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不銹鋼標準
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寬頻帶窄脈沖TRL探頭在奧氏體不銹鋼焊管焊縫超聲檢測中的優越性

來源:至德鋼業 日期:2018-12-08 20:33:30 人氣:1243

由于奧氏體不銹鋼焊管焊縫具有晶粒粗大、各向異性的特性,因此在超聲波傳播過程中出現了波束轉向,散射嚴重,聲能嚴重衰減等現象,所以采用常規超聲探頭對這類焊縫進行超聲檢測存在信噪比和定量精度較低等困難。而寬頻帶窄脈沖一發一收(TRL)式雙晶縱波探頭,可以較好地克服這些困難。以273mm×30mm奧氏體不銹鋼焊管管道焊縫為例,驗證寬頻帶窄脈沖TRL探頭在奧氏體不銹鋼焊管焊縫超聲檢測中的優越性。

奧氏體不銹鋼焊管焊縫中,奧氏體粗大柱狀晶粒結構使得超聲波在傳播過程中產生較大的衰減和散射,同時還造成聲束和衰減的各向異性以及聲束的偏轉[1],引起較高的本底噪聲(林狀波),使信噪比大幅度下降,因此采用常規超聲探頭對此類焊縫進行超聲檢測存在較大的難度。

1奧氏體不銹鋼焊管焊縫的超聲波傳播特性

奧氏體不銹鋼焊管焊縫中,晶粒成長與各向同性的均勻晶粒(圖1(a))不同,一般沿著與焊接等溫線垂直方向成長并形成粗大柱狀晶如圖1(b)。柱狀晶組織具有非均勻性和各向異性的特點,所以超聲波在這類晶粒組織中的傳播具有以下幾種特性:

1.1聲速的各向異性

奧氏體不銹鋼焊管焊縫中彈性模量的各向異性會造成超聲波傳播速度的各向異性,聲波速度隨聲束方向與柱狀晶成長方向夾角的變化而變化。不同類型聲波在奧氏體不銹鋼焊管焊縫中傳播速度的各向異性如圖2所示。

1.2衰減的各向異性

奧氏體不銹鋼焊管焊縫中,超聲波的衰減也呈各向異性,也隨聲束方向與柱狀晶成長方向夾角的變化而變化。圖3是在奧氏體不銹鋼焊管焊縫中,兩種不同頻率縱波測出的衰減各向異性的結果。

1.3聲束的偏轉超聲波

在奧氏體不銹鋼焊管焊縫中傳播時,波陣面一般不與聲束傳播方向相垂直,聲束傳播方向與波陣面垂線方向的夾角稱為聲束偏轉角。有研究表明,縱波比橫波的波束偏轉角度要小,當縱波聲束與柱狀晶成長方向的夾角為45°左右時,聲束的偏轉角最小。

1.4林狀波

由于奧氏體不銹鋼焊管焊縫中晶粒十分粗大,柱狀晶粒軸向上的長度有時遠遠超過超聲波的波長,因此當超聲波入射到這些粗大晶粒上時,將會產生很強烈的散亂反射,被散射的超聲波沿著復雜的路徑傳播回探頭,在顯示屏上引起林狀回波(又稱為草狀回波),使得信噪比下降,嚴重時噪聲信號會湮沒缺陷信號。

2超聲檢測中探頭的選用

奧氏體不銹鋼焊管焊縫的超聲檢測在選用超聲探頭和提高檢測性能方面,應考慮如下幾點:

(1)選用頻率較低的超聲波探頭,以減小聲束的散射和衰減,增加超聲波的穿透能力。

(2)一般優先考慮使用縱波(LW)探頭,因為對于粗晶材料而言,在同樣的聲束與晶粒成長方向夾角條件下,縱波比橫波的波束偏轉角度要小,利于缺陷的準確定量。

(3)使用寬頻帶窄脈沖探頭,以抑制林狀波干擾,提高檢測的信噪比和分辨率,利于對缺陷的準確定量。

(4)使用一發一收式雙晶探頭,可以減小干擾信號,提高檢測的信噪比。

(5)對缺陷的定量優先采用45°探頭,因為縱波聲束與柱狀晶成長方向成45°左右時,在柱狀晶中的偏轉角最小。目前針對奧氏體不銹鋼焊管焊縫超聲檢測中,被廣泛選用的就是寬頻帶窄脈沖TRL探頭,如圖4所示。

