薄壁高頻電阻焊管焊縫的爬波檢測

甘正紅，方曉東，余國民，余 洋，蘇繼權

（1.上海中油天寶巴圣鋼管有限公司，上海201114；2.江蘇通宇鋼管集團有限公司，江蘇揚州225008；3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

0 前 言

淮南-上海1 000 kV輸電線路即“皖電東送工程”是我國第一條全線采用鋼管塔的同塔雙回特高壓輸電線路。鋼管塔具有結構傳力清晰、用鋼量少、占地面積小、塔型美觀及附加載荷小等優點，有利于充分發揮材料的承載能力，提高輸電線路建設水平。鋼管塔采用直縫焊管與帶頸法蘭對接焊的連接形式，要求所用直縫焊管管徑426 mm以下規格，并采用高頻焊工藝生產，因此，鋼管塔大量采用壁厚在4～8 mm的薄壁高頻直縫電阻焊管（以下簡稱高頻焊管）。工程要求高頻焊管要進行100%超聲波檢驗，焊縫不允許焊接修補。

1 薄壁高頻焊管超聲檢測的特點

1.1 高頻電阻焊特點

高頻電阻焊管是將熱軋卷板經過成型機成型后，利用高頻電流的集膚效應和鄰近效應，使管坯邊緣加熱熔化，在擠壓輥的作用下進行壓力焊接來實現生產。電阻焊管的成型工藝在焊接過程中不添加任何焊接材料，焊縫成形沒有經過熱熔化狀態，只是焊縫金屬經過再結晶過程，形成的焊縫與母材的化學成分完全一致。電阻焊管焊縫中易出現的缺陷有未熔合(冷焊)、裂紋、夾雜等，主要為沿焊縫延伸的面積型缺陷，焊縫中一般不會出現氣孔、夾渣等體積型缺陷。

1.2 焊縫常規超聲檢測問題

皖電東送工程在Q/GDW 384-2009《輸電線路鋼管塔加工技術規程》中規定電阻焊縫檢測應使用對面積型缺陷最有效、靈敏度最高的超聲波檢測方法。對于壁厚≥8 mm的焊縫，可以按照GB/T 11345標準進行超聲波檢測，但是目前對于壁厚＜8 mm的薄壁焊管焊縫的超聲波檢測還沒有比較適用的方法。采用常規橫波檢測時，因為管徑小、曲率大，探頭與鋼管表面是線接觸，耦合效果較差；如果將探頭加工成曲面，會導致反射雜波增加，也會影響缺陷檢出效果。如果探頭與超聲儀器的組合決定了始脈沖占寬比較大，會導致部分管壁厚度包含在雜波中，使超聲波探傷時難以識別。因為薄壁焊管探傷時一般采用K值較大的探頭（一般選用K3），以避免近場區檢測，但隨時存在的耦合劑產生的波和K3探頭無法消除的表面波都會落在需要判斷的缺陷波位置附近，且這些“雜波”無法消除，因此會影響判傷。

1.3 爬波檢測的可行性

電阻焊管的缺陷主要是沿焊縫延伸的縱向缺陷，超聲檢測時聲波入射方向應盡可能垂直于缺陷的方向。從爬波探頭的指向特性可見，爬波的主聲束在折射角為76°的方向，而且焊縫表面也有很大的分量，爬波探頭的有效覆蓋深度在0.5～9 mm之間，因此，可以滿足塔用薄壁高頻焊管焊縫的檢測，包括表面和近表面在內的不同深度缺陷的檢測要求。

爬波檢測具有如下優勢：①探頭在離焊縫一定距離時就可以通過單側檢測實現對焊縫整個截面的檢測；②入射聲束與焊縫中的未熔合(冷焊)、裂紋等危險性缺陷基本垂直，檢測靈敏度高；③因為爬波橫穿整個焊接接頭，所以檢測過程是直線掃查，而非鋸齒型掃查，操作方便，從而減輕了掃查工作量，工作效率高。

2 爬波檢測工藝方法

2.1 爬波檢測的超聲基礎

爬波又稱為表面下縱波，能探測近表面的缺陷，對表面的粗糙度不敏感，入射角位于第一臨界角附近 （有機玻璃內）的探頭可在鋼中產生爬波，該探頭被稱為爬波探頭。爬波探頭聲場如圖1所示，爬波探頭所激發的聲場具有多波型特征，在產生爬波的同時還產生了33°左右的橫波和頭波。在探頭固定不動的條件下，爬波和橫波是從入射點附近向外輻射的；而頭波是為滿足自由邊界條件，縱波沿表面傳播的過程中不斷輻射出的橫波。在探頭固定不動的條件下，頭波的輻射點是不固定的，是在爬波傳播過程中不斷從爬波所在點向外輻射的。爬波探頭所激發的聲場指向性如圖2所示，可以看出，在測量條件 （空氣/鋼界面），爬波主瓣的折射角約為76°。

圖1 爬波探頭聲場示意圖

圖2 爬波指向特性示意圖

2.2 爬波檢測的特點

爬波可認為是表面下縱波，其傳播速度與縱波相同。根據Snell折射定律，入射角等于第一臨界角的換能器可產生爬波，同時還伴隨大角度主束縱波(如圖3所示)。因此對薄壁焊縫檢測，利用存在于表面的爬波檢測垂直于焊縫外表面的缺陷，利用主束縱波檢測焊縫內部和內表面的缺陷是可行的。

