焊管對(duì)接焊縫的超聲波探傷

王晉生 溫 堅(jiān)

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西030024)

電廠的受熱面管如水冷壁、過(guò)熱器、省煤器以及再熱器等，其直徑僅為32 mm～60 mm，壁厚僅為3 mm～6 mm。對(duì)這些焊管選用超聲波探傷相對(duì)射線探傷有以下優(yōu)點(diǎn)：

—焊接中的裂紋和未熔合等危害性較大的面狀缺陷易于發(fā)現(xiàn)。

—超聲波探傷的成本較低，只需要一些偶合劑即可進(jìn)行。

—檢驗(yàn)周期短，工效高，超聲波探傷的評(píng)定可以連續(xù)進(jìn)行。

—可以與其他的工種交叉作業(yè)，而不影響工程安裝的進(jìn)度。

隨著機(jī)組容量的擴(kuò)大，參數(shù)提高，焊管的焊口數(shù)量也隨之增加。為了避免漏檢，提高焊口的檢驗(yàn)速度，焊管焊口超聲波探傷勢(shì)在必行。

1 焊管對(duì)接焊縫超聲波探傷分析[1]

1.1 焊管自身因素

焊管內(nèi)、外表面曲率較大，容易造成聲束的擴(kuò)散，使探傷的靈敏度降低。焊管的管壁薄，管壁厚度相對(duì)公差較大，影響了對(duì)焊縫根部缺陷的判斷。焊管的管面曲率較大以及管壁較薄，加上焊縫根部形狀復(fù)雜，探傷過(guò)程容易產(chǎn)生變形波，表面波信號(hào)干擾了對(duì)真正缺陷的判斷。

1.2 對(duì)探頭性能的特殊要求

普通探頭的前沿尺寸均在10 mm以上，一次波掃查不到焊縫的根部。利用三次波探測(cè)，因探頭發(fā)射聲束寬，聲束擴(kuò)散，曲面散射，回波游動(dòng)范圍大，反射回波同聲程信息雜亂，給缺陷判定和定位等帶來(lái)很大的困難，從而影響了探傷的可靠性。探傷時(shí)，要考慮一次能掃查到焊縫根部1/4壁厚的范圍，給探頭探測(cè)焊縫根部有一個(gè)移動(dòng)的范圍，即需要短的前沿探頭。依據(jù)聲波的折射定律：

sinα/sinβ=CL/CS

式中，α——楔塊材料入射角；

β——被檢測(cè)材料橫波折射角；

CL——楔塊材料縱波聲速；

CS——被檢測(cè)材料橫波聲速。

當(dāng)β、CS不變時(shí)，α隨CL的變化而減小，見(jiàn)表1。

表1 α和β值(度)Table 1 The value of α and β(unit: degree)

注：α1有機(jī)玻璃入射角；α2聚楓材料入射角。

選用一、二次波對(duì)焊管的焊縫進(jìn)行探傷時(shí)，由于焊縫的寬度和探頭前沿尺寸對(duì)探頭移動(dòng)范圍的限制，應(yīng)選用大角度的探頭，才能使聲束掃查到整個(gè)鋼管焊縫的截面。

近場(chǎng)區(qū)超聲場(chǎng)存在一些聲壓極大值和極小值，其聲壓反射不符合球面波的反射規(guī)律，即在近場(chǎng)內(nèi)的缺陷大小與反射聲波高度不成比例，落在近場(chǎng)區(qū)的焊縫是無(wú)法進(jìn)行探傷的。

對(duì)焊管壁進(jìn)行探傷時(shí)，選用何種類(lèi)型的探頭才能保證焊縫不落在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。

橫波斜探頭工件中近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算：

NS=ab/πλS×cosβ/cosα

l2=l1×tgα/tgβ

NS1=NS-l2

式中，NS——方形晶片探頭橫波近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度；

l1——晶片至入射射點(diǎn)長(zhǎng)度；

l2——橫波虛構(gòu)源至入射射點(diǎn)長(zhǎng)度；

a、b——分別為矩形晶片二邊長(zhǎng)；

NS1——工件中橫波近場(chǎng)長(zhǎng)度。

以頻率5 MHz，晶片尺寸為6 mm×6 mm和7 mm×7 mm的探頭，對(duì)壁厚4 mm，焊縫寬度6 mm的焊管探傷為例，l1取4.5 mm，見(jiàn)表2。