結合超聲理論以及上述聲波傳播特性分析,選用寬頻帶窄脈沖TRL探頭的主要原因是:①相同頻率的探頭,橫波散射比是縱波散射比的24倍,縱波比橫波的聲衰減要小,穿透能力要強。②縱波聲束的偏轉角比橫波聲束的偏轉角相對要小。③在聲束的聚焦區域可以得到較高的檢測靈敏度和信噪比。④避免了由界面或楔塊回波造成的雜亂波影響,有效減少了干擾信號。⑤寬頻帶窄脈沖提高了檢測的信噪比和分辨率。

3TRL探頭優越性驗證

3.1探頭

為了進行對比,除了選用頻率2MHz的45°寬頻帶窄脈沖TRL探頭,還選用了同為2MHz頻率的其它型式45°探頭進行驗證試驗,探頭型號如表1所示。

3.2試件

試件:273mm×30mm的奧氏體不銹鋼焊管管道對接焊縫試件,在焊縫中心線上埋有沿焊縫方向垂直于焊縫表面的模擬裂紋人工缺陷(0.2mm寬EDM槽),一共設置10個缺陷。1#-4#為外表面開口缺陷,5#-8#為焊縫內部缺陷,9#-10#為內表面開口缺陷,如圖5所示。試件缺陷信息見表2。

3.3儀器使用CTS-2000數字型超聲波探傷儀。

3.4缺陷定量技術

3.4.1缺陷顯示自身高度的測量

當發現缺陷顯示有端點信號時,則利用該端點信號測量缺陷的自身高度,如圖6所示。(T=焊縫厚度;H=缺陷高度;h=缺陷端點到探測面垂直距離)

3.4.2缺陷顯示長度的測量

采用-6dB法測長,即采用左右平行移動探頭,使缺陷信號最高幅值降6dB的方法測量缺陷顯示的長度。

3.5試驗結果

利用不同類型探頭對試件進行檢測,根據檢測結果對比不同類型探頭的缺陷檢測能力,包括能否檢測出缺陷,缺陷信號信噪比和分辨率。具體對比結果見表3。

通過表3可以看出:在不銹鋼焊管管道焊縫檢測中,縱波探頭的缺陷檢測能力比橫波探頭要高;寬頻帶雙晶縱波探頭的信噪比優于窄頻帶雙晶縱波探頭和單晶縱波探頭;寬頻帶雙晶縱波探頭缺陷信號的分辨能力優于窄頻帶雙晶縱波探頭和單晶縱波探頭。使用45°寬頻帶窄脈沖TRL探頭時,所有10個缺陷都被檢測到,且均能找到端點信號,圖7為典型的缺陷回波信號圖。缺陷信號的最大幅值都在2mm橫孔-8dB以上,信噪比都在6dB以上。采用上述3.4節中的缺陷定量技術進行缺陷自身高度測量和長度測量,測量結果與實際值的對比見表4。缺陷長度測量偏差的統計見圖8,缺陷自身高度測量偏差的統計見圖9。缺陷長度的測量偏差范圍為-3.0~3.0mm,缺陷自身高度的測量偏差范圍為-1.47~1.51mm。(測量偏差=測量值-實際值)。

4結論

對于厚度為30mm的薄壁奧氏體不銹鋼焊管焊縫,45°寬頻帶窄脈沖TRL探頭具有較高的探測靈敏度和信噪比,能夠可靠有效地探測出缺陷并發現缺陷的端點信號,利用缺陷的端點信號進行自身高度測量以及利用-6dB法進行長度測量能夠達到較為滿意的測量精度。不過,對于真實裂紋,特別是閉合緊密的裂紋進行定量測量時,由于其開口寬度很小,其定量偏差將會大于上述試驗統計的偏差值。另外,當焊縫厚度較大時,可采用37°寬頻帶窄脈沖TRL探頭進行檢測,當焊縫厚度較小時,也可采用60°寬頻帶窄脈沖TRL探頭進行檢測。

寬頻帶窄脈沖TRL探頭在奧氏體不銹鋼焊管焊縫超聲檢測方面具有較強的優越性,能夠有效提高此類粗晶材料的超聲檢測能力和缺陷定量的準確性。對于不同規格,不同厚度的奧氏體不銹鋼焊管焊縫,可以通過選用不同頻率,不同聚焦范圍的探頭,以實現對該類焊縫可靠有效的超聲檢測。

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