小管徑薄壁管焊接接頭的超聲檢測方法

聶凱

摘? 要：不管是在電力行業還是在特種設備行業中，小管徑薄壁管焊接接頭的占比都非常高，此類焊接接頭的焊接工藝要求較高，焊接過程控制不當就會產生如裂紋、未熔合、未焊透等的缺陷，而且即使是焊接沒問題，在小管徑薄壁管運行使用過程中，仍然可能出現新的缺陷，給設備甚至人生安全帶來挑戰，曾有某電廠因為小管徑焊接接頭漏水問題，停機維修5d，帶來的經濟損失不可估量，所以對于此類接頭的檢測顯得尤其重要。本文作者針對小管徑薄壁管焊接接頭的結構特點，選擇了超聲檢測方法，它是一種用途廣泛，使用頻率較高而且發展速度較快的一種無損檢測方法，本文在超聲波儀器、探頭、試塊、探傷靈敏度的選擇以及超聲信號等方面進行分析，以便得到最佳的超聲檢測方法，希望對同行有所幫助。

關鍵詞：超聲檢測? 小管徑薄壁管? 缺陷? 方法

中圖分類號：TG441.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（a）-0067-04

Abstract： Whether it is in the power industry and special equipment industry， small diameter thin wall pipe welding joint of proportion is very high， the welding joints of welding technology demand is higher， improper control of welding process can produce such as cracks， incomplete fusion， lack of penetration and other defects， and even welding is fine， in the process of small diameter thin wall pipe runs using， still new defects may occur， to equipment safety challenge in life， even there was a certain power plant because of small diameter welding joint leakage problem， maintenance downtime for five days， also bring incalculable economic loss. So for this kind of joint detection is especially important. In this paper， the author based on the structural feature of small diameter thin wall pipe welding joint， chose the ultrasonic detection method， it is a wide range of uses， use frequency is higher and faster development of a nondestructive testing method. This paper analyzes the selection of ultrasonic instrument， probe， test block， flaw detection sensitivity and ultrasonic signal， in order to get the best ultrasonic detection method， hoping to be helpful to the peer.

Key Words： Ultrasonic testing; Thin walled tube with small diameter; Defect;Method

超聲檢測是五大常規無損檢測技術之一[1]，在特種設備行業中通常指用來缺陷的檢測和材料厚度的測量，比如管道焊縫的超聲檢測。它是一種用途廣泛，使用頻率較高而且發展速度較快的一種無損檢測方法。超聲檢測有很多優點，比如，超聲波方向性好、可以定向發射、超聲波能量高、穿透力強、檢測方便等。當進行超聲檢測時，超聲探頭發射超聲波進入工件，工件中的超聲波遇到缺陷（比如氣孔、裂紋等）時發生反射，探頭又接收超聲波，顯示在超聲儀熒光屏上，根據反射波幅的大小、形態和位置，判斷質量等級[2]。

小管徑薄壁管焊接接頭廣泛應用于各行各業，它一般采用全氬弧焊，主要的缺陷分為裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等，這些缺陷如果不能及時被發現和處理，會嚴重危害系統的正常穩定運行，特別裂紋、未焊透、未熔合等平面型缺陷，在各行業中一般都是不允許存在的。鑒于此類管道的半徑小管壁薄的特點，利用普通的超聲波檢測方法檢測起來具有一定難度，小徑管的外表面曲率大，普通探頭難以耦合好，而在管道內表面，超聲波反射發散嚴重，雜波多，信號分辨率差，所以研究此類焊縫的超聲檢測就有了特殊性和必要性。下面就此類檢測在超聲波儀器，探頭，試塊，基準靈敏度的選擇以及信號分析等方面進行分析，以便得到最佳的超聲檢測方法。

1? 超聲檢測儀的選擇

在DL/T679-1999標準中，小管徑薄壁管是指直徑在60mm、厚度6mm以下的管道。因為小徑薄壁管焊接接頭在進行超聲檢測時往往產生很多雜波，所以為在雜波中甄別出缺陷，通常在選取超聲檢測儀時往往選擇較高分辨率和較窄始脈沖寬度的儀器，此外超聲波儀器工作頻率范圍至少應為1～10MHz，垂直線性誤差不超過5%，水平線性誤差不超過2%，同時為了便于信號的分析和處理，要選擇能使超聲波信號儲存紀錄的超聲波檢測儀。由于很多小徑管的所處的位置空間有限，在保證上述條件的前提下選擇小而輕便的儀器。基于此，進行小管徑薄壁管超聲檢測時建議選擇A型顯示脈沖反射式數字檢測儀，比如CTS-4020、9006-PLUS（如圖1）等可滿足上述要求。

