8.0mm厚奧氏體不銹鋼對接焊縫的超聲波檢測

  浙江至德鋼業(yè)有限公司通過用超聲波縱波垂直入射、傾斜入射兩種方法來分析8.0mm奧氏體不銹鋼對接焊縫柱狀組織對超聲波的衰減過程和影響因素，并采取適當(dāng)措施進(jìn)行超聲波檢測的可行性分析。

 尿素合成塔是化肥裝置的關(guān)鍵設(shè)備。某廠尿素合成塔自2001年2月發(fā)生第一筒節(jié)泄漏事故，當(dāng)時(shí)8.0mm厚的316L不銹鋼襯里層板對接焊縫被甲銨液腐蝕穿，上封頭與第一筒節(jié)的對接焊縫以及第一層板的不銹鋼母材區(qū)還多處存在不同深度和寬度的腐蝕坑。經(jīng)過搶修及年度大修，雖然消除了腐蝕損壞碳鋼筒體的宏觀泄漏，但在開車運(yùn)行一年的過程中，一直存在著微細(xì)的滲漏，這種滲漏在常規(guī)的0.5MPa壓力下氨試漏查不出來，而在19.6MPa工作壓力下卻會(huì)產(chǎn)生。用化學(xué)方法定量分析，每24小時(shí)最大漏氨量為260克，這說明該筒節(jié)不銹鋼襯里層板存在不致密性的缺陷，這個(gè)不安全因素時(shí)刻危及塔體的安全。

 基于上述原因，2002年11月對第一筒節(jié)舊襯里進(jìn)行全部更換。新襯里對接焊縫雖然沒有強(qiáng)度指標(biāo)，但對致密性的要求很高，不允許焊縫有裂紋、未熔合、未焊透、密集氣孔、嚴(yán)重收縮溝等缺陷。為保證良好的焊縫質(zhì)量，除了有可靠的焊接工藝和過硬的焊工施焊之外，還需要通過對焊縫進(jìn)行無損檢測，從而最終達(dá)到對焊縫質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)和控制的目的。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，對接焊縫無法進(jìn)行射線檢測，其它表面檢測方法也不能滿足要求。目前還沒有現(xiàn)成的不銹鋼對接焊縫超聲波檢測標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文試圖用超聲波縱波垂直入射、傾斜入射兩種方法來分析奧氏體不銹鋼柱狀組織對超聲波的衰減過程和影響因素，并采用適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行超聲波檢測的可行性分析，從而達(dá)到檢出缺陷的目的。

一、焊縫結(jié)構(gòu)型式及焊接參數(shù)

  1. 焊縫結(jié)構(gòu)型式

  新襯里板之間的縱向和環(huán)向?qū)雍缚p帶有30×2mm墊板，而上、下兩面對接環(huán)焊縫的墊板是在其原環(huán)焊縫的不銹鋼堆焊層上打磨出來的，寬度10-15mm，厚度約2mm。焊縫為單V60度坡口，間隙2mm。

  2. 焊接參數(shù)

  所有對接焊縫采用氬弧焊打底，中間兩道電焊，上層氬弧焊蓋面。氬弧焊采用直徑2mm的25-22-2焊絲，焊接電流80~90A，氬氣流量9~12升/分，蓋面時(shí)力求焊波均勻光滑，手工電弧焊采用直徑3.25mm的25222焊條，焊接電流80~100A，在保證焊透的基礎(chǔ)上，盡量采用較小的電流強(qiáng)度。

二、奧氏體組織的超聲衰減分析

  奧氏體組織超聲波檢測的主要難點(diǎn)是如何解決超聲波衰減的問題。對奧氏體組織來講，超聲波衰減最主要的原因是晶粒組織的散射衰減。這種衰減，一方面與所用的超聲波波長、波型及脈沖寬度有關(guān)：另一方面與被檢材料本身的特性有關(guān)，尤其是晶粒組織。一般認(rèn)為，金屬晶粒粗大就很難進(jìn)行超聲波檢測。從金屬結(jié)晶學(xué)知道，鐵素體鋼中，粗大晶粒通過y-a相變可使晶粒細(xì)化，而奧氏體鋼冷卻過程中y-y沒有相變，其晶粒粗大。奧氏體不銹鋼焊縫便是晶粒粗大的柱狀組織，這種柱狀組織表現(xiàn)出對超聲波有明顯的散射作用，在晶界會(huì)發(fā)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。其原因就是由于晶粒粗大，結(jié)晶方向不一致，所以在每個(gè)晶粒中超聲波傳播方向都不一樣，表現(xiàn)出的聲速也不一樣，從而引起信噪比低下，不易分辨缺陷信號(hào)，使超聲波檢測難以實(shí)施。

三、檢測實(shí)施的可行性分析

  理論上認(rèn)為，奧氏體組織用超聲波檢測時(shí)采用以下幾種方法可減小其影響：

  1. 用縱波探測可減小衰減。奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，縱波波長約為橫波波長的兩倍。由于波長大，衰減小：波長小，衰減大。因此采用縱波檢測可使柱狀組織對超聲波的衰減影響減小。

  2. 采用低探測頻率探頭。頻率大小對衰減影響很大，頻率愈高，衰減愈大，穿透力愈低。奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，宜選用較低的頻率。

