小徑管對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)中的問題分析

余道國

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450007)

0 引言

火力發(fā)電廠鍋爐受熱面所用管徑小(? 32～? 89 mm)且管壁薄(4.0 ～12.0 mm)的管子，通常被稱為小徑管。對(duì)于小徑管對(duì)接焊縫的檢測(cè)，可以采用超聲波和射線2種方法進(jìn)行檢測(cè)，2種方法各有優(yōu)劣。

射線檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)體積型缺陷(如氣孔和夾雜缺陷)的檢測(cè)靈敏度較高，定位、定量較準(zhǔn)確。其缺點(diǎn)是對(duì)裂紋缺陷不敏感、檢驗(yàn)周期長、對(duì)人體有害、材料消耗高、設(shè)備體積及質(zhì)量較大、對(duì)透照?qǐng)龅匾筝^高等。

超聲波檢測(cè)對(duì)面積型缺陷(如未熔合和裂紋)十分敏感，但由于管壁太薄，曲率較大，探測(cè)時(shí)超聲波從管子外壁進(jìn)入，使聲束擴(kuò)散，返射率低，降低了檢出率。由于壁薄焊縫余高、寬度的影響較大，為使一次聲束掃查到焊縫下部，需用大K值探頭，這樣，將會(huì)造成聲場的畸變，出現(xiàn)各種特異現(xiàn)象，給缺陷的定位造成較大困難。

1 關(guān)于探頭折射角隨深度發(fā)生改變的問題

由于小徑管具有管徑小、曲率大、管壁薄的特點(diǎn)，再加上焊縫余高有一定寬度，使用一次波和二次波探傷，探頭的選擇最為關(guān)鍵。

橫波探傷中探頭角度的選擇主要取決于聲程的范圍、檢驗(yàn)的厚度和所用的波次。受工件內(nèi)外表面粗糙度和曲率的影響，為減小聲能的損失，以一次波、二次波探傷為宜。對(duì)于小徑管焊縫探傷，考慮到焊縫余高寬對(duì)探頭移動(dòng)范圍的限制，需選擇較大角度的探頭，以使聲掃查整個(gè)焊縫斷面。根據(jù)折射定律表達(dá)為

由于探頭楔塊聲速CL1＜鋼中橫渡聲速CS2，當(dāng)入射角αL增大到一定程度時(shí)，橫波擴(kuò)射角βS=90°，這時(shí)，在第2介質(zhì)(鋼)中即無縱波也無橫波，而在第2介質(zhì)表面形成表面波，實(shí)際探傷中由于聲束擴(kuò)散，當(dāng)βS接近90°時(shí)，就已有表面波產(chǎn)生，形成較強(qiáng)的干擾。所以，選擇大角度探頭時(shí)應(yīng)考慮產(chǎn)生表面波的影響，角度不宜過大，由此計(jì)算出聚楓透聲楔塊的第2臨界角αII和半擴(kuò)散角θ。

顯然，大K值探頭擴(kuò)散波束會(huì)在鋼管表面產(chǎn)生表面波。由于小徑管超聲波探傷是以一次波和二次波做整個(gè)斷面掃查，在保證一次波掃查根部和近根部焊縫斷面中心線1/4壁厚以下的斷面的前提下，K值可適當(dāng)減小，以減少表面波的強(qiáng)度以及對(duì)橫波探傷的干擾。探頭K值的選擇見表1。

表1 探頭K值的選擇

通過分析不同K值的探頭波程－波幅高度包絡(luò)線的特征，說明了探頭K值越大，探頭的包絡(luò)線越平緩而不尖銳。在采取大K值探頭探傷時(shí)，需要對(duì)每個(gè)反射波做細(xì)微的觀察和推敲;在對(duì)缺陷的當(dāng)量和位置測(cè)定時(shí)，要防止出現(xiàn)較大的誤差。

由于橫波是縱波斜入射在界面上發(fā)生了波型轉(zhuǎn)換而得到的，故聲場發(fā)生了畸變，它與縱波聲場相比有其特殊性，而且更加復(fù)雜。對(duì)于小徑薄壁管焊縫探傷而言，選用大K值探頭，可使縱波入射角處于第2臨界角的附近。受擴(kuò)散波束的影響，其上半擴(kuò)散角的部分聲束由縱波轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娌ǎ沟脵M波聲場的聲壓分布也發(fā)生了復(fù)雜的變化，造成了用不同深度的孔測(cè)得的折射角略有不同。其結(jié)果見表2。