表2 晶片至入射射點(diǎn)長(zhǎng)度l1Table 2 the length l1 between the crystal and the incidence point

從以上分析可以看出，選用普通斜探頭前沿尺寸磨短后的探頭，作為焊管對(duì)接焊縫探傷的探頭是不適宜的，對(duì)接焊縫可能落在近場(chǎng)區(qū)內(nèi)(尤其是晶片尺寸大于7 mm時(shí))。使用聚楓材料制作的5p6 mm×6 mm探頭是完全可以避開(kāi)近場(chǎng)區(qū)進(jìn)行探傷的。當(dāng)然，普通探頭磨制還應(yīng)考慮聲束是否落在探頭的磨制表面，否則，有一固定反射波。

2 焊管探傷工藝的編制[2]

2.1 標(biāo)準(zhǔn)試塊

標(biāo)準(zhǔn)試塊有以下作用：

—評(píng)價(jià)儀器與探頭的綜合性能；

—測(cè)量探頭聲束折射角；

—測(cè)量探頭的前沿尺寸；

—調(diào)整儀器掃描速度；

—測(cè)定探頭分辨力；

—確定探傷靈敏度。

2.2 焊管焊縫自然缺陷試塊

自然缺陷是指焊縫中常見(jiàn)的氣孔、夾渣、未焊透、內(nèi)凹、未熔合以及裂紋等缺陷。A型超聲波探傷中缺陷均以反射波高、大小來(lái)表示，即以某個(gè)人造反射體的當(dāng)量來(lái)表示，沒(méi)有一個(gè)直觀性。為了摸清焊管焊縫中各種缺陷波的反射規(guī)律，以及缺陷大小與當(dāng)量波高的關(guān)系，特制作了一套焊縫自然缺陷試塊，進(jìn)行X射線探傷對(duì)比試驗(yàn)，以便超聲波探傷對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行“直觀”判斷。

2.3 編制探傷工藝

2.3.1 探頭前沿尺寸與折射角的測(cè)定

焊管管壁的厚度相對(duì)公差較大，為了不影響缺陷的定位以及定性，有必要對(duì)探頭的前沿尺寸與折射角作準(zhǔn)確的測(cè)定。

2.3.2 探頭角度的選擇

原則上是探頭一次波的聲束能掃查到焊縫根部和近根部，即焊縫的中線1/4壁厚以下的斷面，二次波能掃查到焊縫的中上部。

探頭的角度要適宜，選用聚楓材料制作探頭。當(dāng)橫波折射角達(dá)到73°時(shí)，其縱波的入射角為42°。而第Ⅱ臨界角44°，由于聲束的前端擴(kuò)散作用，其擴(kuò)散聲束角度大于聲束的軸線角度，很容易產(chǎn)生強(qiáng)烈的表面波，易引起表面凹坑、飛濺以及焊縫加強(qiáng)面的強(qiáng)烈回波。探頭角度的選擇見(jiàn)表3。

表3 探頭角度的選擇Table 3 The selection of the probe angle

2.3.3 探傷靈敏度的選擇

靈敏度是儀器在規(guī)定的范圍內(nèi)對(duì)最小缺陷的檢出能力，是儀器的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。靈敏度偏高、噪音大以及雜波較多將會(huì)影響對(duì)缺陷信號(hào)的識(shí)別；靈敏度偏低對(duì)小缺陷易漏檢。

焊管對(duì)接焊縫一、二次波探傷應(yīng)考慮聲程差、對(duì)聲壓的反射差。對(duì)試塊的長(zhǎng)橫孔而言，一次波和二次波的聲程靈敏度相差9 dB。因此，一、二次波探傷應(yīng)分別制定探傷的靈敏度。

