张 健1，金 磊2，胡文杰3，
吴 江1，苏丽超1，郑 玲4
(1.中兴海陆工程有限公司
2.无锡市毅恒工程检测有限公司
3.挪威船级社（中国）有限公司
4.大连华锐重工集团股份有限公司)
奥氏体316不锈钢是一种高强度、耐腐蚀的不锈钢材料，具有优异的性能，被广泛应用于医疗和工业领域。
奥氏体316不锈钢的主要成分包括铬、镍、钼、锰、硅等元素。其中，铬是不锈钢中最重要的元素之一，可以提高不锈钢的耐腐蚀性和耐热性。奥氏体316不锈钢中的铬含量高达16%~18%，可以有效防止钢材表面的氧化和腐蚀。
近年来，伴随着不锈钢焊接工艺的改进，在海工顶侧模块项目上除不涉及腐蚀、压力小的管线采用碳钢管外，其余管线几乎都采用双相不锈钢或奥氏体316不锈钢材料。
这类管线通常采用射线检测技术进行检测，也可采用可记录的超声技术替代射线技术，其中可记录超声检测技术包含相控阵超声技术。
笔者采用单面单侧和单面双侧的扫查方案分别对直径为219 mm，壁厚为34.93 mm的奥氏体不锈钢管对接焊缝模拟缺陷试样实施相控阵超声检测，并射线检测的结果进行对比，最后进行现场应用。试验结果表明，相控阵超声检测可检出奥氏体不锈钢管中的各类型常见缺陷，为海洋工程中的奥氏体不锈钢管线的无损检测提供了参考。
相控阵超声检测的技术优势
随着国内外相控阵超声技术标准的逐步完善，采用不同控阵超声检测技术替代射线检测技术，在降低辐射风险的同时能减少对正常生产作业的干扰，有效保证工程进度，其对危害性面积型缺陷的检出率高于射线检测的，有利于消除重大安全隐患，且相控阵超声技术可以准确确定缺陷深度，便于返修。
射线检测技术和相控阵超声检测技术对相同规格管线实施检测所需时间如表1所示。
表1 射线检测和相控阵超声检测所需时间 由表1可知，管线壁厚约为10 mm时，采用射线和相控阵超声技术检测所花费的时间几乎相同，随着壁厚的增加，射线检测花费的时间逐渐增多。射线检测过程中需要进行辐射防护，检测区域内不允许其他工种施工，而采用相控阵超声技术检测时不仅节省时间，也不妨碍其他工种施工，从而能更好地保证项目进度。
检测工艺
试块设计
目前在建顶侧模块项目规格书规定，其相控阵超声检测应执行标准ASME BPVC V—2021《锅炉与压力容器规范》及ISO 22825—2017《焊缝无损检测-超声波检测-奥氏体钢和镍基合金焊缝检测》相关章节的要求。
灵敏度设置参考试块按标准ASME BPVC V—2021第4章的要求设计。参考反射体为长横孔和表面刻槽，表面刻槽代表检测面和底面的缺陷，长横孔代表焊缝内部缺陷，不同位置的长横孔结构如图1所示，参考反射体参数如表2所示（表中T为被检工件公称厚度），灵敏度设置参考试块的壁厚应与被检工件壁厚相近，取T±10%T或T±3 mm中的较大值。
图1 不同位置的长横孔结构示意 表2 参考反射体参数 缺陷模拟试块按ASME BPVC V—2021标准的要求设计。双侧检测时至少包含3个平面型缺陷或3个EDM（电火花加工）刻槽，其方向平行于被检工件焊缝轴线和主要的坡口面：1个为外表面缺陷，位于被检工件外表面；1个为内表面缺陷，位于被检工件内壁；1个为内部缺陷。 对于单侧检测，至少应包含6个模拟缺陷，其中焊缝轴线两侧各3个模拟缺陷，以此为基础，也可根据检测需要关注的位置增加缺陷数量，验证检测工艺的可行性。缺陷模拟试块结构如图2所示，预埋缺陷参数如表3所示。 图2 缺陷模拟试块结构 表3 预埋缺陷参数（mm） 检测方案 奥氏体316不锈钢焊接接头具有的晶粒粗大、材料各向异性、异质晶界面等特性，会导致声散射增大、信噪比降低、声束扭曲以及在异质界面产生虚假信号，因此常采用低频纵波聚焦探头实施检测。 检测时使用奥林巴斯MX2-32/128PR型相控阵超声设备，对于壁厚小于35 mm的管道，探头类型为4DM16X2-A27；若35 mm≤壁厚≤50 mm，探头类型为2.25DM7X4-A17，探头参数如下： 4DM16X2-A27型探头 类型：双晶矩阵 频率：4 MHz 晶片总数：64 晶片间距：1.00 mm 楔块类型：SA27-DNCR-IHC 2.25DM7X4-A17型探头 类型：双晶矩阵 频率：2.25 MHz 晶片总数：56 晶片间距：2.71 mm 楔块类型：SA17-DN55L0-IHC 超声波在各向异性介质中传播时，声衰减值和声速都受波束方向和晶轴之间夹角的影响，其次，超声能量传播方向的改变会造成超声声束的扭曲。在检测实施过程中，应尽可能避免用穿过焊缝中心的声束检测结果评定缺陷。 依据被检工件的厚度设置多组扇扫，其中根部和上表面单独设置扇扫，焊缝内的扇扫角度范围及组数依据被检工件的厚度和在灵敏度试块上调试的难易程度设定。直径219 mm，壁厚34.93 mm管道的扫查工艺如表4和表5所示。 表4 单面双侧扫查工艺（mm） 表5 单面单侧扫查工艺（mm）