  3. 采用合適的探頭晶片。大晶片探頭波束指向性好，波束寬度小，可以減少晶粒散射的面積。

  采用雙晶探頭。雙晶探頭的發(fā)射與接收分開，消除了壓電晶片與延遲塊之間的反射雜波，同時(shí)由于使脈沖未進(jìn)入放大器，克服了阻塞現(xiàn)象，因而雜波少，盲區(qū)小。采用了延遲塊，使得工件中的近場區(qū)長度較小。

  通過對8.0mm厚25-22-2不銹鋼襯里對接焊縫模擬試板的晶粒度測定，得知其焊縫區(qū)平均晶粒度約為0.1mm。這種較小晶粒及較薄壁厚是能夠使用超聲波進(jìn)行檢測的有利條件。據(jù)資料介紹，當(dāng)入≥10d時(shí)（d為晶粒平均尺寸），晶界回波較弱，適宜超聲波檢測：當(dāng)入≤5d時(shí)，晶界回波強(qiáng)烈，不適宜超聲波檢測。當(dāng)使用探測頻率為0.5MHz時(shí)，測得其衰減系數(shù)為0.02dB/mm：當(dāng)使用的探測頻率為2.5MHz時(shí)，測得其衰減系數(shù)為0.04dB/mm。

  實(shí)踐中，檢測奧氏體組織焊縫時(shí)所選用的縱波斜探頭和雙晶直探頭可以滿足上述理論依據(jù)。雙晶直探頭存在一個(gè)交叉的菱形區(qū)，在此菱形區(qū)內(nèi)，裂紋等面積型缺陷的反射波與體積型缺陷的反射波在回波高度、時(shí)間掃描及波形上存在諸多不同的地方，因此比較容易加以區(qū)別。同時(shí)采用雙晶直探頭測定未焊透至探測面的距離比較準(zhǔn)確，對氣孔密集程度的分辨比較直觀可信。所以，利用縱波斜探頭檢測后再用雙晶直探頭對檢測后的缺陷進(jìn)行定性、定量、定位并加以比較，其效果較為明顯。汕頭公司生產(chǎn)的CTS-26型超聲波探傷儀，具有較強(qiáng)的分辨力和聲脈沖穿透能力，頻率范圍也較寬，能夠滿足現(xiàn)場使用要求。

四、探頭選擇與試塊制作

  1. 探頭選擇

  在本檢測方法中，考慮到檢測靈敏度、板厚及現(xiàn)場實(shí)際情況，選用的探頭為：①. 2.5P8×8B60°縱波斜探頭：②. 2.5P4×11雙晶直探頭。

 2. 標(biāo)定試塊

  被檢工件薄，聲程短，一、二次波定位不準(zhǔn)，故用同材質(zhì)等板厚板制作標(biāo)定試塊，用來調(diào)節(jié)時(shí)間掃描比例。

   8.0mm薄板的作用：利用薄板一次至四次回波制作雙晶直探頭距離——波幅曲線。

   p1x40長橫孔作用：利用不同距離長橫孔制作縱波斜探頭距離——波幅曲線。

 3. 模擬試板

  采用同材質(zhì)等板厚、同一焊接工藝，按預(yù)先設(shè)定的模擬缺陷制作模擬試板，利用各種設(shè)定的已知缺陷作參考靈敏度，該試板經(jīng)過RT探傷后得知缺陷的性質(zhì)、數(shù)量及位置，同時(shí)再用雙晶直探頭探測，定出缺陷在焊縫中的自身高度。

五、判傷基準(zhǔn)要求

  參照預(yù)先設(shè)定的模擬缺陷，以模擬試板根部自身高度2mm未焊透的回波高度（取60%）作為判廢返修基準(zhǔn)；以模擬試板中10mm×10mm×8mm、焊區(qū)中p0.5-1mm×6個(gè)點(diǎn)狀缺陷能被分辨出2~3個(gè)30%以上回波高度作為判廢返修基準(zhǔn)：根據(jù)動(dòng)態(tài)波形和靜態(tài)波形判為未熔合的應(yīng)判廢返修，發(fā)現(xiàn)根部缺陷的回波高度大于參考線且有一定的指示長度作為記錄缺陷。

六、檢測結(jié)果

  在上述參考靈敏度及判廢返修基準(zhǔn)下，檢測出所有焊接接頭都存在小氣孔，而需返修的有五處，現(xiàn)場返修出來的缺陷與檢測結(jié)果比較一致，經(jīng)返修后合格。

七、結(jié)論

  1. 8.0mm厚奧氏體不銹鋼對接焊縫超聲波檢測無標(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行，且25-22-3奧氏體不銹鋼焊縫晶粒粗大，難于用常規(guī)的超聲波探傷方法進(jìn)行檢測。

  2. 本方法采用縱波斜探頭探測，再用雙直探頭校驗(yàn)，避免將假信號(hào)誤判為缺陷信號(hào)，結(jié)果比較準(zhǔn)確。

  3. 使用標(biāo)定試塊來調(diào)節(jié)時(shí)間掃描比例較為準(zhǔn)確、而且實(shí)用。

  4. 采用半波高度法對缺陷進(jìn)行定量測長，結(jié)果與現(xiàn)場返修情況基本相近。

  5. 對密集氣孔的數(shù)量、大小與回波高度的關(guān)系、密集氣孔的分辨能力等采用模擬缺陷對比法，還有待進(jìn)一步完善。