螺旋縫埋弧焊管焊縫裂紋及未焊透檢測分析

馬朝輝，楊 亮，段素梅，王 剛

（寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

在螺旋縫埋弧焊管焊縫的各種質量檢測中，無損檢測具有非破壞性的優勢，尤其是超聲波探傷，其具有檢測靈敏度高、檢測成本低、檢測速度快等優點［1-15］。但是在螺旋縫埋弧焊管焊縫的超聲波探傷中，影響焊縫缺陷定量、定位的因素和預估缺陷性質的因素比較多；因此，對于超聲波探傷發現的焊縫缺陷，針對具體情況，還需采取X射線拍片、取樣酸蝕或金相檢測及碳弧氣刨等比較直觀的方法來驗證超聲波探傷對缺陷的定量、定位和定性準確情況，再根據缺陷的大小、形狀、方位、位置、性質和種類等，分析總結超聲波探傷的方法及規律，并經不斷驗證和分析，總結出大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊管焊縫裂紋、未焊透典型缺陷的超聲波探傷方法和被檢測缺陷的定位、定量、定性規律，并據此不斷完善檢驗工藝，進而及時指導成型焊接，反饋可靠的質量動態信息，同時減少破壞性取樣頻次，并提供準確的修補建議。

1 焊縫危害性缺陷類型

螺旋縫埋弧焊管焊縫中的危害性缺陷主要為裂紋和未焊透，其中裂紋缺陷根據產生位置不同可分為外焊縫裂紋和內焊縫裂紋。

1.1 外焊縫裂紋

一般來講，外焊縫裂紋多位于外焊縫的中上部，裂紋的方向大多與焊管表面垂直或近似垂直，多數缺陷在超聲波探傷檢測中較容易檢出，同時在X射線拍片、取樣酸蝕、金相檢測、碳弧氣刨中也能夠發現此類缺陷。但對一些方向與焊管母材表面有一定角度的外焊縫裂紋，X射線檢驗時不容易檢出。外焊縫裂紋位置及金相形貌如圖1所示。

圖1 外焊縫裂紋位置及金相形貌

1.2 內焊縫裂紋

內焊縫裂紋大多位于內焊縫的根部，裂紋方向與焊管表面有一定夾角。使用超聲波檢測設備在焊縫一側探傷時，會出現裂紋方向與檢測聲束平行或夾角較小的情況，可通過一、二次波交替檢測，針對單一規格焊管使用不同K值（鋼中聲束折射角的正切值）探頭進行探傷。實際檢驗時，在焊縫兩側通過斜探頭一、二次波探傷均可發現內焊縫裂紋，X射線拍片、碳弧氣刨均難發現，但是一般通過取樣酸蝕、金相檢測也可以發現。內焊縫裂紋位置及金相形貌如圖2所示。

圖2 內焊縫裂紋位置及金相形貌

1.3 未焊透

未焊透大多位于內外焊縫的中部，缺陷的方向大多與焊管表面垂直或近似垂直。采用超聲波探傷設備探傷時，在焊縫兩側通過斜探頭一、二次波探傷均可發現未焊透缺陷；通過X射線拍片、取樣酸蝕、金相檢測和碳弧氣刨也能夠發現此類缺陷。焊縫未焊透位置及金相形貌如圖3所示。

圖3 焊縫未焊透位置及金相形貌

2 焊縫危害性缺陷的檢測分析

一般使用超聲波斜探頭分別在焊縫兩側一、二次波探傷位置采用鋸齒形掃查，同時探頭轉動10°～15°，以檢查焊縫內有無缺陷。檢測到缺陷后，手持探頭前后左右緩慢移動，以確定缺陷長度和缺陷的水平距離及在焊縫橫截面內的位置；同時采用探頭轉角掃查和環繞掃查相結合的方式，估判缺陷的方向、性質和形狀。

螺旋縫埋弧焊管焊縫中的裂紋、未焊透缺陷，通常使用超聲波探傷就可以檢測出來。同時，對于超聲波探傷發現的焊管中部無法切除的焊縫缺陷，根據具體情況，采用X射線拍片或碳弧氣刨來驗證超聲波探傷對缺陷的定量、定位和定性的準確性；對于焊管端部可以切除的焊縫缺陷，根據具體情況，可采用X射線拍片、取樣酸蝕或金相分析來驗證超聲波探傷對缺陷的定量、定位和定性準確性。現以Φ1 219 mm×18.4 mm規格螺旋縫埋弧焊管的超聲波檢測為例，進行分析。