表2 不同深度的孔對(duì)應(yīng)的探頭K值

顯然，隨著孔深的增加和折射角減小，為了確保定位的準(zhǔn)確性，一定要在與被探管子壁厚接近的孔測(cè)定折射角。

2 關(guān)于試塊的問題

小徑管焊縫探傷必須采用專用試塊，試塊設(shè)計(jì)既能滿足探頭及儀器性能的測(cè)試要求，又能滿足各種不同曲率半徑管子探傷靈敏度調(diào)整的要求。為了確定二次波探傷曲率對(duì)聲能的損耗量以及根部缺陷的當(dāng)量大小，還應(yīng)設(shè)計(jì)專用對(duì)比試塊。

國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)小徑管焊縫探傷試塊進(jìn)行了多年的研究，試塊的大體形狀、人工缺陷的大小及分布如圖1所示。

通過多年的現(xiàn)場應(yīng)用，筆者認(rèn)為，采用? 2mm×15 mm橫通孔，距表面深度分別為4 mm，5 mm，7 mm，10 mm，按10 mm等間距依次分布的形式布置，可方便地實(shí)現(xiàn)距離－波幅曲線的測(cè)量與繪制，給檢測(cè)工作帶來便利，可極大地提高工作效率。

3 補(bǔ)償量的確定

3.1 表面粗糙度的補(bǔ)償

由于試塊的粗糙度與被探管子的探測(cè)面不一樣，檢測(cè)使用泛美公司2002超聲波探傷儀，2個(gè)5 MHz K3的探頭一收一發(fā)，利用? 60 mm×5 mm的焊樣，將外表面打磨光滑(與試塊的粗糙度相當(dāng))、用砂布將外表面稍加打磨(與實(shí)際探傷時(shí)情況相似)、對(duì)內(nèi)表面不打磨和內(nèi)表面光滑等4種狀況進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3。

表3 4種狀況下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

在實(shí)際探傷過程中，管子內(nèi)、外表面都處于不光滑狀態(tài)，所以，就工件表面粗糙度補(bǔ)償量而言，一次波探傷以2 dB、二次波探傷以4 dB為宜。

3.2 小徑管曲率折、散射補(bǔ)償

將探頭置于DL－1試塊的A面，探測(cè)T3孔最強(qiáng)反射波，調(diào)到滿幅的60%記錄哀減器的讀數(shù)，在同樣的條件下，探頭置于B面，測(cè)試下部的T3孔最強(qiáng)反射波，調(diào)到滿幅60%，記錄衰減器的讀數(shù)，兩者相差的dB值即為內(nèi)弧曲率折、散射補(bǔ)償，下面是使用泛美公司2002型儀器對(duì)傘40、傘55、傘76試塊實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，具體結(jié)果見表4。

表4 傘40、傘55、傘76試塊的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

可見，隨著曲率的增大，其波幅差亦增大。而在實(shí)際探傷中，還要考慮到內(nèi)外管壁粗糙度的影響，尤其是在役管子，其內(nèi)壁情況更差，采用二次波探傷時(shí)，補(bǔ)償量一般再增加2～4 dB。

圖1 DL－1型小徑管試塊圖

4 缺陷的判定

4.1 缺陷位置的確定

缺陷的埋藏深度可以從儀器上直接讀出，缺陷的水平位置可以用實(shí)測(cè)的K值乘以深度得出。

4.2 缺陷大小的確定

條狀缺陷指示長度的測(cè)量:當(dāng)缺陷長度等于或大于聲束直徑時(shí)，可采用半波高變法測(cè)量缺陷的指示長度，以管子表面實(shí)測(cè)值計(jì)，不進(jìn)行深度修正。連續(xù)多個(gè)缺陷回波的總長測(cè)量是以開始的最大波幅為起點(diǎn)，測(cè)到最后一個(gè)最大波幅為終點(diǎn)，其測(cè)量結(jié)果為該組缺陷的總長。

4.3 缺陷波形的分析

4.3.1 焊縫內(nèi)部缺陷

對(duì)于一次波探傷來說，反射波出現(xiàn)在一次波標(biāo)記點(diǎn)以前;對(duì)于二次波探傷來說，反射波出現(xiàn)在一次波標(biāo)記點(diǎn)和二次波標(biāo)記點(diǎn)之間。應(yīng)注意區(qū)分變形表面波，根部變形波以及擴(kuò)散聲束引起的余高反射波。可用沾油的手指拍打焊縫及水平定位是否在焊縫上來驗(yàn)證。