圖3 縱爬波的近場和遠場

理論與試驗研究結果證明，可在一定程度上控制主瓣的角度。對鋼而言，主瓣經驗公式為

式中：α0-主瓣角度；

d-晶片長度；

λL-鋼中的縱波波長。

式（1）表明，晶片越大，主瓣角度越大，由于爬波僅對距表面深度0.5～9 mm內的缺陷有效，因此可通過合理調整晶片尺寸來確定其在焊縫壁厚方向的敏感深度，提高內部和內表面缺陷的探測靈敏度。

2.3 薄壁電阻焊縫爬波探頭的特點及設計

爬波探頭從結構上可分為兩類，一類是雙晶片串列式，另一類是雙晶片并列式。由于晶片串列式在一定程度上限制了大尺寸晶片的應用，不適合放置較長晶片，對于薄壁電阻焊縫主要考慮并列式結構。目前使用的并列式爬波探頭主要應用在平面工件的檢測上，如果簡單地將該種探頭磨制成與焊管曲率相匹配的弧面會造成兩晶片聲束交叉點上移，圓柱形表面的曲率越大，效應越明顯。因此要將爬波應用在小直徑焊管焊縫的檢測上，需根據焊管的外徑對探頭的結構進行特殊的設計。

設計的爬波探頭有機玻璃斜楔的形狀如圖4所示，圖中應根據焊管不同的曲率半徑來選擇最佳的a′，θ和γ，以實現薄壁焊管焊縫的高靈敏度檢測。

圖4 爬波探頭用有機玻璃斜楔形狀示意圖

為保證爬波探頭的有效激發以及與焊管焊縫良好的耦合，探頭需磨制成與焊管曲率外徑吻合的弧面，一般應在管徑5～10 mm范圍內確定一種弧度規格探頭。

針對薄壁高頻焊管設計的爬波探頭的晶片面積一般不大于50 mm2，且任一邊長原則上不大于8 mm，探頭聲束軸線水平偏離角不大于2°，主聲束垂直方向偏離不應有明顯的雙峰，頻率為5 MHz。

2.4 對比試樣的設計

根據檢測電阻焊管的特殊性設計了專用對比試塊，即在被檢鋼管上切取一段鋼管，加工人工反射體，設計的對比試塊如圖5所示。

圖5 電阻焊管焊縫爬波檢測用對比試塊示意圖

因為對比試塊與被檢焊管同曲率，可以不考慮檢測的曲率、耦合的衰減和內外壁聲束的補償。利用這樣的對比試塊調節掃描速度和檢測靈敏度有利于生產現場的實際檢測工作。

2.5 爬波檢測的實施

2.5.1 掃描速度的調整

采用A型脈沖反射式超聲波檢測儀，按照JB/T 9214和JB/T 10062的規定對儀器和探頭的系統性能應進行測試。利用圖5的橫通孔對比試塊，將反射波聲程按照2∶1的深度調節。檢測時直接觀察顯示屏反射波的波形變化來判斷有無缺陷的存在。

2.5.2 檢測靈敏度的調整（距離-波幅曲線的繪制）

利用圖5中試塊φ1 mm×30 mm橫通孔，探頭分別對準深度為2 mm和5 mm的φ1 mm通孔，探頭距離φ1 mm通孔10 mm處為DAC曲線的第1點，每間隔5 mm取一點至30 mm，同時測量反射波幅度，依據測量結果繪制距離-波幅曲線，如圖6所示，將DAC曲線衰減10 dB為評定線。實際檢測驗證所選靈敏度滿足標準要求。掃查靈敏度不低于最大聲程處的評定線靈敏度。

圖6 爬坡距離-波幅曲線

2.5.3 掃查方式

爬波探頭聲束中心線應垂直于焊縫中心放置在檢測面上，在焊縫一側距焊縫中心約30 mm處進行掃查，掃查速度不應超過50 mm/s。薄壁高頻焊管爬波檢測探頭掃查方式如圖7所示。

圖7 薄壁高頻焊管爬波檢測探頭掃查方式

2.5.4 缺陷評定

按照皖電東送工程Q/GD W384-2009《輸電線路鋼管塔加工技術規程》規定，根據焊接接頭的缺陷類型、缺陷波幅的大小以及缺陷的指示長度來評定焊接接頭的質量。

出現下列情況之一時，評定為不允許缺陷：①檢測人員能判定為裂紋、未熔合等危害性缺陷；②缺陷反射波幅高于橫通孔DAC+14 dB；③缺陷反射波幅高于橫通孔DAC+10 dB且缺陷指示長度＞5 mm。

3 對比分析

分別采用爬波探頭和常規橫波探頭對規格為φ426 mm×7.1 mm的高頻焊管焊縫進行檢測，檢測時發現內表面同一個未熔合缺陷，爬波探頭檢測時的缺陷反射回波的信噪比明顯大于橫波探頭缺陷回波的信噪比，爬波探頭缺陷反射回波的靈敏度余量高于橫波探頭缺陷反射回波靈敏度余量10 dB（如圖8所示）。因此爬波探頭對薄壁電阻焊縫缺陷的檢出靈敏度明顯高于橫波。

圖8 未熔合缺陷的反射波形

4 結 論

（1）電阻焊縫超聲爬波檢測是一種新型高效的檢測方法，具有簡單、實用、效率高的特點；

（2）針對薄壁電阻焊縫，設計了專用探頭，精度高，穩定性好，滿足檢測要求；

（3）設計的專用試塊，經過對比檢測，可以用于薄壁電阻焊縫的檢測；

（4）由于爬波的特性，使其比小管徑薄壁電阻焊縫的傳統檢測方法有著獨特的優勢，是一種快速、直觀、全新的檢測手段，是常規超聲檢測方法的有力補充。

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