長(zhǎng)輸管道對(duì)接焊縫的超聲檢測(cè)及缺陷分析

任傳江,張周平,王 蒙,崔亞強(qiáng)

(中國(guó)石化集團(tuán)管道儲(chǔ)運(yùn)公司 徐州管道技術(shù)作業(yè)分公司,徐州 221008)

對(duì)長(zhǎng)輸管道對(duì)接環(huán)焊縫作超聲檢測(cè)時(shí),因管道特點(diǎn)造成超聲檢測(cè)存在以下難點(diǎn):

(1)長(zhǎng)輸管道壁厚一般較小,大部分＜10 mm,因受近場(chǎng)區(qū)的影響,導(dǎo)致檢測(cè)不準(zhǔn)確。

(2)長(zhǎng)輸管道的檢測(cè)面均為曲面,超聲斜探頭表面與檢測(cè)面的接觸均為線接觸,造成超聲波散射嚴(yán)重,檢測(cè)靈敏度一般較低。

(3)長(zhǎng)輸管道環(huán)焊縫因采用下向焊單面焊雙面成型工藝,無(wú)法進(jìn)行封底焊接,也無(wú)法進(jìn)行背面清理,造成根部缺陷較嚴(yán)重以及根部成形不良等。由于超聲檢測(cè)是利用反射回波波形及其位置進(jìn)行定性,檢測(cè)過(guò)程中缺陷的判斷和定性干擾因素較多,易引起誤判,也很容易使裂紋漏檢。

針對(duì)上述難點(diǎn),筆者擬采用如下解決方法:

(1)為保證探頭與檢測(cè)面緊密接觸,耦合良好,選擇較小的晶片尺寸。

(2)為提高缺陷定位的準(zhǔn)確性,應(yīng)盡量在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下檢測(cè)。由近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N=D2/4λ可知,當(dāng)頻率f一定時(shí),D值越小,N值越小,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)。

(3)檢測(cè)時(shí),焊縫表面無(wú)法磨平,焊縫的根部檢測(cè)有一定影響,探頭角度應(yīng)依據(jù)被檢管線壁厚,預(yù)估探測(cè)的缺陷種類,盡量使直射波掃查到焊縫根部以上區(qū)域。由于長(zhǎng)輸管道管壁較薄,一般選用小前沿、較大角度的探頭。

(4)檢測(cè)面應(yīng)清除焊縫飛濺、鐵屑、油污以及其他表面雜質(zhì),探傷表面應(yīng)平整光滑,便于探頭自由掃查?？紤]到曲率半徑和表面粗糙度的影響,檢測(cè)時(shí)靈敏度補(bǔ)償6 dB。

下文將對(duì)長(zhǎng)輸管道對(duì)接環(huán)焊縫的超聲檢測(cè)工藝以及常見缺陷的判別作詳細(xì)敘述。

1 長(zhǎng)輸管道對(duì)接環(huán)焊縫超聲檢測(cè)工藝

(1)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) 執(zhí)行SY/T 4109-2005《石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接焊縫超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)檢測(cè)儀器及探頭 目前長(zhǎng)輸管道超聲檢測(cè)一般選用數(shù)字超聲波探傷儀。探頭的選用符合SY/T 4109—2005 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。針對(duì)長(zhǎng)輸管道的結(jié)構(gòu)及施工特點(diǎn),為盡量滿足現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)精度的要求,選擇較高頻率、小前沿、大K值的橫波斜探頭。

(3)檢測(cè)方式 長(zhǎng)輸管道對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)采用直射法和一次反射波法相結(jié)合的方式進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)原理如圖1 所示。圖1 中位置1 采用直射法檢測(cè),位置2 采用一次反射波法檢測(cè),加上從另一面進(jìn)行檢測(cè),基本可以掃查到全部焊縫。