4.3.2 焊縫根部缺陷

反射波位于一次波最大標(biāo)記點(diǎn)上，水平定位在焊縫中心或探頭側(cè)。應(yīng)注意對(duì)錯(cuò)邊和焊瘤的區(qū)分，對(duì)可疑信號(hào)應(yīng)仔細(xì)觀察分析，以防誤判和漏檢。根部缺陷可用溝槽試塊對(duì)比，確定其深度。

4.3.3 干擾波

在探傷時(shí)，熒光屏上除了真正的缺陷反射波外，還會(huì)出現(xiàn)一些假信號(hào)，這些假信號(hào)干擾了對(duì)真正缺陷的判定，通過詳細(xì)分析，假信號(hào)是能夠區(qū)分的。

4.3.3.1 焊縫根部成形的影響

當(dāng)根部成形較好時(shí)，一般無反射波或反射波強(qiáng)度較弱，當(dāng)根部成形不良(如熔透度較大或成形不規(guī)則)時(shí)，從焊縫兩側(cè)探傷一般均有根部成形反射信號(hào)。其波形特點(diǎn)與未焊透等根部缺陷相似，其反射強(qiáng)度隨根部成形所構(gòu)成的反射條件而異，若不注意往往會(huì)判為缺陷。

當(dāng)前，云南正處于制造業(yè)追趕、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)加快發(fā)展以及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化雙加速的階段，處于發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、優(yōu)勢(shì)充分釋放的關(guān)鍵時(shí)期，處于體制機(jī)制變革、發(fā)展階段躍升的重要關(guān)口，面臨著速度變化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力轉(zhuǎn)化等多重壓力，云南長期以來以資源開發(fā)和規(guī)模擴(kuò)張為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方式已難以為繼。

區(qū)別的方法主要有2點(diǎn):一是從聲程上比較，根部成形反射波出現(xiàn)的位置略大于一次波標(biāo)記點(diǎn)，要求盡量準(zhǔn)確地調(diào)整掃描速度;二是從水平定位來區(qū)別，根部成形反射波水平定位在偏離焊縫中心線遠(yuǎn)離探頭一側(cè)，而根部缺陷水平定位則應(yīng)在焊縫中心線或偏離焊縫中心靠近探頭一側(cè)，如圖2所示。

圖2 根部成形反射與缺陷反射對(duì)比

4.3.3.2 錯(cuò)邊引起的反射波

施工驗(yàn)收規(guī)范焊接篇中，對(duì)于管子單面焊的局部錯(cuò)口來說，允許有不超過管子壁厚10%且不大于1 mm的錯(cuò)邊。當(dāng)有錯(cuò)邊存在時(shí)，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)邊反射波，其水平定位基本上在焊縫中心，如圖3所示。但從焊縫另一側(cè)探測(cè)時(shí)，由于沒有反射條件，因此，沒有反射信號(hào)。

圖3 錯(cuò)邊引起的反射波

4.3.3.3 擴(kuò)散波束引起的余高表面波反射波

由于被探小徑管較薄，需采用大K值探頭，其縱波入射角接近第2臨界角，其邊沿波束可產(chǎn)生表面波，雖然在保證探傷的前提下，盡可能減小表面波的強(qiáng)度，使其不干擾橫波探傷，但由于受探傷面不平，小焊渣和油膜厚度的影響，將可能增大其入射角，產(chǎn)生較強(qiáng)的表面波(如圖4所示)，在余高處產(chǎn)生反射。可根據(jù)探頭位置的水平定位或用沾油的手指拍打焊縫余高來識(shí)別。

圖4 小焊渣引起表面波

4.3.3.4 變形波引起的反射波

當(dāng)聲束掃查到焊縫根部時(shí)，在一定條件下會(huì)產(chǎn)生變形波，如果變形波經(jīng)過焊縫余高返回到探頭，其反射波正好處在一次波和二次波標(biāo)記點(diǎn)之間，有時(shí)可能誤判為缺陷。可根據(jù)探頭位置和水平定位來區(qū)別，一般變形波水平定位點(diǎn)在焊縫之外。

5 在探傷過程中應(yīng)注意的問題

5.1 測(cè)定探頭入射點(diǎn)

