邓波 郭少宏 曹福想 郑文江
(广东省特种设备检测院佛山分院 广东528000)
摘要：本文通过对超声波应用于薄板奥氏体不锈钢对接焊接接头的研究和试验，开发了薄板奥氏体不锈钢对接焊接接头超声检测和质量分级方法。试块探伤试验和现场实物检测试验表明，对板厚为3～10mm的在用压力容器奥氏体不锈钢对接焊缝及母材，辅以超声波探伤，可以及时发现奥氏体不锈钢容器在对接焊缝，封头扳边处，支座角焊缝母材等处存在各种形式的裂纹或缺陷，避免出现容器的失效事故。
关键词：薄板奥氏体不锈钢、对接焊缝、超声波探伤
Development of UT of Butt-Welds for Austenitic Stainless Steel Thin Plate
Deng Bo， Guo Shaohong， Cao Fuxiang， Zheng Wenjiang，
Foshan Branch of Guangdong Inspection Institute for Special Equipments， Foshan 528000
Abstract：Based on the research and test of UT, this article developed a method of UT and quality grading which were applied to the butt weld of austenitic stainless steel thin plate. According to the method, the test block testing and on-site testing showed that various forms of cracks or defects of pressure vessels, which were made with 3～10mm thick austenitic stainless steel plate, could timely detected by UT. It could avoid the vessel failure accidents.
Key words：austenitic stainless steel thin plate， butt welded joint， UT
前言
薄板奥氏体不锈钢(指厚度3≤δ＜10mm的板材)在压力容器中应用十分广泛。对在用奥氏体不锈钢压力容器来说，很多缺陷都是内部缺陷。而采用射线探伤有其局限性，如不能检测在用固定管壳式换热器焊缝等。因此应用超声波探伤，对压力容器检验有着重要的实用价值和推广意义。2009年，我院组织课题组开展对薄板奥氏体不锈钢对接焊接接头超声波探伤的研究工作。2010年，本课题申报国家质检总局2010年度科技计划项目获批（项目任务书计划编号2010QK062）。本文是在前期研究工作的基础上，对课题的研究进展做一介绍。
超声横波应用于薄板奥氏体不锈钢对接焊接接头的机理与可行性
超声波在奥氏体不锈钢中传播时，其衰减主要由两部分组成，即吸收和散射，纯吸收主要与探头的频率有关。一般可通过增强发射电压和增益及选择合适的探头来减少吸收衰减带来的影响。一般比较难以解决的是散射带来的影响，这是由于散射在反射波中不仅减小了缺陷和底面反射波的高度，而且产生了很多传播时间不同的反射波，即所谓的林状回波，而真正的反射波隐匿在其中。散射衰减系数as与材料本身的关系如下[1] [2]：
※国家质检总局科技计划项目，项目编号： 2010QK062
式中，f——声波频率；
d——介质的晶粒直径；
F——各项异性系数；
λ——波长；
c2、c3、c4——常数。
与厚板相比，薄板奥氏体不锈钢焊缝的铸态组织不明显。对薄板奥氏体不锈钢焊缝进行金
相检测，如图1所示。图中左侧晶格较大者为母材区，右侧晶格较小者为焊缝区，中间过渡区为热影响区。通过比较，发现奥氏体不锈钢焊缝和热影响区不会有明显的晶粒长大现象。在频率一定时，由于本文研究对象为薄板焊缝，其壁厚仅为3~10mm，所以在其他参数选择合适的情况下，二者的乘积所决定的衰减不足以影响超声波检验薄板奥氏体不锈钢焊缝。
图1 薄板奥氏体不锈钢焊缝金相图（×500）
对奥氏体不锈钢焊缝采用纵波斜探头，当厚度δ＜10mm时，用一次波法存在检测盲区，无法满足探伤要求，必须要用二次波和三次波进行探伤。但采用纵波斜入射探伤时，一次波就有纵波和横波两种波在工件中传播产生波型转换，经底面反射后出现四种波在工件中传播，给缺陷的定位和判别带来极大的困难。因此，对薄板奥氏体不锈钢焊缝采用纵波探伤是较为困难的，而采用横波进行二次波和三次波探伤具有探伤声程较短，声波衰减较少等优势。
3. 超声横波应用于薄板奥氏体不锈钢对接焊接接头的研究
3.1对比试块的研究改进
我们早期设计的试块，中间没有对接焊缝。由于奥氏体不锈钢焊缝与母材存在超声波声速的差异，这将影响到扫描速度的调节误差及反射波幅的变化。因此，在改进后的对比试块中间设置对接焊缝，并将焊缝余高磨平，避免余高对扫描速度调节的影响。（见图2）
注：图中1、2分别表示焊缝两侧超声波探伤扫查面
图2 改进后对比试块
线切割槽深度为板厚的10%，试块表面粗糙度与被测工件一致。
3.2通过薄板奥氏体不锈钢焊缝的超声波衰减试验
为了考察超声横波通过薄板奥氏体不锈钢焊缝的衰减情况，利用图2所示的试块，采用不同规格的探头，进行超声横波通过薄板奥氏体不锈钢焊缝与仅经过母材区域的扫描速度及反射波幅的试验。 试验情况表明：
（1）对3～9.5mm范围不同厚度的试块， 超声横波通过薄板奥氏体不锈钢焊缝后的衰减比率为64：30，即有64组数据是超声横波通过薄板奥氏体不锈钢焊缝后呈衰减的，有30组数据是超声横波通过薄板奥氏体不锈钢焊缝后没有呈衰减的。因此，可以初步推断超声横波是否通过焊缝后其衰减不一定呈正相关关系。
