不锈钢管道焊缝超声检测中探头检测能力的比较

施春丰　尹鹏代　闯金坤

【摘 要】不銹钢管道是核电厂中大量存在并与电厂运行安全息息相关的常见管道，因而核电厂中存在大量的不锈钢管道焊缝。相对碳钢管道焊缝而言，不锈钢管道焊缝超声检测难度大，如何正确选择检测探头成为关键所在。本文以核电厂中最为常见的外径Φ273mm管道为试验对象，选择不同种类超声探头进行检测试验，并对结果进行对比分析，对不同探头的检测能力进行比较，得出相关结论，为不锈钢管道焊缝超声检测的探头选择提供依据和参考。

【关键词】不锈钢管道焊缝；超声检测；比较

中图分类号： TG441.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0051-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.020

【Abstract】Stainless steel pipeline is a common pipeline which is closely related to the operation safety of the power plant， so there are a lot of stainless steel pipe welds in the nuclear power plant. Relative to carbon steel pipe weld，the ultrasonic testing for stainless steel pipe weld is more difficult， and the key point is how to choose the ultrasonic probe correctly. In this paper， select the 273mm diameter pipe which is common in nuclear power plant as test object， different types of ultrasonic probes were used to perform testing， and the results were analyzed to compare the detection ability of different probes， get relevant conclusions， provide the reference on the probe selection of ultrasonic testing for stainless steel pipe weld.

【Key words】Stainless steel pipe welds； Ultrasonic testing； Comparison

0 引言

不锈钢管道是核电厂中大量存在并与电厂运行安全息息相关的常见管道，因而核电厂中存在大量的不锈钢管道焊缝，美国ASME 锅炉及压力容器规范中对核电厂不锈钢管道焊缝明确提出了进行体检检测的强制性要求[1]。随着运行时间的增长，不锈钢管道焊缝的金属性能会逐渐降低，金属不连续性也会产生，国内某核电厂就曾在服役的不锈钢管道焊缝中发现存在裂纹。如果这类管道一旦失效，导致的后果将不堪设想。

不锈钢管道焊缝相对碳钢管道焊缝而言，各向异性，超声检测难度大[2]，如何正确选择检测探头成为关键所在。本文以核电厂中最为常见的外径Φ273mm管道为试验对象，选择不同种类超声探头进行检测性能比较试验，并对结果进行对比分析，对不同探头的检测能力进行比较，得出相关结论，为不锈钢管道焊缝超声检测的探头选择提供依据和参考。

1 试验设计

根据理论分析，对于不锈钢粗晶材料，如下几个方面会对超声检测能力产生影响[3]：

超声波在材料中的衰减，波长越大，衰减越小；

超声波在材料中是否聚焦，这由探头的型式决定；

超声波在材料中对相邻反射体的分辨能力，这由探头的频带决定。

所以在不锈钢管道焊缝超声检测的探头选择上就存在：纵波探头与横波探头的选择[4]，双晶探头和单晶探头的选择，宽频带探头和窄频带探头的选择等问题。为了在实际检测工作中能够准确的选择探头，设计了不同探头在不锈钢管道焊缝中的检测能力的比较试验，通过试验结果分析对比，得出结论。设计的试验项目包括：

纵波和横波探头检测能力的比较试验；

双晶纵波探头和单晶纵波探头检测能力的比较试验；

不同频带宽度双晶纵波探头检测能力的比较试验。

2 试验实施

目前对管道焊缝进行自动检测已成为一种趋势，自动检测时超声系统将自动记录采集的数据，便于存档及分析，便于缺陷信号的定位、定量及不同次检查间的比较，减少了人为因素的影响，提高了检测质量。所以本文中所有试验项目均采用自动检测方式进行。

2.1 试验设备

◇超声仪

为了能够进行自动超声检测，采用Zetec公司生产的多通道超声波检测仪，含有16个以上独立通道。

◇扫查装置

自动扫查装置是自主设计开发的AUMA系列管道自动超声扫查装置。扫查装置能够反馈位置信号给超声仪，并能够在两个垂直方向上往复的运动。

◇试验探头

根据以往的检测经验，选择频率为2MHz的各种探头，包括单晶横波、单晶纵波、双晶纵波探头[5]，见表1。

◇试验试件

Φ273×30mm的不锈钢管道焊缝试验试件（共2件）。每件试件上制作4个不同长度，不同高度和不同位置的槽，尺寸如表2，试验试件示意图如图1。

3.2 试验过程

◇数据采集

在探头参数测试试块上测试探头角度及前沿，在参考试块上设置探头灵敏度，将探头安装于探头支架上，用专用扫查装置对试验试块进行外表面扫查。保证每个探头能扫查到全壁厚的检测体积，并进行数据采集，如图2。

