CN106680374A - 一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检测方法 - Google Patents

Abstract

一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检测方法，属于超声无损检测与评价技术领域。该方法采用一套包括相控阵超声检测仪、相控阵超声探头及配套楔块、集成相控阵操作系统的计算机、扫查器和校准试块构成的超声测试系统。针对壁厚超过70 mm的带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝，选择相控阵超声探头及楔块，搭配聚焦参数和超声参数对合金钢焊缝及堆焊区域实施检测，并对缺陷进行定量、定位。利用本方法可实现被检区域的全覆盖，克服射线检测对裂纹、未熔合等面积型缺陷不敏感且无法对缺陷深度定量，常规超声检测技术检测灵敏度低、检测效率低等缺点，具有较高的经济效益和社会效益。

Description

一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检 测方法

技术领域

本发明涉及一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检测方法，属于超声无损检测与评价技术领域。

背景技术

核电站中许多关键构件采用合金钢制造，并考虑到耐腐蚀等特殊要求，内衬奥氏体不锈钢堆焊层。如反应堆压力容器、主泵和蒸汽发生器两两之间的主管道与主管道对接焊缝，其中合金钢基体及合金钢焊缝部分厚度约为60-66 mm，堆焊层厚度约为5-15 mm。此类焊缝制造工艺复杂，在焊接过程中易产生裂纹、未熔合等危害性极大的面积型缺陷，直接影响核电站的安全运行。研究开发准确、可靠的带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝无损检测方法是极具工程价值和现实意义的。

目前，ASME第Ⅲ卷NE分册要求对所有对接焊缝进行100%射线检测。然而，射线检测存在面积型缺陷易漏检、缺陷深度无法确定等问题，且对于此类厚壁合金钢焊缝，检测时必须使用较高的能量和较长的曝光时间，导致辐射防护非常困难，且检测效率低。法国RSEM规范中提出需要对堆焊层下附近区域实施超声检测，但不锈钢堆焊层包含粗大晶粒，导致超声波衰减增大，常规超声检测灵敏度下降；同时，常规超声检测时需不断移动探头位置进行扫查，检测效率低。

与上述检测方法相比，相控阵超声检测技术（Phased Array UltrasonicTesting，PAUT）能够通过电子方式控制多晶片激励延时，灵活实现声束的偏转聚焦及多角度电子扫查，提高检测灵敏度；检测过程中无需反复移动相控阵超声探头，且缺陷可以通过多视图成像显示，检测效率高。这为带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝检测提供了新的思路。

发明内容

本发明的目的是提供一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检测方法。该方法通过调整相控阵超声探头中各阵元激励（或接收）脉冲的时间延迟，优化控制焦点位置、焦区尺寸和声束方向，改善声束可达性，并提高检测分辨力、信噪比和灵敏度，通过三次扫查实现合金钢焊缝与堆焊区域的全覆盖和缺陷的精确定量、定位检测。

本发明所采用的技术方案是：一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检测方法，采用包括Omiscan MX2相控阵超声检测仪、Tomoview操作系统、相控阵超声探头及配套楔块、扫查器和校准试块构成的检测带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝的检测系统，其采用的测量步骤如下：

（1）对合金钢基体表面进行处理，保证无油漆、无疏松氧化皮、无干耦合剂及其它影响超声波传播或妨碍探头自由移动的杂物及表面不平整，确保表面粗糙度Ra不超过6.3；合金钢焊缝必须具有清晰标识，包括焊缝位置标识线和焊缝位置参考点；在合金钢焊缝轴向两侧至少各300 mm范围内，周向整圈至少300 mm内的空间范围，应无任何影响相控阵超声探头扫查的障碍；

（2）在Tomoview操作系统内建立模型，从合金钢基体侧进行扫查，采集不同位置点的底面反射回波，计算材料声速；

（3）根据被检焊缝的尺寸和声速测量结果，选择相控阵超声探头与楔块；连接相控阵超声探头、Omiscan MX2相控阵超声检测仪与扫查器，组装相控阵超声检测系统；采用校准试块对楔块延时与声速、角度灵敏度和时间补偿增益实施校准；

（4）合理设置聚焦深度、偏转角度、脉冲重复频率参数；为确保合金钢焊缝及堆焊区域的声束全覆盖，选择平楔块配合相控阵超声探头置于合金钢焊缝正上方，沿焊缝方向进行扫查；选择斜楔块配合相控阵超声探头置于合金钢焊缝左、右两侧，分别沿焊缝方向进行扫查；

（5）对被检焊缝实施相控阵超声检测，采集扇扫查图像和Ｂ扫查图像，并利用Tomoview操作系统进行图像调用，结合-6 dB法对缺陷进行定量、定位。

本发明的有益效果是：利用相控阵超声成像检测方法，通过三次扫查实现带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝中被检区域的全覆盖，提高了检测效率；优化相控阵聚焦位置、焦区尺寸和声束方向，提高检测灵敏度与缺陷定量、定位精度。该方法克服了射线检测技术辐射防护困难、检测效率低、对危害性极大的面积型缺陷不敏感且无法对缺陷深度定量等缺点；常规超声检测技术检测灵敏度低、检测效率低等问题。本发明可快速、准确地实现核电站带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝的成像检测，且现场检测结果稳定，对核电站的安全运行具有重大意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检测方法所用装置的硬件结构连接示意图。

