奥氏体316L不锈钢管焊缝超声检测的研究现状

2020-11-29 17:41:50

 从20世纪70年代起,国内外研究人员对奥氏体316L不锈钢管焊缝的超声波检测都作了大量试验研究,虽有一定成效,但检测方法较复杂,与铁素体钢检测相比,其适用范围仍受到一定限制,其发展历程如下:


 1977年,SV剪切波假信号识别的初步试验,认清了用一般SV剪切波斜探头探伤时,由奥氏体柱状晶反射和散射引起的各种假信号。

    

 1979年,纵波斜探头探伤,尝试了用不同频率和多种角度的纵波斜探头检测奥氏体316L不锈钢管焊缝,找到了壁厚60mm以下SUS焊缝的UT方法。

   

 上世纪80年代初,国际焊接学会为了适应工业生产的发展需要,建立了奥氏体焊缝超声波检测工作组,积极开展国际合作,1985年,奥氏体焊缝的超声检测标准雏型问世,由实验应用归纳总结,推出了《奥氏体316L不锈钢管焊缝超声检测方法指南》  (IIW),这是专用标准的雏型:1986年剧际焊接学会出版了第一本《奥氏体焊缝超声检测手册》,为奥氏体316L不锈钢管焊缝超声检测的实际应用提供了必要的指导。

   

 1987年,SH剪切波斜探头探伤报告,对应刖于柱状晶组织中声速各向异性较小的SH剪切波刺探头对SUS304焊缝进行探伤的新技术进行了报道,并测试了其信噪比。

   

 1991年,大厚壁焊缝施探,发表了对壁厚400mm的SUS304大锻件焊缝作探伤检测,及通过空问平均处理提高缺陷检出率的实验成果。

   

 1994~2000年,焊接工艺配合UT,通过磁搅拌焊接改进组织,提高了超声波声透射性能,并借助予特制的可视化装置,观测了超声波的传播特性。

   

 2004年,最新标准闪亮登场,国际标准化组织和F1本在同一年发布了有关奥氏体钢和镍基合金焊缝超声检测方法的最新标准。

   

 有关奥氏体316L不锈钢管焊缝的最新UT标准主要有:ISO/DIS 22825:2004《奥氏体钢和镍基合金焊缝超声检测》和HNDIS2424: 2004《奥氏体316L不锈钢管焊缝超声检测方泫》,两个标准都是在20世纪80年代有关奥氏体316L不锈钢管焊缝UT导则的基础上,结合近20年的工业应用经验制定的,是最新技术的升华。

   

 目前对奥氏体316L不锈钢管焊缝超声柃测的研究主要包括探头的研制、信号处理技术的应用和计算机模拟和仿真几个方面。


  1. 专用探头的研制

   

  在超声检测探头的研究方面主要足从探头工艺参数的选择(包括超声波形、检测频率和入射角度等)和探头结构的选择(包括双晶探头、聚焦探头和窄脉冲探头等)两方面进行的。康纪黔和李家鳌在IIW《奥氏体焊缝超声检测手册》的基础上编制了《奥氏体316L不锈钢管焊缝超声波检验规程》。规程推荐使用高阻尼窄脉冲纵波单斜探头,2.5MHz或1.25MHz探测频率和45°探测角度等。该规程在大庆石化总厂及燕山石化总厂五台9%Ni钢球罐检验中试用,取得了良好效果。孙晓娜检测厚板奥氏体316L不锈钢管焊缝,通常采用双品探头、聚束探头、大直径探头和宽频带窄脉冲探头。探伤所使用的探头,根据检测对象的部位(焊缝或母材)、探伤部位的厚度、坡口的形状而选定。崔建英研究了窄脉、巾探头的设计与制造工艺、探头与探伤仪的匹配以及斜楔形状和尺寸的设计,从而狭得一种灵敏度高、分辨率好、信噪比高和定位比较准确的窄脉冲纵波斜探头,适用于较厚的奥氏体316L不锈钢管焊缝的超声波检测。工伟波自行研制了适合于奥氏体焊缝检测的窄脉冲探头,使用高阻抗背衬和电路匹配,使脉冲宽度明显减少,接近围外同类探头的水平。在对人工缺陷的检测中发现,该探头可显著提高灵敏度,增加信噪比。结合聚焦技术可以获得更好效果。


 2. 信号处理技术的应用

   