小徑管尺寸公差較大，正負(fù)相差0.5 mm左右，為了準(zhǔn)確地定位、定量，探傷前一定要對(duì)探頭入射點(diǎn)進(jìn)行精確測(cè)定。

5.2 掃描速度調(diào)整

由于管壁厚度小，焊縫中缺陷反射波的聲程距離較近，為了充分利用熒光屏的整個(gè)屏幕，使顯示的缺陷反射波清晰易辨，掃描速度可按管子厚度一次及二次反射波占滿整個(gè)熒光屏來調(diào)整。調(diào)整掃描速度應(yīng)考慮孔徑的修正，修正值 X =(Df×cos β)/2=cos β 對(duì) 應(yīng)探頭 K 值范圍為2.2 ～3.0，其修正值范圍為0.3 ～0.4 mm。

5.3 探傷起始靈敏度的調(diào)整

在DL－1型試塊上深度與被探管子壁厚相近的? 2 mm通孔調(diào)整，使其最強(qiáng)反射波幅達(dá)到熒光屏滿幅的60%為基準(zhǔn)波幅，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)再增益14 dB作為探傷起始靈敏度。

5.4 小徑管表面氧化皮和焊縫余高的處理

小徑管表面有1層較致密的高溫氧化皮，在實(shí)際工作中難以去除，通過試驗(yàn)對(duì)比了去除氧化皮前、后的反射波幅，其差值在1 dB以內(nèi)。因此，對(duì)壁厚為4 mm的管子來說，一定要將這層致密氧化皮去除，探傷時(shí)提高1 dB即可，焊縫余高寬度應(yīng)滿足一定的要求。由于要求一次波束掃查焊縫斷面1/4壁厚以下斷面，若按焊縫余高寬度為9 mm計(jì)算，其K值應(yīng)為3.0，若余高再寬，K值仍需增大，其表面波的干擾將增大，必須對(duì)余高寬度修磨。

5.5 耦合劑的選用

由于使用的探頭角度較大，為避免出現(xiàn)變形波反射，耦合劑可采用黏度較大的機(jī)油，不應(yīng)采用漿糊、凡士林一類較稠的耦合劑，另外在涂耦合劑時(shí)要適量，不宜過厚。當(dāng)耦合劑涂抹較多時(shí)，易產(chǎn)生較強(qiáng)的“油膜”反射波，該波波根較寬，游動(dòng)范圍大，把多余的油擦掉后該波消失。

5.6 操作過程

在探測(cè)過程中，探頭應(yīng)始終保持垂直，在焊縫前后和周向移動(dòng)。探頭不要偏斜，以免產(chǎn)生雜亂反射波，干擾對(duì)缺陷的評(píng)定。先粗探1周，對(duì)可疑部位記下位置后再進(jìn)行細(xì)探。從焊縫兩側(cè)，進(jìn)行探測(cè)，看是否都有反射波。根據(jù)水平定位，用沾油的手指拍打，觀察反射波是否跳動(dòng)，以排除干擾信號(hào)。當(dāng)判定的確是缺陷后，應(yīng)對(duì)缺陷進(jìn)行精確的定位和定量。對(duì)根部的可疑反射波仔細(xì)觀察分析，尤其應(yīng)注意焊瘤和錯(cuò)邊的反射波的區(qū)分。

6 結(jié)論

本文針對(duì)探頭折射角隨深度發(fā)生改變、選用合適的試塊、確定合理的補(bǔ)償量以及缺陷的判定等小徑管超聲波檢測(cè)現(xiàn)場經(jīng)常遇到的一些技術(shù)問題，結(jié)合筆者多年現(xiàn)場應(yīng)用和研究獲得的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了探頭入射點(diǎn)測(cè)定、掃描速度調(diào)整、探傷起始靈敏度調(diào)整、小徑管表面氧化皮和焊縫余高的處理、耦合劑的選用等探傷過程中應(yīng)該注意的問題。這些問題可對(duì)其他同行在現(xiàn)場進(jìn)行小徑管超聲波檢測(cè)時(shí)準(zhǔn)確判定缺陷位置、確定缺陷大小、排除干擾波對(duì)缺陷定位和定量影響，提供借鑒和參考。

［1］超聲波探傷編寫組.超聲波探傷［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1980.

［2］余道國.電站鍋爐管道彎頭超聲波相控陣檢測(cè)［J］.華電技術(shù)，2011，33(3):29 －30.