奧氏體不銹鋼管焊縫的超聲無損檢測

無損檢測技術已經歷一個世紀,盡管該技術本身并非一種生產技術,但其技術水平卻能反映該部門、該行業該地區甚至該國的工業技術水平。無損檢測技術所能帶來的經濟效益十分明顯。統計資料顯示,經過無損檢測后的產品增值情況大致是,機械產品為5%,國防、宇航、原子能產品為12%-18%,火箭為20%。例如,德國奔馳公司汽車幾千個零件采用無損檢測后,整車運行公景數提高了一倍,這大大提高了產品在國際市場的競爭力;日本小汽車生產中30%零件采用無損檢測后質量迅速超過美國。德國科學家認為,無損檢測技術是機械工業的四大支柱之一。美國前總統里根曾說:“沒有先進的無損檢測技術,美國就不可能享有在眾多領域的領先地位!笨梢姮F代工業足建立在無損檢測基礎上。世界各國都對無損檢測給予了高度的重視。

    無損檢測的方法很多,最常用的無損檢測方法有五種:超聲檢測、射線檢測、渦流榆洲、磁粉檢測和滲透檢測,他們已成為生產中的常規無損檢測技術。目前,五大常規檢測方法中,渦流檢測、磁粉檢測和滲透檢測只適用于檢測表面和近表面的缺陷,而實際生產中使用的奧氏體不銹鋼通常為中厚板和厚板,這三種方法對于材料內部,尤其是焊縫熔合線附近等易丁產生缺陷的位置的檢測無能為力。射線檢測方法具有一定的穿透能力,但它對裂紋等面積型缺陷不敏感,而且設備復雜、還需要專門的防護裝置,另外當被檢材料厚度較大時也會由于衰減增加使靈敏度大大降低。這些缺點使射線檢測的使用受到了局限。與射線檢測相比,超聲檢測方法具有穿透力強、靈敏度高、無毒無害、檢測速度快、設備簡便、易實現自動化等特點。憑借著以上諸多優點,超聲無損檢測在奧氏體不銹鋼管焊縫的檢測中得到了廣泛的應用,成為領域中最為常用的檢測方法。

    超聲檢測與射線檢測相比,對不同形狀的缺陷有更大的適應性。它不僅對夾渣和氣孔等體積型缺陷很敏感,而且對平面缺陷也有較高的靈敏性。此外,超聲波對人體無害,并且檢測速度快,操作方便,易于實現白動化,因此應用最為廣泛。超聲檢測方法除了具有設備簡單,使用方便和安全性好,檢測范圍廣等根本性的優點外,超聲檢測產生的時域波形信號形式,使得計算機信號處理、模式識別和人工智能等技術能夠方便的用于檢測過程。計算機在超聲檢測中的應用,也使得超聲檢測的可靠性越來越高,目前在奧氏體焊縫的檢測應用巾越來越廣泛。

    奧氏體不銹鋼管是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼管。鋼中含Cr18%、Ni8%~10%、C0. 1%時,具有穩定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼管包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素發展起來的高Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼管無磁性而且具有高韌性和塑性,但強度較低,不可能通過相變使之強化,儀能通過冷加工進行強化。如加入S,Ca,Se,Te等元素,則具有良好的易切削性。奧氏體不銹鋼管除耐氧化性酸介質腐蝕外,如果含有Mo、Cu等元素還能耐尿素等的腐蝕,鋼中的含碳量若低于0.03%或含Ti、Ni,就可顯著提高其耐晶問腐蝕性能。此外,高硅的奧氏體不銹鋼管對濃硝酸有良好的耐蝕性。

    由于奧氏體不銹鋼管具有全面的和良好的綜合性能,在各行各業中獲得了廣泛的應用。在航天工業中,1Cr17Ni7焊縫結構被廣泛應用于壓力穩定的硬殼式機身結構、艙壁和高溫壓力容器等設備中;0Cr18Ni9、0Cr18NilNb0Cr21Ni6Mn9N焊縫結構用于液體燃料儲藏。在石油工業中,奧氏體不銹鋼管焊縫結構也被廣泛的采用,如勘探發鉆井設備中的厚壁無磁鉆鋌,壁厚一般在30100mm之問;煉化行業中,大型的煉廠加工設備,除了殼體內層不用不銹鋼管外,其加熱爐管、冷凝管、循環及輸送管,也多存在奧氏體不銹鋼管焊縫結構。此外,厚板奧氏體不銹鋼管焊縫結構還廣泛應用于化學工業、造紙工業、精煉油工業、食品工業,纖維工業和原子能發電等領域。

    超聲波檢測雖然具有很強的適應性,但由于奧氏體不銹鋼管焊縫的特殊結構,使得超聲在檢測奧氏體不銹鋼管焊縫時遇到了諸多難點。

    不銹鋼管母材晶粒度普遍比碳鋼大。超聲波的散射衰減隨平均晶粒度的增大而增大,當晶粒度在3#以下(平均晶粒直徑在0.125mm以上)時,散射衰減特別明顯,因而有可能得不到足夠的信噪比。而且,超聲波在粗大的奧氏體組織中傳播時,被晶粒散射的超聲波有部分會返回探頭,在示波屏上出現噪聲信號即草狀回波。此草狀回波的出現還與頻率有關,即相關于波長與晶粒大小的比值。

    不僅如此,奧氏體不銹鋼管焊縫與母材相比,晶粒尺寸更大、組織結構呈現出更為顯著的各向異性,超聲波在奧氏體焊縫中的傳播規律也發生了較大變化。一般,奧氏體焊接金屬是取向整齊的柱狀晶組織,柱狀晶層層疊疊大致沿壁厚方向成長。超聲波在焊縫中傳播時,會受到其晶粒直徑和柱狀晶組織所具有的彈性各向異性的嚴重影響,引起聲速變化,散射衰減增大,波束偏移。

    由于超聲波在奧氏體不銹鋼管中特殊的傳播特性,給奧氏體焊縫的超聲波檢測帶來了許多困難和問題:

    (1)超聲傳播方向變化帶來的問題:超聲波在焊接金屬與母材界面上的折射和波型轉換、焊縫金屬組織成長方向引起傳播路徑的變化等,都有可能影響反射源的定位精度。另外,柱狀晶散射回波和界面回波的發生,又可能產生類似缺陷回波的假信號,造成誤判。

    (2)散射衰減和草狀回波帶來的問題:因散射衰減厲害,草狀回波起伏,信噪比降低,要檢測焊接金屬內的缺陷,或通過焊縫檢測另一側母材(熱影響區)的缺陷,靈敏度皆受影響。而且,衰減程度因探測部位而異,要根據缺陷回波高度對缺陷作定量評價(DAC%),會有誤差。

    (3)超聲波束變型帶來的問題:超聲在傳播過程中,波束擴散變形,會導致基于波束形狀的缺陷測長測高方法(如6dB、20dB法等)精度下降。由于超聲波在奧氏體組織中傳播時遇到了上述諸多復雜的問題,使得對奧氏體不銹鋼管焊縫進行超聲無損檢測變得困難重重。為此,必須找到行之有效的、適用于奧氏體焊縫的超聲檢測方法,來滿足現代工業對于產品質量檢測的要求。

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