   近年来,信号处理技术飞速发展,包括小波分析和分离谱技术等新的研究成果层出不穷。在粗晶材料超声检测领域,信号处理技术凭借其强大的信息挖掘能力,成为一个重要的研究方向。孙晓娜应用小波理论对厚板奥氏体316L不锈钢管焊缝的超声波检测信号进行去噪。使用不同的小波去噪方法,对焊缝中的人工孔缺陷的回波信号进行处理。与去噪前相比,各类型探头信号信噪比分别提高了4~6dB。刘镇清和李成林等使用分离谱技术对粗品材料的超声检测信号进行了增强,以提高信噪比。在对核电站厚壁材料75mm处的直径1.5mm人工横孔探伤信号处理后,其信噪比增强达两倍以上。张帅研究了奥氏体316L不锈钢管结构TOFD检测叶一的声学特性以及去噪的可行性,通过理论和实验确定了检测工艺参数,并对碳钢母材和焊缝以及奥氏体316L不锈钢管母材和焊缝进行了检测,研究了材料组织结构对TOFD检测中声信号的影响。M.A. Malik对超声信号的时频分析技术进行了研究。研究了超声信号的的Wigner-Ville分布、Choi-Williams分布、Gabor变换和小波变换等多种时频分布表达形式。他还提出了基于时频集中函数的超声信号Gabor变换时频表达的参数优化方案,并通过对超声信号多种时频分布效果的对比指出,小波分析是适合于超声信号视频表达的最佳时频分析方法。


 3. 超声检测的计算机模拟


    随着计算机软件和硬件技术的不断进步,高速大容量计算机的广泛普及,超声检测过程的模拟也得到了发展。采用模拟和可视化方法不仅可以提高对超声波产生和传播机理的理解,而且能够提前对检测工艺的可行性、可靠性进行分析,优化参数,降低检测成本,提高效率。

    

     超声检测过程的计算机模拟分为解析方法和数值方法。数值方法包括有限元法(FEM),有限差分法(FDM)和边界元法(BEM)等,数值方法的计算结果较精确,适用范围广,但同时也存在计算时间长,网格定义复杂等缺点。解析方法包括声线模型、高斯声束模型和衍射理论模型等,这些模型普遍使用物理参数,便于处理且计算速度较快,缺点是对于复杂结构不适用。

   

      a. 超声换能器声场的模拟

   

        超声换能器声场的模拟和可视化是超声检测过程模拟的一部分,它通过计算换能器辐射的超声在各点的声压强度或是振动速度幅值,来定量地获得介质中的声场分布,并将结果以具体的图形或图像的方式显示。

   

      b. 奥氏体焊缝超声检测过程模拟


      除了对超声声场进行模拟外,针对奥氏体316L不锈钢管焊缝的不均匀性和备向异性特性,国内外的研究人员在奥氏体316L不锈钢管焊缝超声检测过程模拟方面也做了大量工作。


  4. 当前研究中存在的问题


    虽然近年来随着仪器和探头性能的提高及信号处理理论的发展,促使奥氏体316L不锈钢管焊缝的超声波检测技术有了长足的进步,但目前仍不成熟,主要存在一下问题。


     a. 对奥氏体316L不锈钢管管焊缝进行超声波检测,可靠性的干扰因素较一般结构钢多,如其粗大晶粒组织及枝状晶体结构对超声波的传播影响很大,高衰减伴随着强烈的晶界散射使得普通超声波法检验这种材料时信噪比很低。


     b. 由于奥氏体钢焊缝与超声波的复杂作用,易产生伪显示,这将给超声波检测的可靠性产生负面影响,带来不必要的返修,增加了成本。在焊接金属与母材界面上的折射和波型转换,焊缝金属组织内树枝晶的存在都会使超声传播路径发生变化,因此,可能影响反射源的定位精度。

 

     c. 由于扭曲作用和强烈衰减作用,导致奥氏体钢焊缝中同深度缺陷反射当量的误差大,存在定量不准确的问题。


    国内在该方面的研究工作不多,特别是在小口径薄壁奥氏体316L不锈钢管对接焊缝超声波检测技术研究工作更少。直接影响了我国在该方面的技术水平,虽然有检测方法的应用报道,但应用起来困难很大,不同操作人员的检测结果一致性和重复性差,实用性不强。为此奥氏体316L不锈钢管对接焊缝超声波检测的研究非常必要。



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