承壓鋼管熱影響區超聲波檢測回波信號探討

任文浩　梁寧

【摘 要】承壓鋼管一般采用雙面埋弧焊接，在對鋼管焊縫進行超聲（橫波）檢測時熱影響區不時出現回波信號報警問題，對超聲檢測人員的判定帶來嚴重的干擾和影響。在對承壓焊接鋼管焊縫超聲檢測時，一般要求要用斜探頭在焊縫單面雙側或雙面雙側的母材表面上使用一次、二次聲程掃查整個焊縫截面，以便于檢出焊縫中各個方向的缺陷。本文探討由于超聲波經過的熱影響區區域缺陷信號和非缺陷信號引起超聲（橫波）報警的問題。

【關鍵詞】承壓鋼管 熱影響區 超聲檢測 回波信號

1 相關技術標準規定焊縫檢測寬度區域

JB/T4730.3-2005標準規定：超聲檢測區的寬度應是焊縫本身，再加上焊縫兩側各相當于母材厚度30%的一段區域，這個區域最小為5mm，最大為10mm。

GB/T11345-2013標準規定：超聲檢測區的寬度應是焊縫和焊縫兩側至少10㎜寬母材或熱影響區寬度（取二者大值）的內部區域。

API 5L（45版）標準規定：超聲設備應能檢驗到焊縫全壁厚及焊縫兩側相鄰1.6 mm（1/16 in）寬度的母材。

2 回波信號分析

（1）鋼管熱影響區母材存在不同程度的夾雜物等問題。我們檢測某規格的鋼管，發現深度在14到16mm左右，水平距離定位在焊趾邊靠母材約2～3mm處有強烈反射波出現，缺陷信號呈斷斷續續出現，超基準波幅10dB，探頭移到焊縫對側則缺陷波反射很低或較難探測到。

（2）少部分的反射信號是由于焊縫與母材交界處的焊角反射波及變形波產生，需準確調整超聲設備儀器，判定回波產生的位置。如圖1所示，當橫波聲束入射到探頭對側焊縫下表面的某些部位時（如下圖3雙面埋弧自動焊鋼管內焊縫），其反射橫波S'和反射縱波L'垂直入射至上表面的某些特殊部位時，再垂直反射沿原路返回，形成變形橫波和變形縱波，與第一次底波（焊角反射波）一起，在熒光屏上顯示，形狀像“山”字形（圖2）。

（3）母材的層狀撕裂缺陷。我們在對某城市天然氣管道鋼管焊縫進行超聲波檢測過程中，發現部分熱影響區母材始終存在一個微弱的回波信號，最大當量高出定量線10dB；波幅較寬，探頭轉角時波幅有明顯的變化；探頭稍微平移，回波立即消失，再平移，回波又出現，回波位于深度方向13～15mm和水平位置靠近焊縫邊緣處。在進行金相檢驗中發現，在母材的中間層碳、硫、磷、錳等元素明顯偏高，存在嚴重的偏析，正是因為母材存在嚴重的偏析，在高溫和焊接應力的作用下，最終開裂形成了層狀撕裂。

（4）焊趾裂紋和熱影響區裂紋。用于油氣輸送的直縫埋弧焊管需冷擴徑，在冷擴徑后，焊管在焊趾或熱影響區部位可能會出現裂紋，產生的原因可能是多方面的。超聲檢測裂紋反射波信號特征：反射率高，當探測方向有利時回波高度較大，波形較寬，會出現多峰，探頭平行移動時，反射波連續出現，波幅有變動，探頭擺動時，波峰有上下錯動現象，多峰波交替出現最大值，擺動角度較大。部分超聲反射波動態和靜態波形判定為裂紋缺陷信號的，經過取樣分析證實裂紋的存在。

（5）母材分層。我們在對鋼管焊縫探傷時，在掃查聲束經過的焊趾邊至熱影響區母材區域10mm范圍內有斷續的反射回波出現。動態波型特征方面分析，探頭移動到回波信號位置，反射波幅不高，缺陷深度出現在板材厚度的中間，偏向焊縫邊沿，當探頭垂直于焊縫前后移動時，反射波很快消失。對反射信號最高的部位取樣作理化腐蝕分析，看到母材有斷續的分層。

（6）偏析。我們在對某城市承壓管道鋼管焊縫探傷中，發現某一焊縫在板厚一半深處左右，有一反射信號出現。當反射波出現時，波型特征似微小裂紋波型，反射波位置偏向焊縫坡口邊沿母材側，沿焊縫長度方向，斷斷續續出現。切取試樣進行金相腐蝕后觀察，未發現裂紋等缺陷，在超聲波探傷一側母材區域發現有一個弧形亮白區，經測定，弧形亮白區超聲衰減系數大于其它部位，說明弧形亮白區的晶粒結構粗大，對超聲傳播產生很大影響。顯微組織觀察發現弧形亮白區為與母材色澤不同的部位呈嚴重帶狀分布的組織，這是因為成份偏析所造成的一種粗晶粒組織。

（7）母材重皮。重皮是在金屬表面，通常只有一端與基體金屬相連的極薄的金屬長條。在超聲斜探頭探傷過程中，當聲束掃查經過的重皮翹起或張開部位，會出現尖銳的反射信號。深度大都定位在近表面1至2mm左右，且肉眼可見，較易判斷。

3 回波信號處理

（1）超聲反射信號超標，根據回波波形等判斷為缺陷且符合補焊要求的嚴格按補焊規程補焊，補焊后按原標準進行復探。（2）判斷為可能由于焊角或變形波而引起的反射信號，需準確調整好超聲儀器，進行精確定位，或用砂輪機對反射信號區域進行仔細打磨，打磨后再進行超聲波復驗，如發現反射信號消失，則可判斷為焊角反射或變形波。（3）判斷為表面或近表面缺陷（欠），如重皮，需先標識，然后用砂輪機進行仔細修磨，修磨后再進行超聲波復驗，并進行磁粉檢驗和測厚，確保缺陷徹底消除。（4）對原材料鋼板進行檢測時，應用直探頭對板邊50毫米進行100%檢測，以便檢測是否有影響斜探頭檢測結果缺欠。（5）缺陷（欠）位于管端或靠近管端，不符合補焊要求的鋼管，可進行切除處理。（5）整根鋼管判廢隔離。

參考文獻：

[1]API SPEC 5L：2012，管線鋼管規范第45版[S].

[2]GB/T11345，鋼焊縫手工超聲探傷方法和探傷結果分級.

[3]王曉雷 主編.《承壓類特種設備無損檢測相關知識》.2013版.