奧氏體不銹鋼點(diǎn)蝕缺陷的相控陣超聲檢測(cè)

奧氏體不銹鋼的點(diǎn)蝕主要產(chǎn)生于含氯離子的介質(zhì)中，一般來(lái)說(shuō)，氯離子含量越高越易引起點(diǎn)蝕，因?yàn)槁入x子對(duì)材料的鈍化膜有破壞作用，并且當(dāng)介質(zhì)中有氧或酸存在時(shí)，金屬更易發(fā)生點(diǎn)蝕。不論是奧氏體不銹鋼純板材還是其復(fù)合板制壓力容器、壓力管道都無(wú)法避免氯離子引起的點(diǎn)蝕問(wèn)題，在油氣輸送裝置中，點(diǎn)蝕更易發(fā)生。筆者通過(guò)近些年對(duì)中石油、中石化等企業(yè)的跟蹤，了解到介質(zhì)（原油或天然氣）組分不穩(wěn)定，氯離子含量時(shí)常超標(biāo)等因素引起設(shè)備出現(xiàn)點(diǎn)蝕破壞的情況十分普遍，嚴(yán)重影響了設(shè)備的安全運(yùn)行。圖1典型的點(diǎn)蝕形貌示意由上圖所示的典型點(diǎn)蝕形貌可知，奧氏體不銹鋼點(diǎn)蝕有以下特征：①孔徑小，小的直徑只有幾微米，大的一般小于2mm；②洞口有腐蝕產(chǎn)物遮蓋；③金屬損失量??；④蝕孔通常沿重力方向生長(zhǎng)。1相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)控制相控陣探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射與接收的檢測(cè)方法。該技術(shù)通過(guò)調(diào)整陣列換能器各陣元發(fā)射與接收的相位延遲，合成在一定范圍內(nèi)有聚焦、偏轉(zhuǎn)等效果的聲束。相控陣超聲換能器由多個(gè)晶片組合而成，每個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間均由主機(jī)單獨(dú)控制，一個(gè)換能器可形成多種聲場(chǎng)，可提供比單個(gè)或多個(gè)換能器系統(tǒng)更大的檢測(cè)范圍和更強(qiáng)的檢測(cè)能力。檢測(cè)時(shí)，探頭前后位置不動(dòng)，通過(guò)軟件調(diào)節(jié)參數(shù)可形成需要的聲束，檢測(cè)過(guò)程可實(shí)時(shí)成像。相控陣超聲檢測(cè)常見(jiàn)掃查方式如下圖所示。圖2相控陣超聲檢測(cè)常見(jiàn)的掃查方式示意2檢測(cè)試驗(yàn)試塊制作試驗(yàn)通過(guò)測(cè)試超聲波在不同材料中的衰減程度來(lái)確定實(shí)際檢測(cè)時(shí)的掃查靈敏度。筆者設(shè)計(jì)了不同材料、不同缺陷參數(shù)的7個(gè)試塊，各試塊具體參數(shù)和示意圖如下：試塊1材料：316L規(guī)格(長(zhǎng)×寬×板厚，mm)：240×240×27平底孔缺陷孔徑：0.5，1.0，1.5，2.0mm平底孔缺陷深度：0.5，1.0，1.5，2.0，3.0mm刻槽（長(zhǎng)×寬×深，mm）：5×0.3×（0.5，1.0，1.5，2.0，3.0）試塊類型：板材試塊2材料：20鋼規(guī)格(長(zhǎng)×寬×板厚，mm)：240×240×27平底孔缺陷孔徑：0.5，1.0，1.5，2.0mm平底孔缺陷深度：0.5，1.0，1.5，2.0，3.0mm刻槽（長(zhǎng)×寬×深，mm）：5×0.3×（0.5，1.0，1.5，2.0，3.0）試塊類型：板材試塊3材料：20鋼+316L規(guī)格(長(zhǎng)×寬×板厚，mm)：240×200×（24+3）(“24+3”為24mm厚20鋼+3mm厚316L)平