（2）在超声横波是否通过焊缝检测得到的缺陷反射波高dB差值的94组数据中，只有一组dB差值为11.5dB，超过JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》标准中附录N.3.2[3]中的要求，其余均满足。因此可以初步推断即使超声横波通过焊缝导致衰减，也不影响探伤。
3.3 距离－波幅曲线及扫描速度的调整方法改进
在试验的第1阶段，先用碳钢制作的CSK—IA试块作零位校正和调整扫描速度，按水平1：1定位，然后在不带焊缝的薄板试块上作扫描速度修正。根据有关资料介绍[4]~[6]及我们的实验结果，奥氏体不锈钢焊缝与母材存在超声波声速的差异，这将影响到扫描速度的调节误差及反射波幅的变化，因此，在试验的第2阶段，扫描速度(时基线比例)的调节改在带焊缝的薄板试块上进行。
根据试验情况及参照JB4730.3-2005《承压设备无损检测》[3]，改进后的奥氏体不锈钢焊缝超声波扫描速度的调节和距离-波幅曲线制作方法如下：
3.3.1 利用薄板试块调节
3.3.1.1先用碳钢制作的CSK—IA试块作零位校正和调整扫描速度，按水平1：1定位，然后根据不同工件厚度在图1所示带焊缝薄板试块上作扫描速度修正，调节扫描速度时应注意2点：1、应在焊缝两侧均要进行；2、奇次反射波和偶次反射波均要进行（这是对零位校正的再次修正），记录每个位置的定位误差，以便为探伤定位作参考。
3.3.1.2 距离-波幅曲线的制作
方法1：在焊缝薄板试块上使线切割槽在检测面位置，超声波通过焊接接头，探头垂直线切割槽前后移动，得出两个或两个以上反射波，由此形成距离－波幅曲线(建议线切割槽深度为板厚的10%)，判废线：0dB，定量线：-8dB， 测长线：-8dB。(测长线与定量线相同)。
方法2：超声波仅通过母材，形成距离-波幅曲线，再与通过焊接接头的反射波对照，补偿相应的衰减量(通过补偿增益，使反射波高点落在判废线上)。
定量线以下区域为Ⅰ区，定量线至判废线以下区域为Ⅱ区，判废线及以上区域为Ⅲ区。判废线RL、定量线SL、评定线EL的灵敏度见表1。
表1 距离—波幅曲线灵敏度
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板厚，mm
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3≤T＜10
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判废线
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10%T×30
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定量线
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10%T×30－8dB
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评定线
|
10%T×30－8dB
|
3.3.2利用JB/T4730.3-2005附录N图N.1试块[3]调节
JB/T4730.3-2005附录N[3]提出了奥氏体不锈钢焊缝探伤方法，能否利用其试块和距离-波幅曲线用横波斜探头进行薄板奥氏体不锈钢焊缝探伤。为此我们进行了采用线切割槽与φ2×30横通孔两种反射体的对比试验，用4730.3-2005附录N图N.1试块[3]作距离-波幅曲线，对φ2横通孔及不同规格的线切割槽测试。结果证明：用4730.3-2005附录N[3]图N.1试块（反射体为φ2×30横通孔）调节时基线，与采用线切割槽的薄板试块比较，其二者相差0.5～1.3 mm之间，其结果还是可以接受的。但在试验时发现，探头位于试块中间其反射波幅要比位于试块边缘高9 dB，经三氯化铁溶液腐蚀,发现探头探测面位于焊缝横截面的水平位置上,焊缝坡口为X型（图3）。试块中间的焊缝水平投影长度(即坡口间隙)为2mm，试块边缘的焊缝水平投影长度为20 mm，这正是探头位于试块中间其反射波高要比位于试块边缘高9 dB的原因。因而，用该种焊接结构焊成的图N.1试块不适用于距离-波幅曲线的制作。
图3 N.1试块焊缝探伤位置图
3.4 薄板奥氏体不锈钢对接焊接接头超声检测和质量分级方法
经过大量的试验，参照JB/T4730.3-2005附录N[3]及有关文献[7][8]奥氏体不锈钢对接焊接接头超声检测和质量分级的有关内容，我们初步拟定了薄板奥氏体不锈钢对接焊接接头超声检测和质量分级方法，主要有以下内容：
3.4.1适用范围： 适用于薄板奥氏体不锈钢(厚度3≤δ＜10mm)对接焊接接头的超声检测和质量分级。
3.4.2探头： 使用横波单斜探头，探头频率为2.5～5MHz， 探头K值： 厚度3mm～4mm，推荐使用K3～K2.5， 厚度4mm～10mm， 推荐使用K2.5～K2。
3.4.3仪器调节
（1）按水平1：1调节探伤仪时基线：先用CSK—IA试块作零位校正和调整扫描速度，按水平1：1定位，然后根据不同工件厚度在相同厚度的焊缝薄板试块上作扫描速度修正，调节扫描速度时焊缝两侧及奇次反射波和偶次反射波均要测试。也可用4730.3-2005附录N图N.1试块调节。
（2）距离-波幅曲线制作方法见3.3内容。
3.4.4探头移动区N应满足：
当6 mm＜T≤10 mm， 采用直射法和一次反射法， P=2KT或P=2Ttanβ，N≥1.25P。
当3 mm≤T≤6 mm， 采用直射法、一次反射法和二次反射法， P=4KT或P=4Ttanβ，N≥1.25P。
式中：T——母材厚度，mm；P——跨距，mm；
