鋼結構焊縫內部橫向裂紋的超聲波檢驗方法

劉貴吉 李鵬頻 甘志云 周兆鴻

(海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520)

鋼結構在現代工業中占有重要地位，更是海洋石油行業重要的基礎設施，在國民經濟和社會發展中起到十分重要的作用。鋼結構在建造焊接過程中受到各種因素的影響，難免產生各種缺陷，甚至是裂紋等危害性較大的缺陷，若在建造過程中不及時發現并將其移除，將可能發生重大突發事件，甚至危及生命安全。因此，無損檢測在建造環節中尤為重要，目前常用的無損檢測方法有：射線檢測、超聲波檢測、磁粉檢測、滲透檢測等，而超聲波檢測由于其效率高、靈敏度高、無輻射無污染等優點，在海洋鋼結構的建造中得到廣泛的應用。

1 超聲波檢測基礎

超聲檢測是指超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射波進行研究，對工件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結構和力學性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應用性進行評價的技術。

1.1 超聲波檢測原理

利用超聲波對材料中的宏觀缺陷進行探測，依據的是超聲波在材料中傳播時的一些特性，如：聲波在通過材料時能量會有損失，在遇到兩種介質的分界時，會發生反射等等，其工作原理是：

1）用某種方式向被檢試件中引入或激勵超聲波；

2）超聲波在試件中傳播并與其中的物體相互作用，其傳播的方向或特征會被改變；

3）改變后的超聲波又通過檢測設備被檢測到，并可對其處理和分析；

4）根據接收的超聲波的特征評估試件本身及其內部存在的缺陷特征。

通常用以發現缺陷并對缺陷進行評估的基本信息為：

1）來自材料內部各種不連續的反射信號的存在及其幅值；

2）入射信號與接收信號之間的傳播時間；

3）聲波通過材料以后能量的衰減。

圖1 超聲檢測示意圖

1.2 超聲波檢測的優點和局限性

1.2.1 優點

與其他無損檢測方法相比，超聲檢測方法的主要優點有：

（1）適用于金屬、非金屬、復合材料等多種材料的無損評價。

（2）穿透能力強，可對較大厚度范圍的試件內部缺陷進行檢測，可進行整個試件體積的掃查。

（3）靈敏度高，可檢測到材料內部很小的缺陷。

（4）可較準確的測出缺陷的深度位置，這在很多情況下世十分必要的。

（5）設備輕便，對人體和環境無害，可作現場檢測。

1.2.2 局限性

（1）由于縱波脈沖反射法存在盲區，和缺陷取向對檢測靈敏度的影響，對位于表面和近表面的某些缺陷常常難以檢測。

（2）試件形狀的復雜性，如不規則形狀，小曲率半徑等，對超聲波檢測的課實施性有較大影響。

（3）材料的某些內部結構，如晶粒度，非均勻性等，會使靈敏度和信噪比變差。

2 橫向裂紋檢驗

橫向裂紋不僅給生產帶來困難，而且可能帶來災難性的事故。裂紋焊接中最危險的缺陷之一，他嚴重削弱了工件的承載能力和腐蝕能力，即使不太嚴重的裂紋，由于使用過程中造成應力集中，成為各種斷裂的斷裂源。正因為裂紋有如此大的危害性，像JB/T 4730,GB 11345，AWS D1.1,API RP 2X等國內外各大標準中都有 “裂紋不可接受”等類似描述。而超聲波檢測對缺陷性質判定沒有射線檢測直觀，如果檢測方法不當等原因造成橫向裂紋的漏檢或誤判，其都有不良結果：若把其他缺陷判為橫向裂紋造成不必要的返修，進而影響材料韌性等性能；把裂紋判為點狀缺陷放過，則工程就存在較大的安全隱患。所以正確選擇探測方法和對回波特性分析，對橫向裂紋的超聲波檢測尤為重要。

2.1 探頭角度的選擇

縱波直探頭：橫向裂紋屬面狀缺陷，一般和探測面垂直，而0°直探頭適用于發現與探測面平行的缺陷，所以直探頭不能有效的探測出橫向裂紋。

橫波斜探頭：對同一缺陷，70°和60°探頭聲程較大，聲波能量由于被吸收和散射造成衰減嚴重，尤其只在檢測母材厚度較大的焊縫時，回波高度較低，對發現缺陷波和波形分析不利，進而影響是否為橫向裂紋的判定。而45°探頭具有聲束集中、聲程短衰減小，聲壓往復透射率高的特點，所以選用45°探頭具有良好的效果。圖2是70°，60°和45°探頭在相同的基準靈敏度的前提下，對同一橫向裂紋的回波比較：