2.1 外焊縫裂紋的檢測

在基準探傷靈敏度下，從焊縫遞送邊側和自由邊側分別探傷時，使用一次波探傷無法發現外焊縫裂紋，但使用二次波探傷則可以發現該缺陷。缺陷位于外焊縫區域，焊縫兩側探傷缺陷反射波幅和顯示位置基本相當，說明兩側探傷缺陷反射源基本相同，在焊縫橫截面內，缺陷左右基本對稱。缺陷反射波幅較高，且缺陷反射波根部較寬，焊縫余高波降低明顯，說明缺陷當量較大。探頭沿焊縫長度方向前后移動，且探頭有一定的前后移動距離，從缺陷最高波降低到消失，缺陷反射波波高降低緩慢，說明缺陷在深度方向尺寸較大。遞送邊側和自由邊側探傷動態波形基本相同。探頭沿焊縫方向轉角平移時，缺陷會出現多峰，且波峰有上、下錯動現象，波幅有所起伏，但缺陷反射波連續出現，缺陷有一定的指示長度，探頭轉動時，缺陷反射波降低明顯，說明缺陷為線性缺陷，且缺陷可能有多個不同的反射點，類似樹杈狀。根據超聲波探傷波形分析及X射線拍片或取樣酸蝕驗證，認為該缺陷為外焊縫裂紋。二次波探傷外焊縫裂紋波形如圖4所示，外焊縫裂紋X射線拍片及酸蝕形貌如圖5所示。

圖4 二次波探傷外焊縫裂紋波形

圖5 外焊縫裂紋X射線拍片及酸蝕形貌

2.2 內焊縫裂紋的檢測

在基準探傷靈敏度下，從焊縫遞送邊側和自由邊側分別探傷時，遞送邊側和自由邊側一次波及二次波均能檢出缺陷，一次波比二次波探傷缺陷反射波幅高，說明缺陷位于焊縫中部稍偏下區域。缺陷反射波顯示缺陷位置基本相當，兩側一、二次探傷缺陷反射波波幅高度均有一定的差異，一、二次波探傷遞送邊側均比自由邊側缺陷波幅高，說明兩側探傷缺陷反射源不同，在焊縫橫截面內，缺陷左右不對稱，缺陷的方向與焊管表面可能有一定角度。探頭沿焊縫長度方向移動，且探頭有一定的前后移動距離，從缺陷最高波處到消失，缺陷反射波降低緩慢，說明缺陷在深度方向有一定的尺寸。遞送邊側一次波探傷，探頭沿焊縫長度方向轉角平移時，缺陷會出現多峰，且波峰有上、下錯動現象，波幅有所起伏，缺陷反射波連續出現，缺陷有一定的探傷指示長度，探頭轉動時缺陷反射波降低明顯；遞送邊側二次波探傷，探頭沿焊縫長度方向平移并同時轉動時，反射波類似點狀缺陷，缺陷回波波幅不高，回波根部窄、單峰，且指示長度較短，探頭轉動時缺陷反射波降低比較明顯。自由邊側一次波探傷，探頭沿焊縫長度方向平移并同時轉動時，缺陷會出現多峰，且波峰有上、下錯動現象，波幅有所起伏，缺陷反射波連續出現，缺陷有一定的探傷指示長度（比遞送邊一次波探傷時短），探頭轉動時缺陷反射波降低比較明顯；自由邊側二次波探傷，探頭沿焊縫長度方向平移并同時轉動時，反射波類似點狀缺陷，回波根部較窄、單峰，且指示長度很短，探頭稍微轉動，缺陷反射波降低消失，缺陷可能有多個不同的反射點，類似樹枝狀。通過X射線拍片無法發現上述缺陷，說明缺陷的方向與探測面（母材表面）可能有一定的角度，其角度可能大于X射線拍片裂紋檢出角，且缺陷較小，為線性缺陷。鑒于此，根據超聲波探傷波形分析及取樣酸蝕和金相檢測驗證，認為該缺陷為內焊縫裂紋。一次波探傷內焊縫裂紋波形如圖6所示，內焊縫裂紋酸蝕形貌如圖7所示。

圖6 一次波探傷內焊縫裂紋波形

圖7 內焊縫裂紋酸蝕形貌

2.3 未焊透檢測

在基準探傷靈敏度下，從焊縫遞送邊側和自由邊側分別探傷時，遞送邊側和自由邊側一次波及二次波均能檢出缺陷，一次波比二次波探傷缺陷反射波波幅高，說明缺陷位于焊縫中部稍偏下區域。兩側探傷缺陷反射波幅和顯示位置基本相當，說明兩側探傷缺陷反射源基本相同，在焊縫橫截面內，缺陷左右基本對稱。兩側探傷缺陷反射波幅很高，且缺陷反射波根部有一定的寬度，焊縫余高波明顯降低，說明缺陷當量較大。兩側探傷探頭沿焊縫長度方向移動，從缺陷最高波降低到消失，缺陷反射波波高降低緩慢，且探頭有一定的前后移動距離，說明缺陷在深度方向尺寸大。遞送邊側和自由邊側探傷動態波形基本相同，兩側一、二次波探傷均可以發現缺陷，兩側探傷缺陷波幅高度相當，缺陷回波波幅較高，缺陷波根部有一定寬度，缺陷波峰尖銳。探頭沿焊縫長度方向平移并同時轉動時，缺陷反射波連續出現，缺陷有一定的指示長度，且缺陷波幅起伏不大，探頭轉動時缺陷反射波明顯降低或消失，說明缺陷為線性缺陷，且兩側探傷缺陷反射源基本相同。根據超聲波探傷波形分析及X射線拍片、酸蝕形貌及金相驗證，該缺陷為未焊透。一次波探傷未焊透波形如圖8所示，未焊透X射線拍片及酸蝕形貌如圖9所示。