2? 探頭

超聲探頭的選擇是超聲檢測系統中最重要的一環，探頭種類成千上萬，選擇何種探頭直接影響檢測結果。當超聲波傾斜入射到異質界面時，比如焊縫中的裂紋，其焊縫材料和空氣形成了異質界面，會在上面產生超聲波反射現象，根據反射回來的波在判斷缺陷的位置和嚴重程度，超聲波檢測焊接探頭接頭原理見圖2。由于小管徑薄壁管外壁曲率較大，而普通的常規探頭接觸面為平面，因此檢測時探頭與小管徑薄壁管不能完全吻合，探頭所發射的超聲波就不能完全折射到管子里，超聲波在管子外表面就會產生散射。這樣超聲波的能量會降低很多，影響了檢測的準確度。為了實現與小徑管的完全吻合，探頭的接觸面應依照不同管徑加工成與管外壁吻合良好的曲面，而且要使用晶片尺寸小的探頭來實施。小管徑薄壁管的超聲波檢測推薦的是小晶片、短前沿、高頻率、大K值的探頭，下面我們主要從以下幾方面考慮。

2.1 探頭K值選擇

所謂探頭K值，是指探頭角度的正切值，比如45°探頭的K值為1，60°探頭的K值為1.73，選用大K值，即探頭角度越大，超聲波的聲程會相應增長，而且近場區干擾減少，便于缺陷的檢出，但是探頭的K值也不能太大，超過4后超聲的聲束變得不集中，能量下降。根據計算和經驗，一般在檢測小管徑薄壁管焊接接頭時選用K為2.5或3.5的探頭為宜。

2.2 探頭近場長度選擇

由于探頭近場區內聲壓會出現極大值和極小值，所以不能在近場區內進行缺陷的探測，尤其是薄壁管焊縫中，缺陷的定位和定量尤其重要，必須在調整儀器時利用遠場區進行檢測，盡量使一次波的掃描范圍在1.6至3倍的近場區。

2.3 探頭頻率選擇

由半擴散角公式Ф=arcsin（k·r/D）可知（如果探頭為方形晶片，則k=1;探頭為圓形晶片，則k=1.22;r為超聲波波長，D為探頭直徑），當晶片尺寸不變，頻率增大時，r變小，半擴散角值Ф變小，即探頭聲束指向性較好，分辨力變高。所以在實際檢測小管徑薄壁管焊縫時通常是在保證檢測靈敏度等前提下，適度提高頻率。

2.4 探頭前沿選擇

探頭的入射點距離探頭前段的距離成為探頭前沿，小徑管超聲波檢測時，由于內壁反射發散較為嚴重，使用二次波時，靈敏度往往比一次波低，為了盡可能增加一次波在焊縫中的檢測面積，特別是當焊縫具有余高時，探頭的前沿應盡可能小，一般應加工在5mm以內為宜。

2.5 探頭晶片尺寸選擇

一般情況下，被檢部件規格越大，厚度越厚，使用的探頭晶片應能越大，目的是保證超聲波有足夠的穿透力，當檢測小管徑薄壁管時，為了減少發散和減小近場區，探頭的晶片尺寸不能太大，而且要求晶片裝配過程中精度要高，建議使用為5mm×5mm或5mm×6mm晶片的探頭。

2.6 探頭晶片使用材料的選擇

超聲波探頭中的晶片具有正壓電效應和逆壓電效應，分別用來接收超聲波和發射超聲波，晶片使用的材料有很多種，市場上造價也各不相同，建議使用壓電應變常數和壓電電壓常數高的材料，比如PZT和硫酸鋰等，這樣加工成的探頭靈敏度也很高。

3? 試塊

3.1 標準試塊

標準試塊是由權威機構部門設計制造的，其特性與制作要求有專門的標準要求，其用于儀器探頭系統性測試校準和設備測試，比如儀器的垂直線性和水平線性測試、線性校準、探頭的角度測試等。常用的標準試塊有CSK-IA試塊等，如圖3所示。

3.2 參考試塊試塊

參考試塊用于探頭靈敏度曲線制作和基準靈敏度的確定[3]，要采用與被檢管件同等厚度且相同材質的材料進行試塊加工，特別是試塊上的刻傷位置、大小、數量等一定要符合相關行業標準，當材料中檢測出缺陷時，就需要跟這些試塊中的已知反射體進行比較。

4? 儀器的調整

4.1 儀器掃描速度的調節

儀器的掃描速度直接影響到缺陷定位是否準備，當進行小管徑薄壁管焊縫超聲檢測時，建議使用聲程法進行調節，方法是利用標準試塊CSK-IA的R50mm和R100mm的圓弧面進行校準，前后移動探頭，找到這兩個波的最大幅值位置，按儀器上的校準鍵儀器便可自動進行調節。

4.2 基準靈敏度設置

基準靈敏度的設置尤其重要，關系到缺陷的定量、定位等，其設置方法較多，但對于手動類超聲檢測，建議采用距離-幅度曲線方法：找到參考試塊上各孔的最大回波，連接這些不同高度的回波，形成距離-幅度曲線，把其中波幅最高的點定為超聲儀滿屏高度的80%左右，此時靈敏度為基準靈敏度。

5? 檢測實施

采用耦合劑CG-08（也可使用機油或者漿糊），將探頭放在被檢部件上，采用鋸齒型掃查，探頭前后移動距離要保證三次波能掃查到焊縫根部。探頭移動速率不得大于100mm/s，當探頭移動時，探頭的每次路徑至少必須重迭探頭晶片尺寸的15%，另外掃查時至少應在基準靈敏度基礎上增益6dB。

