小徑管對接環(huán)焊縫的超聲波探傷

1.摘要
在鍋爐壓力容器制造及壓力管道的安裝生產(chǎn)中，經(jīng)常碰到管子對接焊縫的無損檢測問題。一般情況下這些焊縫多采用射線檢測方法，但在一些特殊情況下，射線檢測難以進行，就需要用超聲波來進行檢測。對于大直徑厚壁管對接焊縫，其超聲波檢測方法與平板對接焊縫無多大區(qū)別，而小直徑薄壁對接焊縫的超聲波檢測就有其特殊性。在實際探傷實踐中要依據(jù)所探管子的直徑、壁厚、焊縫的焊接方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)，正確地選擇儀器、探頭、試塊，并能在實際探傷探傷中對缺陷作出正確地判斷。
關(guān)鍵詞：小徑薄壁管 幾何散射 幾何反射波 缺陷
2.小直徑薄壁管對接焊縫超聲波探傷的影響因素
2．1幾何散射的影響
幾何散射的影響主要來自兩個方面：
2．1、1接觸面的幾何散射：由于小直徑管其曲率較大而探頭楔塊多為平面，這樣其與管子的接觸面就變小，在探頭與管子不能很好吻合的部位，晶片發(fā)出的超聲波在管子外表面就會產(chǎn)生散射。*，超聲傾斜入射到異質(zhì)界面時，會產(chǎn)生折射、反射和波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，折射方向遵循折射定律：
C1/C2=sinα/sinβ
C1—*介質(zhì)中的聲速
C2—第二介質(zhì)中的聲速
α—*介質(zhì)中的超聲波入射角
β—第二介質(zhì)中的超聲波折射角
在探頭有機玻璃楔塊與鋼管不能*吻合時，超聲波探頭所發(fā)射的聲波就不能*折射到到管子里，在管子外表面產(chǎn)生反射。這樣超聲波的強度就大大降低，影響了探傷靈敏度。