底孔缺陷孔徑：0.5，1.0，1.5，2.0mm平底孔缺陷深度：0.5，1.0，1.5，2.0，3.0mm試塊類型：復(fù)合板材試塊4材料：20鋼+316L規(guī)格(長(zhǎng)×寬×板厚，mm)：240×200×（24+3）平底孔缺陷孔徑：0.5mm平底孔缺陷深度：0.5，1.0，1.5，2.0，3.0mm試塊類型：對(duì)接焊縫試塊5材料：20鋼+316L規(guī)格(長(zhǎng)×寬×板厚，mm)：240×200×（24+3）平底孔缺陷孔徑：1.0mm平底孔缺陷深度：0.5，1.0，1.5，2.0，3.0mm試塊類型：對(duì)接焊縫試塊6材料：20鋼+316L規(guī)格(長(zhǎng)×寬×板厚，mm)：240×200×（24+3）平底孔缺陷孔徑：2.0mm平底孔缺陷深度：0.5，1.0，1.5，2.0，3.0mm試塊類型：對(duì)接焊縫試塊7材料：20鋼+316L規(guī)格(長(zhǎng)×寬×板厚，mm)：240×200×（24+3）刻槽（長(zhǎng)×寬×深，mm）：5×0.3×（0.5，1.0，1.5，2.0，3.0）試塊類型：對(duì)接焊縫圖3板材試塊結(jié)構(gòu)及缺陷分布示意圖4復(fù)合板材試塊結(jié)構(gòu)及缺陷分布示意（缺陷加工在復(fù)合板側(cè)）圖5焊縫試塊結(jié)構(gòu)及缺陷分布示意（缺陷位于焊縫中心）試塊設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：①便于實(shí)現(xiàn)缺陷的定量比對(duì)；②模擬腐蝕孔要有一定的面積和深度，且形貌要與真實(shí)的腐蝕孔相近，因?yàn)闇\（深度小于0.5mm）而面積較大的單個(gè)腐蝕孔對(duì)容器、管道的安全性能影響甚微，所以主要將模擬腐蝕孔設(shè)計(jì)為最大孔徑為2.0mm，最大孔深為3.0mm的平底孔；③試塊加工的原材料不應(yīng)存在任何缺陷，缺陷加工應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T11259-2015《無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)用鋼參考試塊的制作與控制方法》的要求。檢測(cè)設(shè)備試驗(yàn)使用OmniScanMX型超聲檢測(cè)儀和5L64-38.4×10-A12-P-5-OM型線型相控陣探頭。探頭主軸長(zhǎng)為38.4mm，次主軸長(zhǎng)為10mm，頻率為5MHz，晶片間距為0.6mm，激發(fā)孔徑為8mm，步進(jìn)設(shè)置為1mm。試驗(yàn)設(shè)置激活陣元數(shù)為8~16（每次增加1），檢測(cè)方式為單線陣檢測(cè)。在試塊無(wú)缺陷平整光潔的表面處進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)，將其底面回波高度調(diào)至滿屏的80%并以此作為基準(zhǔn)靈敏度，若在基準(zhǔn)靈敏度下檢測(cè)效果不佳，則將增益增加6dB作為檢測(cè)靈敏度；若仍無(wú)法有效發(fā)現(xiàn)人工缺陷，則將增益再增加6dB進(jìn)行檢測(cè)，若此時(shí)仍無(wú)法發(fā)現(xiàn)人工缺陷，則將該缺陷標(biāo)記為無(wú)法檢出。檢測(cè)結(jié)果圖61號(hào)板材試塊的相控陣超聲成像結(jié)果圖72號(hào)板材試塊的相控陣超聲成像結(jié)果圖8復(fù)合板材試塊直徑為1mm平底孔的相控陣超聲成像結(jié)果圖9對(duì)接焊縫試塊的相控陣超聲成像結(jié)果以1號(hào)板材試塊為例，利用TomoView軟件測(cè)量其直徑為2mm，深度分別為1.0，1.5，2.0，3.0mm平底孔缺陷的參數(shù)，缺陷測(cè)量界面如圖10所示。