圖1 超聲波檢測(cè)方式

(4)探頭的移動(dòng)區(qū)域和檢測(cè)區(qū) 探頭的移動(dòng)區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)保證掃查到焊縫和兩側(cè)的熱影響區(qū),長(zhǎng)度應(yīng)≥2.5TK(T為板厚;K為探頭折射角),如圖2 所示。

圖2 探頭移動(dòng)區(qū)和檢測(cè)區(qū)

(5)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè) 檢測(cè)人員應(yīng)了解被檢測(cè)管線的材質(zhì)、厚度、曲率、組對(duì)情況、坡口形式、焊接方法和焊縫余高等情況,以便對(duì)被檢工件作出較為準(zhǔn)確的判斷。檢測(cè)時(shí),要求探頭與工件表面耦合良好,探頭在焊縫兩側(cè)作鋸齒形掃查,探頭移動(dòng)形式為前后、左右、轉(zhuǎn)角及環(huán)繞(圖3)。探頭移動(dòng)速度不得＞150 mm/s,相鄰兩次探頭移動(dòng)間隔至少有探頭寬度的10%重疊。盡量采用直射波掃查焊縫根部,采用一次反射波掃查焊縫的中上部,盡量減少超聲波束的管壁表面反射次數(shù),縮短聲程,提高檢測(cè)靈敏度和分辨率。

圖3 探頭移動(dòng)方式

(6)缺陷定量檢測(cè):①檢測(cè)靈敏度應(yīng)不低于評(píng)定線靈敏度。②對(duì)波幅超過(guò)評(píng)定線的反射波應(yīng)根據(jù)探頭位置、方向、反射波在熒光屏上的波形和位置以及焊縫情況判定是否為缺陷。為探測(cè)縱向缺陷,探頭應(yīng)垂直焊縫中心線作矩形掃查或鋸齒形掃查,探頭前后移動(dòng)范圍應(yīng)保證能掃查全部焊縫截面及熱影響區(qū)。 ③對(duì)反射波幅位于或超過(guò)定量線的缺陷以及判定為根部未焊透的缺陷,應(yīng)確定其位置、最大反射波所在區(qū)域和缺陷指示長(zhǎng)度,波幅測(cè)定允許誤差2 dB。④缺陷最大反射波幅與定量線S L 的dB差,記為S L±dB。⑤缺陷位置以獲得最大反射波的位置表示。以焊縫起弧點(diǎn)為起點(diǎn),沿介質(zhì)流出方向投影,順時(shí)針進(jìn)行標(biāo)記。深度標(biāo)記是以缺陷最大反射波的深度值表示。

(7)缺陷反射波采用6 dB 法測(cè)其指示長(zhǎng)度或端點(diǎn)6 dB 法測(cè)其指示長(zhǎng)度。

(8)缺陷指示長(zhǎng)度＜10 mm 時(shí),按5 mm 計(jì)。

(9)相鄰兩缺陷間距小于較小缺陷長(zhǎng)度時(shí), 兩缺陷指示長(zhǎng)度之和作為單個(gè)缺陷的指示長(zhǎng)度[1]。

2 常見缺陷的判別

2.1 缺陷波判定

在焊接接頭中檢出缺陷后,缺陷的性質(zhì)不能直接得出,必須結(jié)合缺陷的位置、波形和焊接工藝等因素進(jìn)行綜合判斷。對(duì)于檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的反射體波形,首先應(yīng)判斷是缺陷反射波還是偽缺陷波?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)一般根據(jù)反射體的水平位置和深度來(lái)判別。

2.1.1 缺陷波

反射波前沿出現(xiàn)在一次波聲程內(nèi)可初步判斷為缺陷波。若反射波前沿出現(xiàn)在一次波聲程處,在確定不存在錯(cuò)口的情況下,根據(jù)探頭前沿至反射體的水平距離來(lái)判斷:即如果反射體位于焊縫中心或靠近探頭側(cè)的焊縫及熱影響區(qū)內(nèi),則初步判定為缺陷,其余情況均為偽缺陷。