圖2 70°，60°和45°探頭對同一橫向裂紋的回波

2.2 橫向裂紋的掃查

圖3 焊縫UT掃查方式平面圖

常見的焊接缺陷（如夾渣、未熔合、未焊透等）大多與焊縫軸線平行或接近平行，或以點狀形式存在，針對這種情況，綜合使用圖3中的方式A、方式B和方式C即可,但該三種掃查方式對橫向裂紋等與焊縫軸線垂直（與聲束方向平行）的橫向缺陷無回波顯示，即無法被檢出。為能有效探出焊縫橫向裂紋應盡可能使聲束盡可能平行于焊縫。可用如下幾種掃查方式探測橫向裂紋：

2.2.1 騎縫掃查

如果焊縫較平滑或焊縫加強高已經打磨處理，探頭“騎”在焊縫上探測是檢查橫向裂紋的極為有效的方法，可采用在焊縫上直接掃查的方式，如圖3方式D所示。

2.2.2 斜平行掃查

若焊縫表面較為粗糙且不宜進行打磨處理，為探測出焊縫中的橫向裂紋,可用探頭與焊縫軸線成一個小角度或以平行于焊縫軸線方向移動掃查，如圖3方式E所示。

2.2.3 用雙探頭橫跨焊縫掃查法

將兩個斜探頭放在焊縫兩側,組成一發一收裝置，此時若焊縫中有橫向裂紋，發射的超聲波經反射后會被接收探頭接收從而檢出缺陷，如圖4所示。

圖4 雙探頭橫跨焊縫掃查法

該三種方法各有特點，斜平行掃查操作簡單、效率高、焊縫無需處理、耦合較好，但由于聲束方向與裂紋不能完全垂直而造成靈敏度不高；雙探頭橫跨焊縫掃查法操作精度要求高困難大、效率不高；騎縫掃查對焊縫表面要求較高，對埋弧焊或其他焊接方法但焊縫表面進過處理的焊縫，表面相對較平滑，能夠有效的耦合，該方法較為直接，且效率高，靈敏度高，所以在很多情況下“騎縫掃查”是首選。

2.3 掃查靈敏度

按照各項目業主所規定的標準調節。

3 橫向裂紋的判別

根據形狀，我們把缺陷分為點狀缺陷、線狀缺陷和面狀缺陷(裂紋、未熔合)。顯然，反射體形狀不同，超聲波反射特性必然存在一定的差異，反過來，通過分析反射波、缺陷位置、焊接工藝等信息，就可以推測缺陷的性質。

橫向裂紋具有較強的方向性，當聲束與裂紋垂直時，回波高度較大，波峰尖銳，探頭轉動時，聲束與裂紋角度變化，聲束能量被大量反射至其他位置而無法被探頭接收，回波高度急劇下降，這一特性是判定橫向裂紋的主要依據。

檢測過程中橫向裂紋的判別可以按以下步驟：

1）在掃查靈敏度下將探頭放在的焊縫縫上掃查（參考2.2節掃查方式）；

2）發現橫向顯示后，找到最高波，確定是否為缺陷回波；

3）定缺陷回波后，定出缺陷的具體位置，并在焊縫上做出標記；

4）探頭圍繞缺陷位置做環繞掃查（如圖5所示）；

圖5 環繞掃查示意圖

圖6 動態波形圖1

環繞掃查時回波高度基本相同，變化幅值不大，其動態波形如圖6所示，則可以判定其為點狀缺陷；若環繞掃查時其動態波形如圖7或圖8所示，結合靜態波形，可判斷為橫向裂紋，在條件允許的情況下可用同樣的方法到焊縫背面掃查確認。

圖7 動態波形圖2

圖8 動態波形圖3

5）若條件允許可打磨到裂紋深度，借助磁粉檢驗（MT）進一步驗證。

圖9 橫向裂紋MT驗證

4 結論

超聲波探傷是檢出焊縫橫向裂紋的有效手段，尤其是厚壁焊縫，射線檢測靈敏度下降，難以發現其中的橫向裂紋。用超聲波檢測方法，選擇正確的參數、合適的掃查方式，掌握橫向裂紋的靜態和動態波形特點，能夠有效的判別橫向裂紋，這已舉措已經在海洋石油工程的各個項目中得到應用，并多次準確成功檢測出橫向裂紋，保證了多項工程質量。

［1］API RP 2X-2004海上結構制造超聲檢測和磁粉檢測推薦作法及無損檢測人員技術資格鑒定指南[S].

［2］鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

［3］AWS D1.1-D1.1M-2010 鋼結構焊接規范[S].

［4］GB11345-89鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級[S].