图2是相控阵超声检测高度3.0 mm、长度12.0 mm的堆焊层底面开口槽缺陷的扇扫查结果。

图3是相控阵超声检测高度3.0 mm、长度12.0 mm的堆焊层底面开口槽缺陷的B扫查结果。

图4是相控阵超声检测深度55.0 mm、高度4.0 mm的埋藏型分层缺陷的扇扫查结果。

具体实施方式

一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检测方法，采用的检测系统如图1所示，具体包括Omiscan MX2相控阵超声检测仪、Tomoview操作系统、相控阵超声探头及配套楔块、扫查器和校准试块。所述检测过程如下：

（1）被检对象为壁厚超过70 mm的带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝，其中合金钢基体部分厚度约为60-66 mm，堆焊层厚度约为5-15 mm。对合金钢基体表面进行处理，清除表面的油漆、疏松氧化皮、干耦合剂等杂物。同时，确保合金钢焊缝轴向两侧至少各300 mm范围内，周向整圈至少300 mm内的空间范围没有任何障碍物，使相控阵超声探头能够在接触表面上完全自由移动。

（2）根据被检焊缝信息，在Tomoview操作系统内建立模型，选择主频5 MHz相控阵超声探头从合金钢基体侧进行扫查，采集不同位置点的底面反射回波，依据回波信号到达时间计算平均纵波声速，在Tomoview操作系统中设定材料纵波声速为5766 m/s。

（3）选择主频5 MHz 32阵元相控阵超声探头及配套的平楔块和斜楔块。连接相控阵超声探头、Omiscan MX2相控阵超声检测仪与扫查器，组装相控阵超声检测系统。利用校准试块中不同深度的反射孔，移动探头并设置超声增益，保证A扫信号的最高幅度在80%屏高附近，依据反射孔的实际位置完成楔块延时与声速、角度灵敏度和时间补偿增益的校准。

（4）连接相控阵超声探头及平楔块，置于合金钢焊缝正上方，沿焊缝方向进行扫查，扫查方式为扇扫查结合B扫查，其中扇扫查偏转角度范围为-40度至＋40度；连接相控阵超声探头及斜楔块，在合金钢焊缝左、右两侧沿焊缝方向各进行一次扫查，超声从斜楔块进入合金钢基体的出射角度为60度，扫查方式为扇扫查结合B扫查，其中扇扫查偏转角度范围为35度-75度，以确保堆焊层与合金钢焊缝结合处，及堆焊层内部的声束全覆盖。

（5）对被检焊缝实施相控阵超声检测。图2和图3分别给出高度3.0 mm、长度12.0mm的堆焊层底面开口槽缺陷的扇扫查和B扫查结果，结合-6dB法，高度和长度定量结果分别为2.7 mm和12.4 mm；图4给出深度55.0 mm、高度4.0 mm的埋藏型分层缺陷的扇扫查结果，结合-6dB法，深度和高度定量结果分别为56.0mm和4.4 mm。缺陷的定量、定位检测精度较高，满足工程检测需求，具有较高的应用推广价值。

Claims (1)

1.一种带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝相控阵超声成像检测方法，其特征是：采用包括Omiscan MX2相控阵超声检测仪、Tomoview操作系统、相控阵超声探头及配套楔块、扫查器和校准试块构成的检测带不锈钢堆焊层的大厚壁合金钢焊缝的检测系统，其采用的测量步骤如下：

（1）对合金钢基体表面进行处理，保证无油漆、无疏松氧化皮、无干耦合剂及其它影响超声波传播或妨碍探头自由移动的杂物及表面不平整，确保表面粗糙度Ra不超过6.3；合金钢焊缝必须具有清晰标识，包括焊缝位置标识线和焊缝位置参考点；在合金钢焊缝轴向两侧至少各300 mm范围内，周向整圈至少300 mm内的空间范围，应无任何影响相控阵超声探头扫查的障碍；

（2）在Tomoview操作系统内建立模型，从合金钢基体侧进行扫查，采集不同位置点的底面反射回波，计算材料声速；

（3）根据被检焊缝的尺寸和声速测量结果，选择相控阵超声探头与楔块；连接相控阵超声探头、Omiscan MX2相控阵超声检测仪与扫查器，组装相控阵超声检测系统；采用校准试块对楔块延时与声速、角度灵敏度和时间补偿增益实施校准；

（4）合理设置聚焦深度、偏转角度、脉冲重复频率参数；为确保合金钢焊缝及堆焊区域的声束全覆盖，选择平楔块配合相控阵超声探头置于合金钢焊缝正上方，沿焊缝方向进行扫查；选择斜楔块配合相控阵超声探头置于合金钢焊缝左、右两侧，分别沿焊缝方向进行扫查；

（5）对被检焊缝实施相控阵超声检测，采集扇扫查图像和Ｂ扫查图像，并利用Tomoview操作系统进行图像调用，结合-6 dB法对缺陷进行定量、定位。