模拟试块检测
采用上述表4和表5所示的方案分别对规格为219 mm×34.93 mm的缺陷模拟试块实施检测，结果如表6所示，表中相对较好的位置是指采用该工艺，在多个位置发现缺陷时，相对较好的检测位置。
表6 相控阵超声检测结果 从检测结果中可知： ① 1#缺陷为上表面趾端刻槽，只能在探头侧发现，探头对侧检测能力取决于上表面爬波的检测能力；A27探头+SA2T-DNCR-IHC楔块组合后，在焊缝上的爬行距离约为12 mm； ② 2#缺陷为根部刻槽，在焊缝两侧均可发现； ③ 3#缺陷为侧壁未熔合，由于该缺陷处于3/4T的位置，深度较深，在焊缝两侧均可发现； ④ 4#缺陷为焊缝内部夹杂物，位于1/2T的位置，且处于焊缝中心，在焊缝两侧均可发现； ⑤ 5#缺陷为侧壁未熔合，位于1/4T的位置，在探头侧易发现，而在缺陷位于探头对侧时，因为是大角度发现，而大角度声程大，则衰减大，所以检测时需要格外注意。当缺陷位于上表面0~4 mm区间时，是检测不到的； ⑥ 6#缺陷为根部横向缺陷，需要结合手工超声检测进行辅助检测； ⑦ 7#缺陷为上表面中心刻槽，其发现取决于探头和仪器组合后的爬波检测能力以及焊缝盖帽宽度，该缺陷在双侧检测时，均未发现，而在单侧扫查时被发现，但是其信号信噪比不高。 综上所述，管对接焊缝实施双侧检测时，6#和7#缺陷漏检，此时需要结合手工超声检测加以辅助检测，以确保发现所预埋缺陷；若受障碍物等因素影响不具备双侧检测条件，而只能实施单面单侧检测，则需要把焊缝盖帽磨平，在焊缝上增加一次扫查，以增加熔合线缺陷的检出率，在此情况下7#缺陷可以有效检出。 双侧检测 在实施双侧检测时，不同规格模拟试块的射线和相控阵超声检测结果对比如表7所示。 表7 模拟试块射线和相控阵超声双侧检测结果对比 90°侧单侧检测 90°侧单侧检测时，不同规格模拟试块的射线和相控阵超声检测结果对比如表8所示。 表8 模拟试块射线和相控阵超声90°单侧检测结果对比 270°侧单侧检测 270°侧单侧检测时，不同规格模拟试块的射线和相控阵超声检测结果对比如表9所示。 表9 模拟试块射线和相控阵超声270°单侧检测结果对比
现场应用
采用上述相控阵超声检测工艺对在建顶侧模块奥氏体316不锈钢管对接焊缝实施检测，共检测3600道焊缝，其中典型缺陷检测结果如图3~5所示。
图3 焊缝中心夹杂物缺陷检测结果 图4 侧壁未熔合缺陷检测结果 图5 焊缝中气孔缺陷检测结果 从图谱上对以上缺陷进行分析，可得到缺陷的长度、深度、相对焊缝中心线的距离等主要信息。以相控阵超声图像方式显示缺陷，信号识别性好，容易区分缺陷信号和非缺陷信号，使检测的评定更加快捷、高效，为缺陷的返修及运行中缺陷的扩展监控提供了依据。
结语
奥氏体316不锈钢材料的特殊性会导致波束偏转扭曲,能量衰减大，因此在检测时尽可能采用低频探头，而对于所发现的信号，需要仔细斟酌，其真实位置会受波束偏转的影响。
相控阵超声检测前，需要实施检测工艺认证。用于灵敏度设置的参考试块需要结合项目规格书的要求进行参考反射体类型、尺寸、位置的设置。缺陷模拟试块需要结合检测中关注区域的位置进行设计，至少要符合项目规格书或检测标准的要求。
工艺设置可以依据所使用的设备和探头，综合考虑波束的覆盖、调试的难易程度等因素，自主设计聚焦法则参数。
对于奥氏体316不锈钢的检测，上表面趾端缺陷检测的难易程度取决于仪器和探头组合后爬波的衰减程度；根部横向缺陷需要结合常规超声辅助检测；坡口未熔合探头侧检测时，波束与缺陷倾斜较大会导致波幅较低，若依据长度和波幅验收，需要以缺陷试块认证时检测的缺陷波幅以及缺陷显示的位置为基础进而加以确认，而靠近上表面坡口未熔合对侧缺陷的检出率，主要取决仪器和探头组合后的信噪比以及大角度声束的衰减。
第一作者简介：张健，工程师，主要从事无损检测的应用研究工作。