β——探头折射角；K——探头折射角正切值，K=tanβ。
3.4.5质量分级
焊接接头质量分级按表2规定进行。
表2 焊接接头质量分级
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等级
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板厚T，mm
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反射波幅所在区域
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单个缺陷指示长度L，mm
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Ⅰ
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3～10
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Ⅰ
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非裂纹类缺陷（无缺陷指示长度要求）
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Ⅱ
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L≤T/3
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Ⅱ
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3～10
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Ⅱ
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L≤2T/3
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Ⅲ
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3～10
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Ⅱ
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超过Ⅱ级者
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Ⅲ
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所有缺陷（无缺陷指示长度要求）
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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
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裂纹类危害性缺陷（无缺陷指示长度要求）
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注：板厚不等的对接焊接接头，取薄板侧厚度值。
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4．用超声波进行奥氏体不锈钢对接焊缝探伤试验
4.1 试块探伤试验
对厚度3mm≤δ＜10mm范围的不同规格、不同材质、不同焊接方法的奥氏体不锈钢对接焊缝试块进行探伤试验，通过试验，要达到如下目的：a：不该漏检的缺陷都要检测出来；b：无缺陷的地方不能误判为有缺陷，以此验证探伤工艺的可靠性。
试验中共制作15块焊缝试块，探伤结果与X射线底片对照，均取得令人满意的结果，对X射线底片显示的缺陷，超声波发现率达90%以上，其中试块编号：S4-2 焊接方式：手工焊；探头：2.5P8×12K2.5。超声测试结果见表3：
表3 S4-2试块超声测试结果
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探测面
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缺陷序号
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S1
|
S2
|
L
|
h
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波高（dB）
|
l
|
|
A
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1
|
27
|
33
|
41.6
|
21.2
|
17.2
|
13
|
|
2
|
72
|
74
|
38.0
|
19.6
|
10.9
|
13
|
注：S1——试块左侧边缘至缺陷起始位置的距离，mm；
S2——试块左侧边缘至缺陷最大发射波高的距离，mm；
L——缺陷水平定位读数，mm；
h——缺陷深度定位读数，mm；
l——缺陷指示长度，mm。
射线底片见图4：
注：图中1、2分别对应表3中缺陷序号。
图4 S4-2试块射线探伤底片
