前端距離焊縫中心線5~9 mm時(shí)，相控陣扇形聲束的二次波和三次波可完全覆蓋整個(gè)焊縫區(qū)域，同時(shí)一次波和四次波扇形聲束可以部分覆蓋焊縫區(qū)域，如圖3所示。
圖3 探頭前端距離焊縫中心線5 mm和9 mm時(shí)的聲束覆蓋示意
為了提高檢測(cè)效率，試驗(yàn)中采用單軸的直線掃查，替代傳統(tǒng)的兩軸柵格掃查。由于現(xiàn)場(chǎng)焊接的對(duì)接焊縫余高寬度不一致，故靈活選取探頭前端距離焊縫中心線的距離（5~9 mm），可以適應(yīng)不同的焊縫余高寬度，保證一次沿焊縫方向的掃查能夠完整覆蓋整個(gè)被檢區(qū)域。
相控陣探頭設(shè)計(jì)
一般來說，探頭頻率越高，晶片越大，探頭的聲束指向性越好，缺陷分辨率越高。同時(shí)，單個(gè)晶片的尺寸越小，可獲得更強(qiáng)的聲束偏轉(zhuǎn)能力與更大的聲束有效角度范圍，還可以減少柵瓣，避免偽信號(hào)的產(chǎn)生。因此，對(duì)于薄壁對(duì)接焊縫，通常采用小晶片尺寸陣列和高頻率探頭，利用扇形多次反射波實(shí)施檢測(cè)。以6 mm厚鋼板對(duì)接焊縫為例，為保證在二次波至三次波深度范圍內(nèi)有更好的檢測(cè)效果，可設(shè)置相控陣探頭聲場(chǎng)-6 dB焦柱范圍為4~16 mm，不同角度的相控陣探頭聲場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4所示。
圖4 不同角度的相控陣探頭聲場(chǎng)強(qiáng)度分布
通過對(duì)薄壁管各參數(shù)進(jìn)行聲場(chǎng)仿真，確定采用頻率為5 MHz，晶片間距為0.31 mm的相控陣探頭，楔塊公稱角度為60°。
3、聲場(chǎng)仿真
模擬試件缺陷設(shè)計(jì)
為了研究相控陣超聲的缺陷檢出能力，設(shè)計(jì)制作了17塊含不同缺陷的鐵素體薄壁對(duì)接試件，所有試件厚度均為6 mm，且均保留焊縫余高。其中氣孔和夾渣缺陷設(shè)計(jì)尺寸（直徑）為1.2~1.5 mm，未熔合缺陷的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為5 mm和10 mm。
試塊中含27個(gè)氣孔缺陷、18個(gè)夾渣缺陷和6個(gè)未熔合缺陷，共計(jì)45個(gè)體積性缺陷和6個(gè)非體積性缺陷。
缺陷仿真計(jì)算
仿真計(jì)算采用與實(shí)際檢測(cè)一致的相控陣檢測(cè)工藝，靈敏度設(shè)置參照CIVA仿真計(jì)算結(jié)果，采用2 mm直徑長(zhǎng)橫孔設(shè)置TCG曲線。17個(gè)模擬試件中不同類型缺陷（如氣孔、夾渣以及未熔合）信息與仿真靈敏度計(jì)算結(jié)果如表3所示。
表3 模擬試件缺陷及其仿真與檢測(cè)結(jié)果
通過聲場(chǎng)仿真，可知當(dāng)前相控陣檢測(cè)工藝可以檢測(cè)出模擬試件所設(shè)計(jì)的缺陷。其中，氣孔的仿真與實(shí)測(cè)信號(hào)如圖5所示，未熔合的仿真與實(shí)測(cè)信號(hào)如圖6所示。
圖5 氣孔的缺陷仿真與實(shí)測(cè)信號(hào)
圖6 未熔合的缺陷仿真與實(shí)測(cè)信號(hào)
4、相控陣超聲檢測(cè)試驗(yàn)及應(yīng)用
模擬件檢測(cè)試驗(yàn)
試驗(yàn)過程中使用參考試塊上2 mm直徑長(zhǎng)橫孔作為反射體，對(duì)一次波到三次波范圍內(nèi)的孔，采用TCG模式設(shè)置靈敏度曲線。通過試驗(yàn)確定采用45°~75°的扇掃角度范圍，來實(shí)現(xiàn)所有角度的TCG曲線標(biāo)定。
然后采用標(biāo)定后的TCG曲線對(duì)模擬試件中45個(gè)體積型缺陷和6個(gè)非體積型缺陷實(shí)施超聲相控陣檢測(cè)，模擬試件缺陷檢測(cè)結(jié)果如表3所示。可見當(dāng)前模擬試件中所有缺陷均可被檢出，體積型缺陷的實(shí)測(cè)靈敏度與聲場(chǎng)仿真靈敏度符合度為80%，非體積型缺陷的實(shí)測(cè)靈敏度與聲場(chǎng)仿真靈敏度符合度為100%。氣孔和夾渣缺陷的相控陣超聲典型信號(hào)如圖7所示，未熔合缺陷的相控陣超聲典型信號(hào)如圖8所示。
圖7 氣孔和夾渣缺陷的相控陣超聲典型信號(hào)
圖8 未熔合缺陷的相控陣超聲典型信號(hào)
依據(jù)表1中RCC-M-2007或NB/T 20003-2010規(guī)范射線檢測(cè)驗(yàn)收準(zhǔn)則，對(duì)于壁厚不大于6 mm的薄壁對(duì)接焊縫不允許存在尺寸大于1.5 mm的單個(gè)氣孔或者單個(gè)夾渣。同時(shí)，基于表3中對(duì)于尺寸大于1.5 mm的單個(gè)氣孔或者單個(gè)夾渣的仿真和相控陣實(shí)測(cè)結(jié)果分析，22個(gè)ф1.5 mm氣孔缺陷中有18個(gè)幅值>ф2 mm-15 dB，7個(gè)ф1.5 mm夾渣缺陷中有5個(gè)幅值>ф2 mm-13.2 dB，且所有氣孔和夾渣類缺陷實(shí)測(cè)結(jié)果均大于ф2 mm-24 dB。因此，對(duì)于壁厚不大于6 mm薄壁對(duì)接焊縫的超聲相控陣檢測(cè)初步驗(yàn)收準(zhǔn)則如下：
（1）應(yīng)記錄靈敏度大于等于ф2 mm-24 dB的缺陷；
（2）凡判定為裂紋、未熔合和未焊透的缺陷顯示，評(píng)為不合格；
（3）靈敏度大于等于ф2 mm-15 dB或者長(zhǎng)度≥5 mm的缺陷顯示，評(píng)為不合格。
