浙江至德鋼業有限公司概述了采用相控陣超聲技術檢測小口徑不銹鋼管對接接頭的局限性，通過CIVA聲場仿真實驗，提出常規橫波相控陣探頭和雙晶線陣相控陣探頭的工藝方案，并進行對比試驗分析，尋找小徑管不銹鋼對接接頭相控陣超聲檢測工藝設計研究方向。

   在核電、石化和火電等領域中，不銹鋼材料因具有無磁性、高韌性和耐腐蝕等優點被廣泛應用，特別是核電機組建設中，主回路管道、冷卻劑主管道熱管段、過渡管段等核電安全一級裝置，都大量采用奧氏體不銹鋼材料，在火電機組中的再熱器系統也大都采用了奧氏體不銹鋼材質。目前的檢測標準和工藝條件要求對該類焊縫都采用分層滲透檢測和射線檢測，但滲透檢測僅能檢測表面開口缺陷，射線檢測對危害性較大的面積性缺陷也并不敏感，使得奧氏體不銹鋼焊縫的檢測質量遠遠達不到要求。

   近幾年，隨著《無損檢測超聲檢測相控陣超聲檢測方法》(GB/T 32563－2016)和《火力發電廠焊接接頭相控陣超聲檢測規程》(DL/T 1718－2017)等相控陣超聲檢測標準的發布，在火電、核電、石油石化等眾多領域采用相控陣超聲檢測技術代替傳統射線檢測和常規超聲檢測的案例越來越多，鐵素體鋼制焊接接頭的相控陣超聲檢測技術也愈發成熟。

  本文將著重分析小口徑不銹鋼管對接接頭的超聲聲場特征，從采用一維線性探頭橫波檢測和雙晶線陣探頭縱波檢測等工藝試驗對比，尋求奧氏體不銹鋼管相控陣超聲檢測工藝的研究方向。

一、粗晶奧氏體不銹鋼的超聲聲場特征分析

   奧氏體不銹鋼材料組織不均、晶粒較大，具有明顯的各向異性，而且超聲波在該材料傳播過程中的聲能衰減較大，并會產生超聲波的散射、衍射和反射等現象，以上因素都會嚴重影響相控陣超聲檢測對奧氏體不銹鋼內部缺陷的定位、定性和定量。本次試驗采用材質為316L、焊縫為鎳基合金的試件，采用頂面頻率為2 MHz的聲束傳感器作為發射機，沿X方向80mm和Y方向40mm進行掃描，在試樣的側面采用頻率為2 MHz的傳感器進行接收，用于測量焊縫中聲波的傳播以及在傳播期間的任意時間觀察波前。

   圖為聲束進入焊縫一定時間T以及4μs、9μs時的波前圖。從光彈實驗的結果發現，隨著聲波進入鎳基合金焊縫時間的延長，其散射和衰減作用非常明顯。表是頻率為2 MHz的入射光束對晶粒取向作用的實驗數據，數據表明:聲波進入粗晶材料后會發生衰減，且不同晶粒方向上的衰減作用也不同。

   各向異性材料對橫波和縱波的傳播影響是不同的，圖是橫波和縱波在同一各向異性材料中的傳播慢度圖(慢度為速度的倒數)，(a)、(b)、(c)分別表示波在X、Y、Z三個不同空間方向傳播，通過慢度圖我們可以看出，縱波在這三個方向的傳播都是穩定的。

   我們通過CIVA仿真軟件構建了幾組焊縫材質為304L小口徑不銹鋼管的對接接頭模型，實驗采用頻率為2 MHz、晶片數為32、楔塊角度60°的線陣相控陣探頭。圖是采用縱波和橫波檢測工件厚度為50mm的仿真實驗數據，仿真結果中可以很清楚觀察到縱波在各向異性材料中傳播受到的散射、衰減和偏轉等影響更小。主要原因是縱波波長更長，受影響相對較小。依據上述光彈試驗和聲場仿真實驗結果可知，與橫波檢測相比，采用縱波檢測粗晶奧氏體材料可行性更高。

二、實驗對比

1. 實驗概況

   本次實驗分別選擇了頻率為7.5 MHz、晶片數為16的一維線性相控陣探頭采用橫波進行檢測，以及頻率為5 MHz、晶片數為16的雙晶線陣相控陣探頭采用縱波進行檢測，表2為分別采用一維線性相控陣探頭和雙晶縱波相控陣探頭的方案概況，圖是兩種不同探頭的CIVA仿真檢測模型。選用3根不同規格的奧氏體不銹鋼模擬試管，試管的詳細預制信息見表。

2. 實驗結果分析

  編號304奧氏體小口徑不銹鋼管檢測結果對比分析，采用方案一橫波檢測和方案二縱波檢測的結果分別見圖。我們將方案一和方案二的檢測結果進行了統計對比分析，從圖中可以發現，方案二采用縱波雙晶探頭檢測圖譜的信噪比遠遠優于方案一，具體檢測結果見表。

  檢測結果表明，采用方案二可以將試管中的所有缺陷都檢測出來，且缺陷的長度和深度與模擬試管預制參數幾乎一致；方案一采用橫波一次反射波檢測表面裂紋，由于信噪比太差，無法分辨氣孔和夾渣的缺陷信號，導致缺陷長度測量偏差較大。表是采用方案二檢測試管中5個缺陷的信噪比統計表。結果顯示，采用雙晶線陣探頭檢測試管中5個缺陷的信噪比都大于12dB，更有利于缺陷信號的識別。

編號316L奧氏體不銹鋼試管檢測結果對比分析，采用方案一橫波檢測和方案二縱波檢測的結果分別見圖。我們將方案一和方案二的檢測結果進行了統計對比分析，從圖中可以發現，方案二采用縱波雙晶探頭檢測圖譜的信噪比依舊遠遠優于方案一。方案一可有效檢出根部裂紋和坡口未熔合，并準確測量，但未能檢出氣孔和夾渣缺陷。方案二采用縱波雙晶探頭準確檢測出316L模擬試管的四個缺陷，具體檢測結果見表。

  在粗晶奧氏體不銹鋼相控陣超聲檢測中，采用縱波雙晶線陣相控陣探頭進行檢測，信噪比和缺陷檢出率都遠遠優于常規橫波線陣相控陣探頭。采用縱波雙晶探頭檢測小口徑不銹鋼管，可檢出絕大部分缺陷，但是采用縱波檢測采集的相控陣圖譜中對缺陷定量的分辨力不如橫波精確，受變形波的影響，需要仔細分析，才能定量準確。采用雙晶縱波探頭檢測奧氏體粗晶材料小徑管是可行的，下一步，應通過改善儀器的組合性能，提高成像縱向分辨力，提高缺陷的測量精度。