超聲無損檢測在壓力容器焊縫檢測中的應用

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摘要：超聲無損檢測技術是檢測壓力容器焊縫質量最常用的方法之一，超聲波檢測在檢測焊縫時通過在顯示屏上顯示的波形所對應的時間和幅度能夠對缺陷進行精確的定位和定量分析，然而在對缺陷性質的判定方面上仍是一項難點，經過多年深入研究和經驗積累，超聲波檢測在焊縫缺陷定性方面的可靠性得到了提高。文章主要對超聲無損檢測在壓力容器焊縫檢測中的應用進行了簡要分析。

關鍵詞：超聲無損檢測；壓力容器；焊縫檢測

引言

超聲檢測（Ultrasonic Testing，UT）的原理是，根據超聲波在介質中傳播時不斷衰弱，因此，當它遇到界面時，會產生反射，這樣就可以用來檢測缺陷。該方法的主要優勢是檢測靈敏度高，聲束指向性好，聲波穿透能力強，檢測速度快。超聲波檢測技術應用最多的地方就是，對接焊縫內部埋藏缺陷以及壓力容器焊縫內表面裂紋的檢測。另外，也可以用于檢測一些壓力容器鍛件以及高壓螺栓可能出現裂紋。

1.超聲無損檢測技術概述

超聲波是指頻率大于20000Hz的高頻機械波。用于檢測的超聲波頻率為 0.4-25MHz，其中最常用的是 1-5MHz。超聲波具有以下優勢：指向性好；波長短；距離分辨力好等。現階段最常用的超聲波檢測方法是 A 型脈沖反射超聲波檢測法，其原理是：把超聲波波束由探頭射入被檢物的一面，然后在同一面接收從缺陷處反射回來的回波，根據回波情況來判斷缺陷情況。A 型脈沖反射法又分為：縱波垂直檢測和橫波傾斜入射檢測，前者用于鋼板、鍛件的檢測，而后者則主要用于焊縫的檢測。

在傳播介質均勻、空間無限大的理想條件下，超聲波的傳播路徑是條直線，而實際情況下，傳播空間有一定大小，介質分布并不均勻，從而導致介質的聲阻抗不一致，當超聲波在這種介質中傳播時，其傳播方向在兩種聲阻抗不同的界面發生改變，形成波的反射、衍射或者折射。超聲檢測技術正是利用這一傳播特點來推測被檢測對象內部是否藏有缺陷，探頭向被檢測物體發射超聲信號并接收反射回來的疑似缺陷信號，是實現超聲波檢測的重要部件。

2.超聲無損檢測在壓力容器焊縫檢測中的應用

2.1 壓力容器焊縫裂紋的特征

焊縫指的是被焊接件經焊接后的結合部分，焊接接頭既包括焊縫，還包括熱影響區及其臨近母材。按照被焊接件的相互位置關系來分，焊接接頭可分為對接接頭、角接接頭及 T型接頭、搭接接頭等幾種形式，其中搭接接頭也屬于一種角接接頭。焊接過程中，熔融金屬凝固時會有一定程度的收縮，母材加熱不均，都會使熔融金屬和母材之間存在張力，導致裂紋的產生。裂紋的類型并不是單一的，不僅包括焊接、焊后熱處理過程中產生的裂紋，還包括服役過程中產生的裂紋。

根據裂紋在壓力容器中存在的具體位置，可將其分為內表面裂紋、外表面裂紋以及埋藏裂紋。焊縫的內、外表面裂紋常常出現于應力最集中的部位或者微小缺陷的表面。在受到外部作用力時，裂紋尺寸不斷增大，甚至會引起泄漏。埋藏裂紋，主要是由于焊接時在焊縫處形成的應力降低了其結構性能，在受到外力作用后便很容易出現疲勞裂紋。對于外表面裂紋，可通過磁粉檢測、滲透檢測等方式進行檢測，而對于埋藏裂紋，磁粉、滲透檢測法無能為力，最好采取超聲波檢測法。

2.2掃查探測

一般采用鋸齒型掃查方式在焊縫的兩側進行掃查，掃查齒距應小于晶片寬度的 1/2。如有缺陷回波顯示則前后左右進行轉動，環繞缺陷對其進行準確定位、定量和定性。利用二次波對焊縫上部缺陷進行探測，利用一次波和三次波對焊縫下部缺陷進行探測。通常裂紋缺陷波在探傷儀熒光屏上的顯示回波高度較大、波幅寬，會出現多峰。探頭平移時，反射波連續出現波幅有變動；探頭轉動時，波峰有上下錯動現象。