2.3.4 表面聲能損失的測(cè)定

焊管內(nèi)、外表面曲率大，探頭要加工成與外表面相同的弧面。一次波探傷只考慮表面偶合補(bǔ)償，不考慮曲面對(duì)聲能的擴(kuò)散損失。表面偶合補(bǔ)償值與管子的外表加工狀態(tài)有關(guān)，其數(shù)值依管子表面凹凸度的大小而定。表面偶合補(bǔ)償值順序?yàn)椋荷拜喣ブ?銼刀磨制>冷拔表面>砂皮磨制>薄而致密的油漆層。

二次波探傷不但應(yīng)考慮一次波探傷時(shí)表面偶合補(bǔ)償，而且要同時(shí)考慮管子內(nèi)曲面對(duì)聲能擴(kuò)散的補(bǔ)償。

2.3.5 焊管焊縫探傷掃查

選用一、二次波在焊縫兩測(cè)掃查。先用探傷靈敏度對(duì)整個(gè)焊管的焊縫進(jìn)行初探，發(fā)現(xiàn)缺陷后先作好標(biāo)記，然后再進(jìn)行細(xì)探。探頭掃查軸向移動(dòng)每次不得超過(guò)晶片寬度的一半。二次波掃查時(shí)探頭移動(dòng)應(yīng)到位，即保證二次波聲束掃查到整個(gè)焊管焊縫的截面。

2.3.6 缺陷波的確定

探傷時(shí)屏幕上除真正的缺陷信號(hào)外，還會(huì)出現(xiàn)變形波，表面波干擾信號(hào)。探測(cè)過(guò)程需要用沾油手觸拍探傷面以及探頭前沿，觸摸到的變形波與表面波信號(hào)均會(huì)發(fā)生跳動(dòng)，并注意觀察探頭下小飛濺和凹坑出現(xiàn)的反射波。

應(yīng)根據(jù)水平定位確定反射波與探頭位置的反射波。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)近根部的位置出現(xiàn)反射波時(shí)，應(yīng)對(duì)焊縫二側(cè)管壁進(jìn)行測(cè)定，然后再依據(jù)掃描速度與探頭參數(shù)確定是一次波還是二次波得到的反射。

3 缺陷波型分析

3.1 裂紋回波

聲波反射當(dāng)量高，波型尖銳，從鋼管焊縫的兩側(cè)均可以發(fā)現(xiàn)。當(dāng)探頭作橫向移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)3°～5°時(shí)，波幅變化不大。隨著裂紋深度的變化，探測(cè)聲程不同反射體水平位置幾乎相同。當(dāng)探頭向前移動(dòng)聲束越過(guò)裂紋端點(diǎn)時(shí)，聲波急劇下降。

3.2 焊瘤回波

焊瘤，包括根部成形不良時(shí)的回波均大于一個(gè)壁厚標(biāo)記點(diǎn)。從焊管焊縫兩側(cè)反射波水平位置均落在偏離焊縫中心遠(yuǎn)離探頭的一側(cè)。

3.3 內(nèi)凹回波

反射波幅明顯低于未焊透，聲波位置落在偏離焊縫中心靠近探頭的一側(cè)，從焊縫兩側(cè)發(fā)現(xiàn)反射波的間距大于未焊透間距(對(duì)口間距)，探頭繼續(xù)前移可以測(cè)到內(nèi)凹的深度。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)一段時(shí)間對(duì)自然缺陷試塊超聲波探傷的應(yīng)用，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊管焊口開(kāi)始應(yīng)用性探傷。有條件時(shí)選用射線探傷復(fù)檢對(duì)比；無(wú)條件時(shí)，直接控補(bǔ)觀察驗(yàn)證。

焊管對(duì)接焊縫超聲波探傷關(guān)鍵在于選擇探頭儀器以及確定探傷的靈敏度。只有正確掌握超聲波探傷工藝，焊管對(duì)接焊縫超聲波探傷法可以成為一種方便、快捷、可靠的檢測(cè)手段。

[1] 李生田，李家鰲，康紀(jì)黔.鋼焊縫手工超聲波探傷和探傷結(jié)果分級(jí).北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，GB11345-1989，687-713.

[2] 李克明，劉德榮，張志永.超聲波探傷.北京：電力出版社，1980.