圖8 一次波探傷未焊透波形

圖9 未焊透X射線拍片及酸蝕形貌

3 缺陷的定位、定量、定性分析

3.1 缺陷定位

在螺旋縫埋弧焊管的超聲波探傷中，使用焊縫中心Φ1.6 mm豎通孔進行靈敏度校驗，同時可作為缺陷水平定基準位。如果兩側探傷缺陷反射波波幅和顯示位置基本相當，說明兩側探傷缺陷反射源基本相同，在焊縫橫截面內，缺陷左右基本對稱，缺陷的方向與焊管表面垂直或近似垂直。如果兩側探傷缺陷反射波幅有較大的差異，顯示位置有一定的差異，說明兩側探傷缺陷反射源不同，在焊縫橫截面內，通過測量缺陷同Φ1.6 mm豎通孔基準之差，可判斷缺陷水平位置。

在超聲波探傷中，缺陷深度根據焊管壁厚使用一、二次波進行定位。一般情況下，缺陷由一次波檢驗估判為內焊縫缺陷，缺陷由二次波檢驗估判為外焊縫缺陷，也可根據在焊縫不同深度制造人工標樣進行判定。

3.2 缺陷定量

如果缺陷反射波幅比基準波幅高很多，且缺陷反射波根部較寬，焊縫余高波降低明顯，說明缺陷當量很大。如果缺陷反射波幅較基準波幅有一定的高度，且缺陷反射波根部有一定寬度，焊縫余高波降低不明顯，說明缺陷當量較大。如果缺陷反射波幅較基準波幅稍高，且缺陷反射波根部寬度小，焊縫余高波沒有降低，說明缺陷當量較小。探頭沿焊縫長度方向移動，且探頭有一定的前后移動距離，如果從缺陷最高波降低到消失，缺陷反射波高降低緩慢，說明缺陷在深度方向尺寸較大；如果探頭前后移動距離較小，從缺陷最高波降低到消失，缺陷反射波高降低迅速，說明缺陷在深度方向尺寸較小。

3.3 缺陷定性

（1）外焊縫裂紋。外焊縫裂紋大多位于外焊縫的中上部，裂紋的方向大多與焊管表面垂直或近似垂直，兩側一次波探傷不易發現該缺陷，二次波探傷時可以發現該缺陷。外焊縫裂紋反射波幅較高，波峰尖銳，波根部較寬，焊縫兩側探傷反射波幅相差不大，顯示位置基本相同，缺陷指示長度相當，缺陷顯示位置基本在焊縫中間。外焊縫裂紋使用探頭轉動掃查時，缺陷反射波出現多峰，且波峰有上、下錯動現象，缺陷反射波降低明顯，探頭平移時反射波大多斷續出現，波幅有變化。

（2）內焊縫裂紋。內焊縫裂紋大多位于內焊縫的根部，大多數裂紋的方向與焊管表面有一定角度，兩側一、二次波探傷均可發現該缺陷。內焊縫有一定長度，裂紋反射波幅較高，波峰尖銳，波根部較寬，通常遞送邊側的缺陷反射波幅比自由邊側高，顯示位置基本相同。探頭轉角掃查和環繞掃查時，缺陷反射波出現多峰，且波峰有上、下錯動現象，缺陷反射波降低明顯，探頭平移時反射波大多連續出現，波幅有變化，遞送邊側探傷的缺陷指示長度通常比自由邊側長，缺陷顯示位置略偏于自由邊。

（3）未焊透。未焊透大多位于焊縫的中部，未焊透的方向大多與探測面（母材表面）垂直，焊縫兩側一、二次波探傷均可以發現該缺陷。未焊透反射波波幅較高，波峰尖銳，波根部較寬。探頭轉動掃查時，缺陷反射波降低明顯。探頭平移時，反射波連續出現，波幅較穩定；探頭轉動時，反射波明顯降低或消失。焊縫兩側探傷波幅和顯示位置基本相同，缺陷顯示位置基本在焊縫中間。

4 結 論

（1）對焊縫進行無損檢驗分析，并結合碳弧氣刨、取樣酸蝕和金相檢測，可準確判別焊縫缺陷；

（2）通過超聲波檢測分析，總結出螺旋縫埋弧焊管焊縫裂紋、未焊透典型缺陷的超聲波探傷方法和定位、定量、定性規律。

（3）通過焊縫缺陷的無損檢驗分析，可及時指導螺旋縫埋弧焊管的成型、焊接工藝，及時采取針對性的預防、控制、調整措施，盡可能避免危害性缺陷的產生，提高焊縫一次通過率。同時，及時指導焊縫補焊，實現針對性修補，避免盲目修補，提高補焊一次成功率。