超聲波檢測對管道焊接缺陷類別的判斷與分析

馬巍，郝欣，李碧燁，胡琳，張欣艷

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學理學院，大慶163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾學大學工程學院）

超聲波檢測對管道焊接缺陷類別的判斷與分析

馬巍1，郝欣2，李碧燁1，胡琳1，張欣艷1

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學理學院，大慶163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾學大學工程學院）

長輸管道焊縫的焊接缺陷是影響管道安全性的主要因素之一，其危害的大小不僅與缺陷的大小和位置有關(guān)，還取決于缺陷的類別。因此，在管道焊縫缺陷檢測中對缺陷類別進行判定，是提升檢測結(jié)果準確率的有效途徑。利用超聲波技術(shù)對試樣管道焊接部位缺陷掃查，根據(jù)靜態(tài)和動態(tài)反射回波圖對比出各類焊接缺陷基本特征圖，對于管道監(jiān)測、有效維護和維修具有重要的意義。

長輸管道；焊接缺陷；類別判斷

能源全球化使得長輸管道輸運距離越來越長，管道鋪設(shè)施工環(huán)境越來越復雜，對管道焊接質(zhì)量要求也越來越高，但由于各種主客觀因素的影響，焊接缺陷始終存在。不同類別的焊接缺陷所表現(xiàn)出來的破壞效果不同，為避免介質(zhì)輸運過程中出現(xiàn)泄漏、燃燒及爆炸等危害國家和企業(yè)利益甚至人員生命的現(xiàn)象出現(xiàn)，提升對管道焊接缺陷的檢測精準度變得尤為重要。

目前，國內(nèi)使用的長輸管道的無損檢測方法主要有四種，分別是超聲波檢測、射線檢測、磁粉檢測和滲透檢測。相較于磁粉檢測和滲透檢測的淺表性，以及射線檢測的不靈活和不經(jīng)濟，超聲波檢測具有方便靈活，不受條件限制，且相對較為準確的優(yōu)勢，因此應(yīng)用最為廣泛［1-4］。但對于管道缺陷檢測的研究主要集中在缺陷存在、定位與大小的計算上，對于缺陷的類別的判定研究甚少［5-6］。

1 焊接缺陷分類

管道焊接缺陷主要表現(xiàn)有裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、氣孔。

裂縫是指焊道在焊接完成后的冷卻過程中產(chǎn)生的應(yīng)力超過母材或焊接金屬本身強度所產(chǎn)生的縫隙。主要存在于彎管和連接組隊焊接中，當根焊道溫度降低過快或焊道擴散氫含量過高也會出現(xiàn)裂縫。

未焊透是焊道在焊接時沒有打開或沒有完全打開熔孔而形成鈍邊殘留。錯邊超標或兩側(cè)鈍邊值不等易產(chǎn)生單側(cè)未焊透，而組對管道間隙過小或鈍邊過厚則易生成根部完全未焊透現(xiàn)象。

未熔合是指焊接電弧未能在母體上燃燒，使得熔化的鐵水堆積在焊道表面而形成，主要有層間未熔合和單側(cè)點狀未熔合兩類，屬于面狀缺陷。

夾渣是指焊接溶渣殘留于焊縫金屬中，主要是在焊接過程中未及時清理干凈上層殘渣所致，多以點狀、條狀形式存在。

氣孔是由于焊接時熔池內(nèi)殘留氣體形成孔穴或凝固時收縮造成孔穴。當氣體水含量大而干燥效果不佳或者氣體不純，以及焊接時保護氣體未完成保護功能時，會產(chǎn)生密集型氣孔或珍珠鏈式氣孔。

錯邊俗稱搭焊，指對接焊接時錯位。

由于超聲波對于缺陷的識別主要靠缺陷空間形狀，因此可根據(jù)各類缺陷的空間分布狀態(tài)判定缺陷的類別。所以在超聲波檢測中又將缺陷分為點狀缺陷、線狀缺陷、體積缺陷及平面缺陷。

2 設(shè)備和方法

2.1 設(shè)備選用

JDUT-2型超聲波、示波器、耦合劑、待測焊接缺陷試塊及鋼管樣品等。

2.2 方法選用：端點反射回波法

超聲波入射到裂紋在其界面產(chǎn)生反射，一部分沿原路反射，稱為端點反射回波。端點反射回波法就是利用入射到裂紋頂端的超聲波所產(chǎn)生的端點反射回波的聲程對裂紋的高度進行測算。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 測試零點選擇

實驗中，調(diào)節(jié)發(fā)射頻率及掃描TIME/DIV，使始波脈沖處于最佳狀態(tài)。

3.2 對樣品掃查及缺陷類型的識別

采用可變角探頭與直探頭相結(jié)合，上層全面掃查，包括前后掃查、左右掃查、轉(zhuǎn)動掃查和環(huán)繞掃查等方式，通過對所得到的各項靜態(tài)及動態(tài)超聲信息進行綜合評定，來別缺陷類型。