3.判斷壓力容器焊縫缺陷的類型

3.1焊縫中的氣孔

焊縫內含氣體，聲阻抗很小，因此超聲反射回波高，但回波當量較小；氣孔的表面因為比較平滑，界面反射率高，波形陡直尖銳。單個氣孔在超聲波探傷中，出現單個波幅，波形窄，而且波幅具有一定的高度。氣孔的回波起波速度快，用探頭圍繞該缺陷檢測時可發現其回波具有點狀缺陷的特點，無延伸長度。即波形 I。當氣孔密集出現時，由于氣孔形狀不一，且有的大，有的小，排列不規則，超聲波檢測時顯示為一簇信號，波幅高低不一。移動探頭時，會出現波峰此起彼落的現象。當采用單面焊接雙面成型工藝時，可能會出現密集氣孔呈鏈狀分布，即在焊縫底部，缺陷與焊縫長軸方向形成一定夾角，較規則的排列，形似“八”字，俗稱八字孔，超聲波檢測時有多個波峰，且波幅較低，甚至在評定線以下。探傷中，探頭應與焊縫成一定夾角才能發現，此類缺陷極易漏檢。

3.2焊縫中的夾渣

夾渣的表面粗糙，形狀不規則，且有一定的棱角，界面反射率低，且同時還有部分波滲入夾渣層，顯示屏上會形成多次反射，波形寬度大并帶鋸齒狀，波峰較圓鈍，后沿斜率不大，回波當量較小。移動探頭時，信號明顯滾動，當探頭作定點轉動時，會出現此起彼落的現象，探頭平移時波幅有變動，從不同的方向探測會有不同的波幅。

3.3焊縫中的未焊透

回波的起波速度較快，反應強烈，在焊縫兩側探查都能發現，且反射波幅大致相同，形成矩形波，沿焊道方向移動探頭時，可見其有一定延伸長度和位置且回波高度變化不顯著，有規則形狀的長條形缺陷特征，當聲束相對其延伸方向改變角度時，回波的波幅迅速降低。當探頭平移時，未焊透反射波波形穩定；從焊縫兩側探傷，均能得到大致相同的反射波幅。當探頭垂直焊縫轉動時，波形很快消失。

3.4焊縫中的未熔合

未融合發生在根部時，波形和單個氣孔相似，但是連續，波幅一般在定量線和判廢線以上，缺陷水平位置多在在焊縫一側，探頭前后移動，未熔合的回波波形較穩定，從兩側探測時反射波幅不同，有時只能從一側探到，這是由于未熔合部位兩側形狀差別大，因此反射波的方向和強度有很大的差別。由于它為面狀缺陷，方向性很強，因此不同的 K 值探頭，其反射回波的大小會有很大的差別。

3.5焊縫中的裂紋

一般裂紋的回波高度較大，波幅寬，會出現多峰。探頭平移時，反射波連續出現，波幅有變動；探頭轉動時，波峰有上下錯動現象。當在垂直于缺陷方向探測時，缺陷回波高，在平行于缺陷方向探測時，缺陷回波低，超聲波對裂紋比較敏感，如果探測位置合適時裂紋缺陷的回波會很高，反射比較強烈。檢測人員的工作經驗、技術水平和對產品了解的充分程度決定了這種判斷方法可靠的程度，檢測人員的主觀經驗是影響缺陷定性的重要因素，不同的檢測人員對相同的波形根據各自的工作經驗會得出不同的判斷結果。而且A型脈沖反射式超聲波只顯示缺陷波的時間和幅值兩方面的信息，而與缺陷性質和種類密切相關的相位、頻譜等重要信息無法顯示出來。

4.結語

超聲無損檢測技術在判斷面積型缺陷等方面優于射線檢測。但在缺陷定性方面還得多取決于檢測者的綜合能力及加以其它無損檢測方法。在以后的發展中，超聲無損檢測技術應盡量實現自動化和智能化，如超聲波相控陣技術，通過相控陣控制實現超聲波能量在指定位置處的聚焦，而達到缺陷檢測成像目的。

參考文獻：

[1]敬人可，李建增，周海林.超聲無損檢測技術的研究進展[J].國外電子測量技術.2012（07）.

[2]劉艷玲.小波分析在超聲檢測信號處理中的應用研究[J].黑龍江科技信息.2014（12）.

[3]張萬嶺，祁永剛，嚴宇，楊建龍，王金柱.壓力容器對接焊縫超聲波檢測[J].煤礦機械.2013（02）.

[4]姚力.定量無損檢測不確定度的軟校準方法[J].無損檢測.2012（07）.