2．1．2探頭邊緣聲束的散射
如果將有機玻璃楔塊磨成圓弧，與管子外壁較好吻合，但晶片的邊緣聲束在折射到管子時，也會產(chǎn)生強烈的散射現(xiàn)象。晶片越大，散射就嚴(yán)重。晶片1<晶片2，折射到管子里的聲波β1＜β2
 亦即晶片2的散射較晶片1大。經(jīng)過實踐證明，對于小直徑薄壁管超聲波探傷時，為了減小幾何散射的影響，先將探頭楔塊磨成園弧狀，晶片尺寸選擇在6-10㎜之內(nèi)，這樣散射現(xiàn)象不十分嚴(yán)重，且探傷靈敏度也能滿足要求。
2．2幾何反射波的影響
由半擴散角公式θ＝arcsin（k?λ/D）可知，晶片尺寸變小時,θ角將增大，指向性變差。頻率增大時，λ變小，θ值變小，指向性較好。采用方形晶片時，K=1。圓形晶片時，K=1.22。為了克服由于晶片小，指向性差，工件壁厚薄焊縫根部及焊縫表面幾何反射波雜亂的現(xiàn)象，就需要提高晶片的頻率和適當(dāng)增大晶片尺寸。所以選用晶片邊長D不太小，頻率為5MHZ的晶片，可使幾何反射波大大減小。
2．3缺陷定位的影響
由于幾何反射信號的存在，在探傷中定位方法的選取就很重要。為了定位的準(zhǔn)確，必須在調(diào)整儀器時利用遠場區(qū)進行定位。由橫波聲場第二介質(zhì)中的近場長度公式N=（FS/πλ2）?（cosβ/cosα）-（L1tgα/tgβ）可知，在探頭晶片頻率一定時，要使N變小，就必須減小FS。 通過計算表明，當(dāng)方形晶片D≤8㎜ 時，即可滿足要求。比如，選用D=8㎜,頻率為5MHZ,K=2.5, 斜探頭入射點至晶片距離L=12㎜, 探傷壁厚為6㎜的管子對接焊縫，其在第二介質(zhì)中的近場長度 N=（8×8/3.14×0.646）×0.6-（12×0.5）=12.93㎜,在6㎜壁厚的管子中，K=2.5探頭一的一次聲程S=6/cos68.3=16.2㎜，管子中一次聲程已大于探頭的近場長度，可以滿足遠場定位的要求。
3.1探傷操作：
3.1試塊、儀器、探頭的基本要求
3．1．1目前無論是電力系統(tǒng)，還是石油系統(tǒng)，都在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了試塊的型號，不同的直徑有不同的試塊。
3.1.2儀器
儀器選用數(shù)字式超聲波探傷儀，其工作頻率應(yīng)該是1-10MHZ范圍，分辨力要求在聲程差2㎜時，不低于26dB，儀器與探頭的組合靈敏度在探測20㎜深的Φ1橫通孔波高二格高時，儀器靈敏度至少有20 dB以上的余量，儀器的始波寬度5MHZ時，不超過2.5㎜（相當(dāng)于鋼中深度）。
3.1.3探頭
晶片尺寸選用8×8㎜ 或者6×6㎜ , K值選用2.5~3.0，探頭的楔塊依照不同管徑磨成不同園弧，以使其與管子吻合好。探頭前沿長度在5～8㎜范圍，要求一次波必須能掃查到焊縫根部。JB4730-2005標(biāo)準(zhǔn)推薦用雙晶斜探頭或線聚焦探頭。 頻率5MHZ。
3.2儀器的調(diào)整
3.2.1掃描比例調(diào)整：在小管探傷試塊上，選擇15㎜和5㎜深的兩個孔，按水平1：1定位法調(diào)節(jié)掃描基線，并用10㎜深的孔進行校準(zhǔn)。（也可采用聲程定位法進行調(diào)節(jié)）
3.2.2探傷靈敏度的調(diào)節(jié)
探傷靈敏度的確定，不同標(biāo)準(zhǔn)有不同的要求。如電力行業(yè)DL/T820-2002標(biāo)準(zhǔn)中對中小徑管焊接接頭管子壁厚小于6㎜時，DAC曲線的繪制方法是將h=5㎜的Φ1橫通孔回波調(diào)節(jié)到垂直刻度的80%高，畫一條直線，用于一次波檢驗，然后降低 4dB 再畫一條線用于二次波檢驗。檢測靈敏度是DAC-10dB。石油天然氣行業(yè)的 SY4065-93標(biāo)準(zhǔn)DAC曲線的繪制方法和JB4730-94標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法基本相同,只是其判廢靈敏度為DAC-2dB，定量靈敏度DAC-8dB ，評定靈敏度DAC-14dB。
對未焊透的評定，標(biāo)準(zhǔn)要求用未焊透對比試塊來進行評定，DL/T820-2002標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定用半月狀刻槽試塊,而SY4065-93標(biāo)準(zhǔn)用寬度為1㎜,深度為管子壁厚10%的對比試塊，只要波高超過人工刻槽的未焊透就是不允許存在的缺陷。
3.3實際檢測
3.3.1觀察區(qū)的確定
由于小管焊縫壁厚較薄，又常用水平或者聲程定位，所以在探傷時，首先要分清一次波，二次波及三次波出現(xiàn)的區(qū)域，用標(biāo)記點標(biāo)注在儀器熒光屏上。為了減少鑒別反射信號的工作量,把熒光屏上經(jīng)常出現(xiàn)的幾何反射信號的區(qū)域稱之為非觀察區(qū)，而把缺陷信號經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)域稱之為觀察區(qū)。如根部未焊透經(jīng)常出現(xiàn)在一次波前附近區(qū)域，沿坡口未熔合經(jīng)常出現(xiàn)在一、二次波之間的區(qū)域。在管子壁厚小于8㎜時，常常利用三次波來判斷根部缺陷。
對于不開坡口或鈍邊不大于2㎜的V型坡口焊縫，現(xiàn)大多采用氫弧焊，這類焊縫由于根部較少產(chǎn)生未熔合缺陷，用一次波或三次波就能較好地發(fā)現(xiàn)根部缺陷。
3.3.2耦合劑：選用甘油、漿糊、機油等。
3.3.2.3探頭掃查方式：多采用鋸齒掃查，探頭前后移動距離要保證三次波能掃查到焊縫根部，對根部缺陷用定位法掃查。
4.波形分析
4.1幾何反射波
4.1.1“底波”信號：如果焊縫根部表面比較平滑，不具備反射條件時，不出現(xiàn)“底波”信號。一般情部下，焊縫根部大多具備反射條件，因此會出現(xiàn)“底波”（一次波）。
4.1.2焊縫余高反射信號：當(dāng)探頭稍往后移動，二次波會掃查到余高與母材的過度區(qū)，會出現(xiàn)反射波。

