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技術(shù)概述 13

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

早在20世紀80年代，英國的OGILVY[12]就開始研究超聲波在CASS中的傳播模型。最近十年來，韓國的SONG等[13-14]對OGILVY 的模型進行了改進，并采用聲線示蹤法計算了相控陣超聲不同陣元在非均勻各向異性介質(zhì)中的延遲時間和入射角；英國的NAGESWARAN等[15]則采用電子背散射衍射技術(shù)對奧氏體不銹鋼焊縫的微觀組織進行了分析；并模瑞典的LIU等[16]對各向異性焊縫進行了分區(qū)，擬了超聲波在其中的傳播路徑；法國的MAHAUT等[17]使用CIVA軟件對超聲波在CASS中的傳播過程進行了仿真。美國西北太平洋國家實驗室以及某些超聲設(shè)備生產(chǎn)廠家在相控陣探頭設(shè)計和檢測設(shè)備的研制方面也做了大量工作[18-21]；德國夫瑯和費無損檢測研究所提出了“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難題[22-24]。我國的李衍等[25-26]對相控陣的基礎(chǔ)理論進行了深入闡述，為研究者提供了重要參考；賴溥祥等[27]對環(huán)形相控陣輻射聲場和反射聲場的基本特性進行了理論和試驗研究，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設(shè)備以及檢測工藝方面開展了研究，研制了縱波斜射雙晶探頭并通過試驗分析了各工藝參數(shù)對超聲檢測的影響；燕會明等[30]采用動態(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、超聲波在厚壁CASS管道焊縫中傳播規(guī)律的研究進展，并重點介紹了數(shù)值模擬、相控陣參數(shù)優(yōu)化、信號處理等關(guān)鍵技術(shù)，期望能夠為厚壁CASS管道焊縫PAUT技術(shù)的研究和工程應用提供參考。

1 厚壁CASS管道焊縫PAUT技術(shù)的 難點分析

1.1 厚壁CASS管道焊縫超聲檢測的難點 CASS焊縫具有粗大晶粒和彈性各向異性，，導致超聲波在組織中的傳播規(guī)律復雜，影響缺陷的檢測和評定。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，晶粒長度大于10 mm，超聲波傳播過程中將發(fā)生聲束彎曲導致缺陷定位不準；而對于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17～20 mm(圖1)[21]，這種粗晶將引起超聲波嚴重衰減，超聲波束甚至不能進入焊縫；另外，粗晶對超聲波的強烈散射導致出現(xiàn)大量林狀回波，大大降低了缺陷檢測的信噪比。

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 美國西北太平洋國家實驗室CASS焊縫示意圖

對于厚壁CASS管道焊縫，由于材料厚度大，焊接應力因整個構(gòu)件的變形而增大，嚴重時將誘發(fā)焊接裂紋[32]，從而對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。同時，厚度越大則晶粒越粗大，從而引起嚴重的結(jié)構(gòu)噪聲和超聲波衰減，降低了檢測信噪比以及超聲波穿透能力。1999年，國內(nèi)編寫了《奧氏體不銹鋼焊接接頭超聲波檢驗規(guī)程》，但該規(guī)程主要針對厚度為10～50 mm的奧氏體不銹鋼對接焊縫的手工超聲波檢驗，且只適用于對接接頭的檢測。研究發(fā)現(xiàn)，普通探頭難以檢測厚度大于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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