當(dāng)使用二次波探傷時(shí),如反射波位于一次波聲程和二次波聲程之間,則測(cè)量探頭前沿至反射體的水平距離,若聲束二次波在管子內(nèi)壁上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在焊縫外位于探頭一側(cè),反射體位于焊縫或熱影響區(qū)內(nèi),則該反射體初步判定為缺陷。

另外,還可以按以下情況來(lái)判定缺陷波:①當(dāng)從焊縫兩側(cè)探傷都可發(fā)現(xiàn)反射波,且從兩側(cè)對(duì)反射體進(jìn)行水平定位都在焊縫中心附近同一位置,則可判定為缺陷波。②當(dāng)從焊縫兩側(cè)探傷都可發(fā)現(xiàn)反射波,且從兩側(cè)對(duì)反射體進(jìn)行水平定位都在靠近探頭一側(cè)的焊縫中,則可判定為缺陷波。③一次波探傷出現(xiàn)的反射波,只要一側(cè)定位在靠近探頭側(cè)的焊縫中,或兩側(cè)定位都在焊縫中心線上,都可判定為缺陷波。

2.1.2 偽缺陷波

除以上各方法初步判定為缺陷波的反射波外,其余各種情況的反射波均可作為偽缺陷波處理。另外因管線焊接的特殊性,以下幾種特殊情況產(chǎn)生的偽缺陷波較為常見:

(1)焊縫根部成形不良 焊接時(shí),當(dāng)根部余高過(guò)大或成形不規(guī)則時(shí),易形成與根部未焊透缺陷相似的反射波形,判斷方法為:根部成形不良的反射波的聲程要略微大于一次波標(biāo)記點(diǎn),而根部缺陷的反射波聲程在一次波標(biāo)記點(diǎn)內(nèi);根部成形不良的反射波水平定位在偏離焊縫中心線遠(yuǎn)離探頭一側(cè),而根部缺陷的反射波水平定位在焊縫中心線上或靠近探頭一側(cè)。

(2)錯(cuò)口引起的反射波 野外管道焊接時(shí)因管子本身橢圓度及對(duì)口的問(wèn)題,錯(cuò)口存在較多,判斷方法為:當(dāng)錯(cuò)口出現(xiàn)且聲束和錯(cuò)邊方位合適就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)邊反射波,此時(shí)應(yīng)從焊縫另一側(cè)進(jìn)行探測(cè),由于聲束與錯(cuò)邊方位不合適,將不會(huì)有反射信號(hào);錯(cuò)口處多數(shù)除產(chǎn)生橫波反射外,還可能因余高的存在而產(chǎn)生變型縱波,即顯示為山字波,此時(shí)可用沾有耦合劑的手指拍打相應(yīng)的余高處,則山字波的后面兩個(gè)波將跳動(dòng),即可確認(rèn)為錯(cuò)口引起的反射波。

(3)咬邊引起的反射波 咬邊是在母材金屬上沿焊趾產(chǎn)生的溝槽,其一定出現(xiàn)在焊縫區(qū)的兩側(cè),由于采用下向焊接,咬邊一般有一定的長(zhǎng)度。焊縫外表面的咬邊,用肉眼可直接觀察到。一般情況下此種反射波位置分別在一次與二次波前邊,水平位置在焊縫的邊緣。判斷方法:測(cè)量這個(gè)信號(hào)的部位是否在焊縫邊緣處,如能用肉眼觀察到咬邊存在即可判定;在探頭移到出現(xiàn)最高反射信號(hào)處固定探頭,適當(dāng)降低儀器靈敏度。用手指沾油輕輕敲打焊縫邊緣咬邊處,觀察反射波是否有明顯的跳動(dòng)現(xiàn)象。若反射波跳動(dòng),則證明是咬邊信號(hào)。