4.1.3焊縫內(nèi)表面引起的反射信號
對薄壁管對接焊縫探傷一定要分清幾何反射波的位置，特別是在二次波觀察區(qū)這些幾何反射波出現(xiàn)較多。
4.2缺陷反射信號的識別
4.2.1未焊透：未焊透是具有良好的反射面，多垂直于管子表面。一般從焊縫兩側(cè)探均有反射信號。其位置出現(xiàn)在一次底波之前。有時未焊透信號和底波同時呈現(xiàn)，有時僅有缺
陷反射信號，水平定位時多在焊縫中心。
對一些在役管道進行檢查時，還會碰到帶墊圈的管道對接焊縫。這些焊縫標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是不允許有未焊透缺陷存在的，但由于過去的焊接水平和設(shè)備的原因，未焊透的情況經(jīng)常存在，在運行中這些未焊透缺陷將是產(chǎn)生裂紋的源頭。對這類焊縫探傷要注意墊圈波的位置，未焊透出現(xiàn)在墊圈波之前。

在這種焊縫探傷時，還會遇到由于墊圈與管子內(nèi)壁貼合不緊而產(chǎn)生的墊圈間隙波，這個波也在墊圈波之前，就要注意與未焊透缺陷進行區(qū)分。墊圈間隙波的位置在未焊透波之后，在墊圈波之前，其在儀器上顯示的深度值大于或等于管道壁厚，而未焊透缺陷波所顯示的深度值小于管道壁厚。就是墊圈間隙波和未焊透缺陷波的比較。

f是未焊透波,J是墊圈間隙波,B是墊圈波

4.2.2裂紋：裂紋常出現(xiàn)在根部，有時也出現(xiàn)在熱影響區(qū)，根部裂紋的特點與未焊透相同，裂紋深度較大時，二次波，三次波均可發(fā)現(xiàn)。水平定位時，隨裂紋的深度情況，有時在焊縫中心，有時偏離焊縫中心，但不會太遠。
4.2.3邊緣未熔合：未熔合多出現(xiàn)在坡口附近，因此二次波的反射條件良好，且波幅較高。這類缺陷波出現(xiàn)在二次波觀察區(qū)，水平定位時多在偏離焊縫中心的探頭側(cè)。
在前邊已經(jīng)敘邊了幾何反射波的特點和位置，所以在正確區(qū)分坡口未熔合與幾何反射波及變型波就要依水平定位的準(zhǔn)確程度。坡口未熔合水平定位多在靠近探頭側(cè)，幾何反射波水平定位多在遠離探頭側(cè)。
4.2.4夾渣：夾渣經(jīng)常出現(xiàn)在焊縫邊緣，沒有一定方向性。二次波和三次波都有可能發(fā)現(xiàn)。其反射波較坡口邊緣未熔合的波幅低。