◇數据分析

对采集的数据进行分析，对试件上的槽信号进行检测结果分析对比：

（1）比较纵波探头和横波探头在不锈钢管道焊缝中的检测能力，包括：能否探测出，数据B、C、D扫图形中信号的分辨能力等；

（2）比较双晶纵波探头和单晶纵波探头在不锈钢管道焊缝中的检测能力，包括：能否探测出，数据B、C、D扫图形中信号的分辨能力等；

（3）比较双晶纵波45°和60°探头中宽频带和窄频带两种类型探头在不锈钢管道焊缝中的检测能力和信噪比差异；

（4）比较单晶纵波探头45°、60°探头在不锈钢管道焊缝中检测能力的差异；

（5）比较双晶纵波探头45°、60°和70°探头在不锈钢管道焊缝中检测能力的差异；

4 试验结果

分析试验数据，对每个探头是否能检测出人工槽，回波信号信噪比，信号分辨力，端点信号探测能力进行比较，试验结果的比较汇总见表3。

5 结论

通过对试验结果进行对比分析，我们得出如下相应结论：

5.1 纵波探头和横波探头在不锈钢管道焊缝中的检测能力比较

结论：横波探头未探测出试验试件中的槽，而纵波探头探测出试验试件中的所有槽，纵波比横波衰减和噪声要小。在不锈钢管道焊缝中，纵波探头对缺陷的检测能力比横波探头要高。

5.2 双晶纵波探头和单晶纵波探头在不锈钢管道焊缝中检测能力比较

结论：双晶纵波探头的信号区分能力要优于单晶纵波探头，单晶纵波探头的信号要显得杂乱一些，干扰信号较多，双晶纵波探头是一发一收，焦距范围内显示信号的信噪比较高，数据B、C、D扫图形中缺陷信号比较容易分辨。另外宽频带的双晶纵波探头与单晶纵波探头相比，在探测并区分缺陷端点信号方面能力要高，图3为两类探头信号的比较图。

5.3 双晶纵波探头中宽频带和窄频带两种类型探头在不锈钢管道焊缝中回波信噪比和检测能力的比较

结论：宽频带双晶纵波探头的信噪比要优于低频带双晶纵波探头。宽频带双晶纵波探头B扫图形中缺陷信号在扫查方向和深度方向的分辨能力要明显好于低频带双晶纵波探头。宽频带和窄频带双晶纵波探头相比，由于周期数较少，在探测并区分缺陷端点信号方面能力要好许多，图4为两种类型探头RF波比较图，图5～图7为两类探头信号的比较图。

6 结束语

在不锈钢管道焊缝超声检测中：

b）双晶纵波探头回波信号的信噪比要优于单晶纵波探头；

c）双晶纵波探头对缺陷信号的区分能力要优于单晶纵波探头；

d）宽频带双晶纵波探头的信噪比要优于低频带双晶纵波探头；

e）宽频带双晶纵波探头对缺陷信号的分辨能力要优于低频带双晶纵波探头。

因此，为了提高不锈钢管道焊缝超声检测的信噪比和分辨力，应该优先选择宽频带双晶纵波探头，正确的探头参数选择可以提高此类焊缝的检测能力以及可靠性。

【参考文献】

[1]ASME， Boiler & Pressure Vessel Code，Section XI：Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plant Components[S].

[2]李衍，冯兆国.不锈钢焊缝的超声检测-现状与发展[J].无损探伤，2005，29（3）： 1-6.

[3]郑晖，林树青.超声检测[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008：302-305.

[4]张鹰吗，张延丰，雷毅.奥氏体不锈钢焊缝的超声波检测方法研究[J].无损检测，2006，28（3）：119-122.

[5]刘凯.正确选择和使用纵波双晶探头[J].无损探伤，2005，29（2）：29-32.