以上操作可分辨缺陷波和偽缺陷波,但仍不能對(duì)缺陷進(jìn)行定性。缺陷的定性需了解各種缺陷的成因及其典型波形,結(jié)合大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)方可進(jìn)行,在這里簡(jiǎn)要介紹各種缺陷的成因及其典型波形。

2.2 缺陷性質(zhì)判定

管道焊接中常見缺陷有氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等,超聲波檢測(cè)時(shí)對(duì)于氣孔和點(diǎn)狀?yuàn)A渣的反射波形基本相似,故在超聲波檢測(cè)中一般需要確定的是點(diǎn)狀缺陷、條渣、未焊透、未熔合和裂紋。

2.2.1 點(diǎn)狀缺陷

其中氣孔是焊接過(guò)程中熔池中的氣體在熔池凝固時(shí)未能及時(shí)逸出而形成的空穴,一般呈球形或橢圓形,點(diǎn)狀?yuàn)A渣是殘留在焊縫中的點(diǎn)狀焊渣,表面不規(guī)則。點(diǎn)狀缺陷可分為單個(gè)和密集形兩種。單個(gè)點(diǎn)狀缺陷的回波高度較低、波形穩(wěn)定、從各個(gè)方向探測(cè)反射波高大致相同,但探頭稍稍移動(dòng)反射波就會(huì)消失。密集形點(diǎn)狀缺陷回波為一組反射波,當(dāng)探頭定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)波峰此起彼落的現(xiàn)象。一般探頭對(duì)點(diǎn)狀缺陷進(jìn)行左右、前后及轉(zhuǎn)動(dòng)掃查時(shí)波峰包絡(luò)線為平穩(wěn)由零上升至最高,再平穩(wěn)回到零,此起彼落的現(xiàn)象。

2.2.2 線狀缺陷

條渣、未焊透和坡口未熔合等缺陷都是條狀缺陷,它們的反射波形態(tài)相似,具體區(qū)別要根據(jù)其成因及存在位置來(lái)確定。線狀缺陷共同的反射波形態(tài)為:當(dāng)探頭對(duì)此類缺陷進(jìn)行前后掃查時(shí),波峰包絡(luò)線為平穩(wěn)由零上升至最高,再平穩(wěn)回到零;左右掃查時(shí),波峰包絡(luò)線首先平穩(wěn)地由零上升至最高,當(dāng)探頭繼續(xù)掃查時(shí),波峰基本不變,保持一段呈鋸齒狀平直部分,然后再平穩(wěn)回到零。當(dāng)按上述方法確定缺陷為線狀缺陷后,要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定性,必須了解各種缺陷的特點(diǎn):

(1)條狀?yuàn)A渣 長(zhǎng)輸管道是多層焊接,容易因?qū)娱g熔渣清理不夠徹底而產(chǎn)生夾渣。條狀?yuàn)A渣是殘留在焊縫中的條狀焊渣,存在于焊縫內(nèi)部,其反射波信號(hào)多呈鋸齒狀,一般波幅不高,主波峰旁存在有小峰,探頭平移時(shí)波幅有變化,從其他方向探測(cè)時(shí)反射波幅不同。

(2)未焊透 接頭處母材與母材未完全熔透的現(xiàn)象稱為未焊透,一般位于焊縫中心線上。由于長(zhǎng)輸管道采用單面焊雙面成型下向焊的工藝,未焊透的反射波深度位于焊縫根部。探頭平移時(shí),未焊透的反射波形較穩(wěn)定,在焊縫兩側(cè)得出的波幅基本相同,且沿焊縫方向有一定的移動(dòng)范圍。

