奥氏体不锈钢管焊缝的超声无损检测

无损检测技术已经历一个世纪,尽管该技术本身并非一种生产技术,但其技术水平却能反映该部门、该行业该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来的经济效益十分明显。统计资料显示,经过无损检测后的产品增值情况大致是,机械产品为5%,国防、宇航、原子能产品为12%-18%,火箭为20%。例如,德国奔驰公司汽车几千个零件采用无损检测后,整车运行公景数提高了一倍,这大大提高了产品在国际市场的竞争力;日本小汽车生产中30%零件采用无损检测后质量迅速超过美国。德国科学家认为,无损检测技术是机械工业的四大支柱之一。美国前总统里根曾说:“没有先进的无损检测技术,美国就不可能享有在众多领域的领先地位。”可见现代工业足建立在无损检测基础上。世界各国都对无损检测给予了高度的重视。

    无损检测的方法很多,最常用的无损检测方法有五种:超声检测、射线检测、涡流榆洲、磁粉检测和渗透检测,他们已成为生产中的常规无损检测技术。目前,五大常规检测方法中,涡流检测、磁粉检测和渗透检测只适用于检测表面和近表面的缺陷,而实际生产中使用的奥氏体不锈钢通常为中厚板和厚板,这三种方法对于材料内部,尤其是焊缝熔合线附近等易丁产生缺陷的位置的检测无能为力。射线检测方法具有一定的穿透能力,但它对裂纹等面积型缺陷不敏感,而且设备复杂、还需要专门的防护装置,另外当被检材料厚度较大时也会由于衰减增加使灵敏度大大降低。这些缺点使射线检测的使用受到了局限。与射线检测相比,超声检测方法具有穿透力强、灵敏度高、无毒无害、检测速度快、设备简便、易实现自动化等特点。凭借着以上诸多优点,超声无损检测在奥氏体不锈钢管焊缝的检测中得到了广泛的应用,成为领域中最为常用的检测方法。

    超声检测与射线检测相比,对不同形状的缺陷有更大的适应性。它不仅对夹渣和气孔等体积型缺陷很敏感,而且对平面缺陷也有较高的灵敏性。此外,超声波对人体无害,并且检测速度快,操作方便,易于实现白动化,因此应用最为广泛。超声检测方法除了具有设备简单,使用方便和安全性好,检测范围广等根本性的优点外,超声检测产生的时域波形信号形式,使得计算机信号处理、模式识别和人工智能等技术能够方便的用于检测过程。计算机在超声检测中的应用,也使得超声检测的可靠性越来越高,目前在奥氏体焊缝的检测应用巾越来越广泛。

    奥氏体不锈钢管是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢管。钢中含Cr18%Ni8%~10%C0. 1%时,具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢管包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加CrNi含量并加入MoCuSiNbTi等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢管无磁性而且具有高韧性和塑性,但强度较低,不可能通过相变使之强化,仪能通过冷加工进行强化。如加入SCaSeTe等元素,则具有良好的易切削性。奥氏体不锈钢管除耐氧化性酸介质腐蚀外,如果含有MoCu等元素还能耐尿素等的腐蚀,钢中的含碳量若低于0.03%或含TiNi,就可显著提高其耐晶问腐蚀性能。此外,高硅的奥氏体不锈钢管对浓硝酸有良好的耐蚀性。

    由于奥氏体不锈钢管具有全面的和良好的综合性能,在各行各业中获得了广泛的应用。在航天工业中,1Cr17Ni7焊缝结构被广泛应用于压力稳定的硬壳式机身结构、舱壁和高温压力容器等设备中;0Cr18Ni90Cr18NilNb0Cr21Ni6Mn9N焊缝结构用于液体燃料储藏。在石油工业中,奥氏体不锈钢管焊缝结构也被广泛的采用,如勘探发钻井设备中的厚壁无磁钻铤,壁厚一般在30100mm之问;炼化行业中,大型的炼厂加工设备,除了壳体内层不用不锈钢管外,其加热炉管、冷凝管、循环及输送管,也多存在奥氏体不锈钢管焊缝结构。此外,厚板奥氏体不锈钢管焊缝结构还广泛应用于化学工业、造纸工业、精炼油工业、食品工业,纤维工业和原子能发电等领域。

    超声波检测虽然具有很强的适应性,但由于奥氏体不锈钢管焊缝的特殊结构,使得超声在检测奥氏体不锈钢管焊缝时遇到了诸多难点。

    不锈钢管母材晶粒度普遍比碳钢大。超声波的散射衰减随平均晶粒度的增大而增大,当晶粒度在3#以下(平均晶粒直径在0.125mm以上)时,散射衰减特别明显,因而有可能得不到足够的信噪比。而且,超声波在粗大的奥氏体组织中传播时,被晶粒散射的超声波有部分会返回探头,在示波屏上出现噪声信号即草状回波。此草状回波的出现还与频率有关,即相关于波长与晶粒大小的比值。

    不仅如此,奥氏体不锈钢管焊缝与母材相比,晶粒尺寸更大、组织结构呈现出更为显著的各向异性,超声波在奥氏体焊缝中的传播规律也发生了较大变化。一般,奥氏体焊接金属是取向整齐的柱状晶组织,柱状晶层层叠叠大致沿壁厚方向成长。超声波在焊缝中传播时,会受到其晶粒直径和柱状晶组织所具有的弹性各向异性的严重影响,引起声速变化,散射衰减增大,波束偏移。

    由于超声波在奥氏体不锈钢管中特殊的传播特性,给奥氏体焊缝的超声波检测带来了许多困难和问题:

    (1)超声传播方向变化带来的问题:超声波在焊接金属与母材界面上的折射和波型转换、焊缝金属组织成长方向引起传播路径的变化等,都有可能影响反射源的定位精度。另外,柱状晶散射回波和界面回波的发生,又可能产生类似缺陷回波的假信号,造成误判。

    (2)散射衰减和草状回波带来的问题:因散射衰减厉害,草状回波起伏,信噪比降低,要检测焊接金属内的缺陷,或通过焊缝检测另一侧母材(热影响区)的缺陷,灵敏度皆受影响。而且,衰减程度因探测部位而异,要根据缺陷回波高度对缺陷作定量评价(DAC%),会有误差。

    (3)超声波束变型带来的问题:超声在传播过程中,波束扩散变形,会导致基于波束形状的缺陷测长测高方法(如6dB20dB法等)精度下降。由于超声波在奥氏体组织中传播时遇到了上述诸多复杂的问题,使得对奥氏体不锈钢管焊缝进行超声无损检测变得困难重重。为此,必须找到行之有效的、适用于奥氏体焊缝的超声检测方法,来满足现代工业对于产品质量检测的要求。

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