6? 波形分析

超聲波在傳播過程中會發生多次反射與折射，遇到不同介質的界面還會發生波形轉換[4]。除了缺陷反射波外，檢測儀器上通常還會有一些結構反射波信號（比如焊縫根部信號、焊縫余高信號等）、波形轉換的信號、有時候環境干擾會出現噪聲信號，這些波會干擾檢驗人員對缺陷的判斷，因此正確區分缺陷波和非缺陷波，并能對缺陷波做出正確判定是超聲波檢測中至關重要的一步。下面就各類信號進行分析，以幫助甄別缺陷信號。

6.1 焊縫根部的信號

焊縫根部因為和管道內表面母材面不平，所以進行檢測時一般會有反射信號，這些信號的位置一般存在于小管徑整圈，顯示位置一般很固定，波跟較寬。

6.2 焊縫內表面或者余高反射的信號

焊縫余高信號一般是在使用二次波時出現，在超聲波儀器上的顯位置一般較固定，用手輕輕觸摸焊縫余高時，這些波會跳動。此外，二次波在上表面容易產生變形波，到達下表面產生回波被探頭接收，或者一次波在下表面產生變形縱波。因此在薄壁管對接焊縫檢測時一定要分清幾何反射波的位置，特別是在二次波觀察區這些幾何反射波出現較多。

6.3 缺陷回波

在發現缺陷并對其定性時，要注意區分幾種常見缺陷的回波特性。裂紋的顯示特征是波形比較尖銳，經常出現在焊縫根部或者焊縫熱影響區，探頭前后移動時，波幅會迅速降低，如果判定為裂紋類危害性缺陷，根據標準要求一般為不合格焊縫，需要進行消缺處理[5]。未熔合的位置經常出現在焊縫坡口，方向性較強，探頭可能只在一側發現該類型缺陷。未焊透的信號多會出現在一次底波之前，信號幅值很高，水平定位多出現在焊縫中心線。超聲波對單個氣孔和夾渣缺陷檢測不敏感，對于密集型氣孔或夾渣反射波多呈現鋸齒狀，且波根較寬。

7? 信號判定原則

超聲檢測的目的是將所得到的信號加以分析并判定是否缺陷信號，以便及時處理。超聲檢測人員在對小徑管薄壁焊縫進行檢測時通常遵循的原則如下。

缺陷性質是根據缺陷信號回波的靜態和動態波形特征以及缺陷分布狀態，結合材料特點和制造工藝，通過前后、左右、轉角、環繞的掃查方式進行綜合分析和判斷的[6]。本著保守的原則，當發現疑似顯示時，如果不能判斷是否為缺陷顯示，可以通過射線檢測等其他無損檢測方法進行綜合評判。如果在一次底波前出現了反射信號，則一般判定為缺陷反射信號。如果未看到一次波反射信號，只有在一二次回波之間看到一反射信號，可判定為缺陷反射信號。如果有一次波反射波，在一次波之后還有一反射波，且定位時在遠離探頭一側，這個波可能就是幾何反射波或變型波。另外需要注意的是，并不是所有的缺陷都需要記錄或者處理，具體的缺陷記錄和驗收標準各行各業均有不同的要求。

8? 結語

針對小管徑薄壁管焊縫常規超聲較難實施的特點，對超聲波儀器選擇、探頭選擇、實施要求和信號分析等各方面提出了優化意見。隨著各行各業對焊接質量和設備安全的要求越來越高，需要檢測者將所學的理論知識與實際相結合，多實踐、多摸索、勤總結，只有這樣才能對實際檢測中出現的各種波形作出正確判斷，避免因誤判、漏判導致的事故發生。現在國內數字式超聲波檢測儀和高性能超聲波探頭正高速發展，對缺陷的定位和定量也愈加準確，使得對小徑管的超聲波檢測從試驗走向實用，如果再結合人工模擬缺陷試塊，對缺陷的判定會更加準確。

參考文獻

[1] 董艷沖.超聲波檢測技術在壓力容器檢測中的應用[J].電聲技術，2019（1）：49-52.

[2] 張旭輝.薄板焊縫超聲檢測應用[J].酒鋼科技，2016 （1）：76-79.

[3] 何海，付千發，王卓巍.核電廠汽輪機高壓缸缸體支撐桿焊縫超聲相控陣檢驗技術[J].科技創新導報，2017（3）：52-54.

[4] 張祥林，孫麗君，劉釗，等.薄板柵格翼焊縫的相控陣超聲檢測參數研究[J].無損探傷，2018（2）：6-11.

[5] 郭德瑞，劉建屏，季昌國，等.超臨界機組高溫高壓管道焊縫檢測方法對比[J].無損檢測，2018（6）：32-37.

[6] 唐飛陽亮，魏培生，趙亮.輕烴卸車緩沖罐焊縫的超聲成像檢測[J].無損檢測，2019（7）：63-66.