本文關(guān)鍵詞：厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)概述，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

2012年2月 林 莉等：厚壁鑄造奧氏體不銹鋼管道焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)概述 13

法。由于相控陣超聲聲束靈活可控，可對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行多角度、多方位的掃查，從而可以有效降低缺陷漏檢概率，提高檢測(cè)可靠性。PAUT還可檢測(cè)射線檢測(cè)難以穿透的厚壁構(gòu)件，并針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象靈活地選擇聚焦和檢測(cè)參數(shù)，從而提高檢測(cè)分辨力、靈敏度以及信噪比[8-10]。此外，通過(guò)采用先進(jìn)的相位偏差信號(hào)處理技術(shù)，有望減小CASS焊縫中由于頻散和波束偏移帶來(lái)的缺陷定位和定量誤差，進(jìn)而提高成像分辨力。美國(guó)電力研究院采用全自動(dòng)PAUT技術(shù)檢測(cè)壓水堆主管道上的CASS焊縫，一次掃查即可完成全焊縫的檢測(cè)，所需時(shí)間由整個(gè)班次工作時(shí)間縮短到5 min，甚至更少[11]，大大提高了檢測(cè)效率，降低了檢測(cè)成本。

早在20世紀(jì)80年代，英國(guó)的OGILVY[12]就開(kāi)始研究超聲波在CASS中的傳播模型。最近十年來(lái)，韓國(guó)的SONG等[13-14]對(duì)OGILVY 的模型進(jìn)行了改進(jìn)，并采用聲線示蹤法計(jì)算了相控陣超聲不同陣元在非均勻各向異性介質(zhì)中的延遲時(shí)間和入射角；英國(guó)的NAGESWARAN等[15]則采用電子背散射衍射技術(shù)對(duì)奧氏體不銹鋼焊縫的微觀組織進(jìn)行了分析；并模瑞典的LIU等[16]對(duì)各向異性焊縫進(jìn)行了分區(qū)，擬了超聲波在其中的傳播路徑；法國(guó)的MAHAUT等[17]使用CIVA軟件對(duì)超聲波在CASS中的傳播過(guò)程進(jìn)行了仿真。美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及某些超聲設(shè)備生產(chǎn)廠家在相控陣探頭設(shè)計(jì)和檢測(cè)設(shè)備的研制方面也做了大量工作[18-21]；德國(guó)夫瑯和費(fèi)無(wú)損檢測(cè)研究所提出了“采樣相控陣”和“反向相位匹配”的方法，致力于解決CASS等非均勻各向異性材料的超聲檢測(cè)難題[22-24]。我國(guó)的李衍等[25-26]對(duì)相控陣的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了深入闡述，為研究者提供了重要參考；賴溥祥等[27]對(duì)環(huán)形相控陣輻射聲場(chǎng)和反射聲場(chǎng)的基本特性進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，取得了良好的一致性；鄭中興等[28-29]則在大厚度奧氏體不銹鋼焊縫的檢測(cè)設(shè)備以及檢測(cè)工藝方面開(kāi)展了研究，研制了縱波斜射雙晶探頭并通過(guò)試驗(yàn)分析了各工藝參數(shù)對(duì)超聲檢測(cè)的影響；燕會(huì)明等[30]采用動(dòng)態(tài)光彈法研究了相控陣超聲波束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，并通過(guò)反演得到B掃描圖像；施克仁等[31]在提高相控陣二維、三維成像分辨力方面做了大量工作，提出了CASS焊縫中相位畸變的修正方法。

本文歸納了厚壁CASS管道焊縫PAUT技術(shù)的難點(diǎn)、超聲波在厚壁CASS管道焊縫中傳播規(guī)律的研究進(jìn)展，并重點(diǎn)介紹了數(shù)值模擬、相控陣參數(shù)優(yōu)化、信號(hào)處理等關(guān)鍵技術(shù)，期望能夠?yàn)楹癖贑ASS管道焊縫PAUT技術(shù)的研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 厚壁CASS管道焊縫PAUT技術(shù)的 難點(diǎn)分析

1.1 厚壁CASS管道焊縫超聲檢測(cè)的難點(diǎn) CASS焊縫具有粗大晶粒和彈性各向異性，，導(dǎo)致超聲波在組織中的傳播規(guī)律復(fù)雜，影響缺陷的檢測(cè)和評(píng)定。一般而言，奧氏體不銹鋼焊縫中的柱狀晶平均直徑在0.5 mm以上，晶粒長(zhǎng)度大于10 mm，超聲波傳播過(guò)程中將發(fā)生聲束彎曲導(dǎo)致缺陷定位不準(zhǔn)；而對(duì)于CASS母材，其不同區(qū)域晶粒尺寸變化范圍大(0.2～26.8 mm)，超聲波穿透區(qū)域的平均晶粒尺寸甚至可達(dá)17～20 mm(圖1)[21]，這種粗晶將引起超聲波嚴(yán)重衰減，超聲波束甚至不能進(jìn)入焊縫；另外，粗晶對(duì)超聲波的強(qiáng)烈散射導(dǎo)致出現(xiàn)大量林狀回波，大大降低了缺陷檢測(cè)的信噪比。

等軸晶

焊縫

柱狀晶

(a) CASS焊縫顯微結(jié)構(gòu)照片

柱狀晶 等軸晶

(b) CASS中的柱狀晶和等軸晶 (c) CASS焊縫中的聲束畸變

圖1 美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室CASS焊縫示意圖

對(duì)于厚壁CASS管道焊縫，由于材料厚度大，焊接應(yīng)力因整個(gè)構(gòu)件的變形而增大，嚴(yán)重時(shí)將誘發(fā)焊接裂紋[32]，從而對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。同時(shí)，厚度越大則晶粒越粗大，從而引起嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)噪聲和超聲波衰減，降低了檢測(cè)信噪比以及超聲波穿透能力。1999年，國(guó)內(nèi)編寫(xiě)了《奧氏體不銹鋼焊接接頭超聲波檢驗(yàn)規(guī)程》，但該規(guī)程主要針對(duì)厚度為10～50 mm的奧氏體不銹鋼對(duì)接焊縫的手工超聲波檢驗(yàn)，且只適用于對(duì)接接頭的檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，普通探頭難以檢測(cè)厚度大于60 mm的厚壁CASS管道焊縫[33]，必須采取其他辦法加以解決。

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