實(shí)際測(cè)量得到的缺陷深度分別為1.2，1.3，2.0，3.0mm。圖101號(hào)板材試塊平底孔缺陷測(cè)量界面分析檢測(cè)結(jié)果可以得到結(jié)論：01當(dāng)缺陷面積較小時(shí)，回波信號(hào)幅值較低，檢測(cè)信號(hào)信噪比較低，缺陷難以檢出；02奧氏體不銹鋼晶粒粗大，回波噪聲較高；03增益偏高或偏低，都會(huì)降低缺陷與周?chē)尘暗膶?duì)比度和圖像的分辨力，從而影響缺陷的定量分析，使缺陷的定量尺寸偏大或偏??；04相控陣超聲檢測(cè)奧氏體不銹鋼母材的最小可檢平底孔直徑為1.0mm，深度為1.0mm，最小可檢刻槽尺寸為5mm×0.3mm×1.5mm；05相控陣超聲檢測(cè)碳鋼母材的最小可檢平底孔直徑為0.5mm，深度為1.5mm，最小可檢刻槽尺寸為5mm×0.3mm×1.0mm；06相控陣超聲檢測(cè)復(fù)合板對(duì)接焊縫的最小可檢刻槽尺寸為5mm×0.3mm×1.0mm；07利用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)奧氏體不銹鋼類（含復(fù)合層）材料時(shí)，建議將掃查靈敏度設(shè)置為基礎(chǔ)靈敏度+12dB，檢測(cè)碳鋼類材料時(shí)，建議將掃查靈敏度設(shè)置為基礎(chǔ)靈敏度+6dB；08奧氏體不銹鋼類材料的缺陷深度的測(cè)量誤差小于0.5mm，碳鋼類材料缺陷的深度測(cè)量誤差小于0.3mm；09復(fù)合層的界面波對(duì)圖像質(zhì)量有較大的影響，應(yīng)適當(dāng)控制閘門(mén)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。3檢測(cè)應(yīng)用對(duì)某集氣站的1臺(tái)分離器進(jìn)行了腐蝕檢測(cè)。被檢對(duì)象外徑為1219mm，高度為4572mm，壁厚為65.5mm，材料為16MnR+316L。相控陣超聲儀器型號(hào)為OMNISCANMX，探頭型號(hào)為5L64-A2（楔塊型號(hào)為SA2-OL-IHC），共有64個(gè)陣元，設(shè)置激發(fā)陣元數(shù)為8個(gè)，聚焦深度為65.5mm，聚焦方式為零度線性聚焦。對(duì)容器易出現(xiàn)腐蝕的底部位置進(jìn)行了相控陣超聲檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)3處腐蝕深度大于2mm的局部腐蝕區(qū)域，最大腐蝕深度為3.7mm。缺陷測(cè)量參數(shù)如下表所示（單位：mm）：缺陷編號(hào)水平位置坐標(biāo)豎直位置坐標(biāo)缺陷長(zhǎng)度×寬度缺陷深度113328322×292.3217327524×403.7315528020×212.6檢測(cè)部位及局部腐蝕區(qū)位置如圖11所示，3處腐蝕缺陷的成像結(jié)果如圖12所示，其中每組小圖的左上為A掃描圖像，左下為C掃描圖像，右上為B掃描圖像，右下為D掃描圖像。圖11腐蝕檢測(cè)部位及局部腐蝕區(qū)位置示意圖123處腐蝕缺陷的相控陣超聲成像結(jié)果由圖12可知，缺陷1的底波中斷較少，缺陷波波幅較低，C掃描圖像上缺陷的形狀不完整；缺陷2的底波中斷明顯，缺陷波波幅較高，由D掃描圖像可明顯看到底波上移到頂部的過(guò)程；缺陷3的底波中斷明顯，缺陷波波幅較高。