現(xiàn)場(chǎng)焊縫相控陣超聲檢測(cè)
在國(guó)內(nèi)某核電廠進(jìn)行PAUT技術(shù)驗(yàn)證，其大部分薄壁對(duì)接焊縫處于結(jié)構(gòu)限制或墻體阻擋狀態(tài)，另外約1000 m焊縫未受限制，對(duì)未受限制焊縫實(shí)施了射線檢測(cè)。其中，相控陣超聲檢出且RT評(píng)判為超標(biāo)缺陷的缺陷數(shù)量為309個(gè)，按照上述的初步驗(yàn)收準(zhǔn)則判定，其結(jié)果如表4和表5所示，對(duì)于所有309個(gè)RT超標(biāo)缺陷，PAUT的綜合判廢率為77%（72.5%+4.5%）。
表4 RT超標(biāo)缺陷PAUT反射波幅判定結(jié)果（≥ф2 mm-15 dB）
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RT超標(biāo)缺陷類型： |
非體積型缺陷 |
體積型缺陷 |
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PAUT判廢線 |
≥ф2 mm-15 dB |
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PAUT檢出的RT超標(biāo)缺陷數(shù)量 |
40 |
269 |
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PAUT判廢缺陷數(shù)量 |
36 |
188 |
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PAUT判廢率 |
90 |
69.9 |
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PAUT判廢率(合計(jì)) |
72.50% |
表5 RT超標(biāo)缺陷PAUT最大允許指示長(zhǎng)度判定結(jié)果（5 mm）
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PAUT超標(biāo)缺陷反射波幅 |
<ф2 mm-15 dB |
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PAUT最大允許指示長(zhǎng)度 |
5 mm |
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PAUT檢出的RT超標(biāo)缺陷數(shù)量 |
309個(gè) |
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PAUT判廢缺陷數(shù)量 |
14個(gè) |
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PAUT判廢率 |
4.50% |
薄壁對(duì)接焊縫驗(yàn)收準(zhǔn)則
射線檢測(cè)與相控陣超聲檢測(cè)屬于兩種不同的體積檢測(cè)方法，其中射線檢測(cè)對(duì)于體積性缺陷檢出率較高，超聲檢測(cè)對(duì)于非體積性缺陷檢出率較高。同時(shí)，壁厚不大于6 mm的薄壁對(duì)接焊縫受余高及焊縫內(nèi)外表面狀態(tài)等影響，結(jié)構(gòu)信號(hào)及變形波信號(hào)較多，缺陷較難判定。因此，結(jié)合模擬試件試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)焊縫的試驗(yàn)結(jié)果分析，認(rèn)為當(dāng)前的相控陣超聲初步驗(yàn)收準(zhǔn)則可作為最終驗(yàn)收準(zhǔn)則用于薄壁對(duì)接焊縫的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
工程應(yīng)用
采用該相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)某核電廠幾千米的薄壁對(duì)接焊縫實(shí)施自動(dòng)檢測(cè)，并檢出了大量缺陷，這些缺陷均經(jīng)過了打磨去除、修補(bǔ)、計(jì)算等處理。其中，某典型缺陷PAUT信號(hào)及形貌如圖9所示，經(jīng)數(shù)據(jù)分析得到一段長(zhǎng)46 mm的斷續(xù)顯示，采用砂輪機(jī)逐層（每層0.5 mm）去除焊縫，打磨約2 mm后發(fā)現(xiàn)多個(gè)夾渣和氣孔缺陷，可以看出其打磨結(jié)果與相控陣檢測(cè)結(jié)果完全一致。
圖9 某典型缺陷的PAUT信號(hào)及形貌
5、結(jié)語(yǔ)
通過聲場(chǎng)仿真、大量模擬試件缺陷檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)焊縫RT檢測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)焊縫中相控陣缺陷顯示信號(hào)與逐層挖鑿后氣孔、夾渣的一致性試驗(yàn)結(jié)果，給出了薄壁對(duì)接焊縫相控陣超聲驗(yàn)收準(zhǔn)則，對(duì)特定情況下的超聲檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)收具有很好的指導(dǎo)作用，對(duì)類似結(jié)構(gòu)焊縫的超聲檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)收具有借鑒意義。