(3)坡口未熔合 坡口處焊道與母材之間未完全熔化結(jié)合的部分定義為坡口未熔合。長(zhǎng)輸管道焊接為采用V 型坡口,下向多層單面焊接雙面成型。坡口未熔合產(chǎn)生坡口側(cè)壁,坡口未熔合的角度同坡口角度,用二次波容易檢出,水平定位應(yīng)在熔合線附近。當(dāng)聲束垂直入射到其表面時(shí),回波高度大,探頭平移時(shí),波形較穩(wěn)定,或有緩慢起伏,且有一定的長(zhǎng)度。兩側(cè)探測(cè)時(shí),反射波幅不同,有時(shí)只能從一側(cè)探到。探頭作前后移動(dòng)時(shí),當(dāng)聲束的邊緣碰到缺陷后,隨著探頭的向前推進(jìn),回波波高迅速增大,然后又迅速減少。根部未熔合的長(zhǎng)度一般較短,水平定位偏離焊縫中心。

2.2.3 面積型缺陷

裂紋和層間未熔合等缺陷屬于面積型缺陷,它們的反射波形態(tài)相似,具體區(qū)別也是根據(jù)其成因及存在位置來(lái)確定。面積型缺陷共同的反射波形態(tài)為:反射波有長(zhǎng)度和明顯的自身高度,當(dāng)探頭對(duì)準(zhǔn)此類缺陷作前后、左右掃查時(shí),對(duì)表面光滑的面積型缺陷作轉(zhuǎn)動(dòng)和環(huán)繞掃查時(shí),在垂直于缺陷的方向,回波波幅呈現(xiàn)陡降特性。對(duì)表面粗糙的面積型缺陷作轉(zhuǎn)動(dòng)掃查時(shí),作環(huán)繞掃查時(shí)在垂直于缺陷的方向回波波幅呈不規(guī)則變化。面積型缺陷特點(diǎn):

(1)裂紋 長(zhǎng)輸管道焊接裂紋主要是冷裂紋,一般沿焊縫縱向開裂,多出現(xiàn)在焊縫根部,有時(shí)也出現(xiàn)在熱影響區(qū)熔合線部位。如果所用的焊材與所焊的管材不匹配,可焊性差,焊接工藝不良,或者所焊的焊縫為強(qiáng)制組對(duì),產(chǎn)生較大的應(yīng)力,則容易產(chǎn)生裂紋。裂紋的反射波一般波幅較大、尖銳, 波幅寬度大,會(huì)出現(xiàn)多峰。探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)波峰有上下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。

(2)層間未熔合 層間未熔合是焊道層與層之間未結(jié)合現(xiàn)象。延伸方向平行于焊道。超聲波檢測(cè)時(shí),當(dāng)波束前進(jìn)方向與缺陷有較大角度時(shí)方可檢出。其反射波高度較小,探頭平移時(shí)反射波形較穩(wěn)定,可能在各個(gè)深度檢出。根部未熔合,用一次波能夠檢測(cè)到,反射波幅較高,探頭左右移動(dòng),波幅穩(wěn)定,在焊縫兩側(cè)探傷反射波的位置不變。

3 結(jié)語(yǔ)

在長(zhǎng)輸管道的超聲檢測(cè)中,利用上述方法可初步對(duì)檢測(cè)中出現(xiàn)的反射波進(jìn)行判定。但因?yàn)槌Ｓ贸暀z測(cè)儀反射體反射波不直觀,需要檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn),以及長(zhǎng)輸管道焊接中缺陷形態(tài)的復(fù)雜性、超聲波檢測(cè)的方向性等原因,對(duì)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的反射波進(jìn)行最終判斷還需要準(zhǔn)確測(cè)量反射體的水平位置、深度、自身高度和長(zhǎng)度等具體參數(shù),結(jié)合焊接方法、材質(zhì)和焊接工藝等進(jìn)行綜合判斷,對(duì)疑似缺陷不能準(zhǔn)確給出判斷的反射體,還需結(jié)合射線檢測(cè)等其他無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)補(bǔ)充判斷。

[1] SY/ T 4109—2005 石油天然氣鋼質(zhì)管道無(wú)損檢測(cè)[S] .