试验时我们发现在射线底片没有缺陷显示的地方也有反射波显示， 反射波高在定量线上甚至在判废线上。在排除表面形状因素外，可以认为是奥氏体不锈钢粗晶结构内相邻晶粒界面回波的叠加，由多个分波幅合成形成的假回波[9]。这种假回波的特点是：可出现在焊缝或母材，回波讯号较强烈，焊缝两侧探测都有显示，水平定位呈正偏差，缺陷指示长度较短，一般不超过5mm。由于有时水平定位的正偏差较少（有的仅有1～1.5 mm）因此可能造成误判，但由于缺陷指示长度较短，即使误判也不大可能降低焊缝质量等级。另1种假缺陷回波是位于探头侧熔合线上的回波，该回波讯号强烈，常超过判废线，但在另一侧探伤没有回波讯号。因此，一般要求两侧探伤其水平位置相一致才判为缺陷。
4.2 现场实物检测
2011.5～6月，我们先后3次到佛山市三技精密机械有限公司进行薄板奥氏体不锈钢制容器及部件焊缝超声检测，测试部分结果见表4：
表4 薄板奥氏体不锈钢制容器及部件焊缝超声检测结果
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工件编号
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规格（mm）
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超声检测结果
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X射线评片结果
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超声检测与X射线不一致原因
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B
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φ500/426×4
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波高Ⅲ区，指示长度：全长
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合格
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超声定位未作曲面修正
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D
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φ240×5
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波高Ⅲ区，指示长度：20mm
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根部未熔合，长度18mm
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－
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E
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φ420×4
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纵缝： 波高Ⅲ区， 指示长度：18mm，环缝：波高Ⅲ区，指示长度：26mm
|
丁字口焊缝根部未焊透，长度：纵缝17mm，环缝26mm
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－
|
|
1-1
|
φ600×4
|
波高Ⅲ区，指示长度：全长
|
焊缝根部未焊透，长度： 全长
|
－
|
|
1-2
|
φ600×4
|
波高Ⅲ区，指示长度：全长
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焊缝根部未焊透，长度： 全长
|
－
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注：工件材质分别为SUS316L、SUS321。
测试结果分析：工件B为筒节纵缝，超声检测时定位未作曲面修正，两侧水平定位显示反射波均在焊缝中部，因此误判为缺陷，根据计算结果，其曲面修正量为4～5 mm，修正后其反射波处在底面焊角位置，与缺陷波不难区别。工件1-1、1-2均为筒节纵缝，超声检测时两侧均有强烈反射波，一侧水平定位在焊缝中线往上2 mm，另一侧水平定位在焊缝中线往下3 mm，两侧定位共“短”了5 mm，经曲面修正计算，两侧共应增加4.25 mm，修正后两侧水平定位基本一致，因此判为缺陷波。其余工件超声检测结果与X射线评片结果基本一致。
5. 结束语
（1）经实验表明，对板厚为3～10mm的在用压力容器奥氏体不锈钢对接焊缝及母材，从“合乎使用”的角度出发，采用超声横波探伤是可行的。我们在检测实践中，经常会发现奥氏体不锈钢容器在对接焊缝，封头扳边处，支座角焊缝母材等处存在各种形式的裂纹。如果辅以超声波探伤，可以及时发现这些缺陷，避免出现容器的失效事故，因此对在用压力容器的安全运行具有重要的意义。
（2）实际探伤中还极有可能漏检一些φ1～φ2甚至更大的圆形缺陷，这有待今后作进一步的研究。可以庆幸的是，从安全角度考虑，圆形缺陷对于一般的奥氏体不锈钢压力容器不构成多大的危害。
（3）超声横波探伤不仅对在用压力容器薄板奥氏体不锈钢对接焊缝探伤具有实用性，对板厚为3～6mm的在用压力容器碳钢对接焊缝也可应用（主要在于两者的声速不同，经适当调整和相应的试块配套就可应用，而且更具操作性），这方面的试验有待日后进行。
参考文献：
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