3.2.1 點狀缺陷

圖1 回波波形Fig.1Echo waveform

點狀缺陷屬于較小的體積型缺陷，包括氣孔和小夾渣等小型缺陷。由于反射面較小，通常缺陷回波幅度較小，靜態(tài)反射包絡(luò)線如圖1所示，當可變角探頭進行前后、左右移動掃查時，反射回波動態(tài)波形變化不大，進行轉(zhuǎn)動掃查時情況相同。當直探頭以垂直缺陷點為中心做環(huán)繞掃查時，動態(tài)回波波形基本相同。

3.2.2 密集點狀缺陷

圖2 密集型缺陷回波波形Fig.2Intensive defect echo waveform

這類缺陷主要是密集型氣孔，對于密集性缺陷，無法實現(xiàn)單獨定位、定量。當對缺陷進行前后、左右移動掃查時，反射回波的時基線無規(guī)則的出現(xiàn)，對于單個反射主體回波反射曲線如圖1所示。若對缺陷進行轉(zhuǎn)動掃查或旋轉(zhuǎn)掃查，可發(fā)現(xiàn)缺陷回波具有規(guī)則的變化，每一個幅值最高點所顯示的曲線均與圖1相似。

3.2.3 線狀缺陷

圖3 光滑缺陷回波波形Fig.3Smooth defect echo waveform

線狀缺陷包括線狀夾渣、線狀未熔合或線狀未焊透。反射回波會有明顯的長度變化，但斷面尺寸不易測出。對于斷續(xù)的線狀缺陷，在長度上也可能是間斷的。對這類缺陷進行前后移動掃查時，顯示圖1波形的特征；進行左右移動掃查時，動態(tài)波形顯示如圖3；當對缺陷進行轉(zhuǎn)動掃查和旋轉(zhuǎn)掃查時，在垂直于線狀缺陷的方向上回波有突然消失的現(xiàn)象。

3.2.4 體積狀缺陷

圖4 垂直入射不光滑缺陷回波波形Fig.4Not smooth defect echo waveform at normal incidence

圖5 斜入射不光滑缺陷回波波形Fig.5Not smooth defect echo waveform at oblique incidence

體積缺陷包括不規(guī)則物和球狀大夾渣。缺陷特點是有明顯的缺陷長度和尺寸，左右移動掃查時，顯示波形圖1或圖4；探頭前后掃查顯示波形圖4或圖5；進行轉(zhuǎn)動掃查時，當超聲波主體在垂直缺陷正對面中心入射時，動態(tài)波形類似波形圖5，可得到最高回波；進行環(huán)繞掃查時，缺陷回波高度會發(fā)生不規(guī)則的變化。

3.2.5 平面狀缺陷

這種缺陷包括裂紋、面狀未焊透或面狀未熔合。幅高相對較大。探頭進行前后、左右移動掃查時，對于光滑表面，回波動態(tài)波形顯示如圖3，不光滑的表面如圖4和圖5。當轉(zhuǎn)動掃查和環(huán)繞掃查時，在垂直平面兩側(cè)幅高突然消失。

4 結(jié)論

利用超聲波端點反射回波法檢測焊接缺陷試塊，通過分析動態(tài)檢測圖樣變化規(guī)律分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對缺陷類別的判定，缺陷大小及所在部位的定量計算與分析，為管道質(zhì)量檢測、缺陷分析、提升返修有效率及維護管道輸運的安全性提供了重要的依據(jù)。

［1］袁光華，常楠，周路生，等.不銹鋼管道對接焊縫焊接熱裂紋超聲波檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2013，35（12）：1-4.

［2］遲大釗，剛鐵，趙立彬.線聚焦超聲波法焊接缺陷識別［J］.焊接學報，2015，36（5）：29-32.

［3］王文明，王曉華，張仕民，等.長輸管道超聲波內(nèi)檢測技術(shù)現(xiàn)狀［J］.油氣儲運，2014，33（1）：5-9.

［4］陳建平，馮柏軍，楊鎖軍，等.長輸管道焊接施工常見的焊接缺陷及防治要點［J］.焊工之友，2013，42（10）：73-74.

［5］石端虎，朱紅玉，劉憶，等.對接接頭中焊接缺陷的超聲波檢測及信號特征［J］.熱加工工藝，2014，43（13）：189-192.

［6］戴波，趙晶，周炎.超聲波管道內(nèi)檢測腐蝕缺陷分類識別研究［J］.機床與液壓，2008（7）：94-98.

Judgment and Analysis of Pipe Welding Defect Class by Ultrasonic Inspection

Ma Wei1，Hao Xin2，Li Biye1，Hu Lin1，Zhang Xinyan1
（1.College of Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University）

Long-distance pipeline welding seam defects was the main factors to affect the pipeline safety.The harm degree was not only related to the defect size and location，but also depended on the category of the defect.Therefore，determining the defect category in the pipeline weld inspection was an effective way to enhance the accuracy of the test results.Comparing the figures of static and dynamic echo after scanning welding parts defect in pipe sample using ultrasonic technology，the various basic feature figures of weld defects were obtained，which was very important for pipeline detection and effective maintenance and repair.

pipeline；weld defects；analyzing category

O426

A

1002-2090（2016）04-0140-03

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.031

2015-09-10

黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（201410223028）。

馬巍（1994-），女，黑龍江八一農(nóng)墾大學理學院信息與計算機專業(yè)2013級本科生。

張欣艷，女，副教授，E-mail：75990778@qq.com。