直縫埋弧焊管焊趾處超聲波反射探傷缺陷的真?zhèn)闻卸?/h1>

2016-12-15 05:06:26呂育棟鄧莘楠滕先進(jìn)

焊管訂閱 2016年11期 收藏

關(guān)鍵詞：直縫弧焊母材

呂育棟，陳 順，鄧莘楠，吳 娟，楊 光，滕先進(jìn)

（渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

直縫埋弧焊管焊趾處超聲波反射探傷缺陷的真?zhèn)闻卸?/p>

呂育棟，陳 順，鄧莘楠，吳 娟，楊 光，滕先進(jìn)

（渤海裝備巨龍鋼管公司，河北 青縣062658）

采用KD ECHO-1155型多通道自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)對(duì)直縫埋弧焊管焊縫縱向進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)鋼管焊縫焊趾處出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)象。為了正確判定焊縫熱影響區(qū)缺陷（不連續(xù)）的真?zhèn)涡裕瑱z驗(yàn)人員對(duì)這些異常反射的信號(hào)（報(bào)警處）進(jìn)行手動(dòng)超聲波探傷復(fù)查及分析，發(fā)現(xiàn)在熱影響區(qū)除了因裂紋、未熔合、咬邊等缺陷引起的反射回波外，還有焊縫邊角、凹坑、焊縫幾何形狀等引起的偽缺陷反射回波。進(jìn)而對(duì)這些反射回波進(jìn)行了分析研究，并提出了缺陷真?zhèn)蔚呐袆e方法。結(jié)果表明：針對(duì)直縫埋弧焊鋼管焊趾處的反射回波，有必要根據(jù)其回波特點(diǎn)結(jié)合多種檢測(cè)方式綜合判斷缺陷的真?zhèn)巍?/p>

焊管；檢測(cè)；雙面直縫埋弧焊縫；超聲波探傷；熱影響區(qū)；夾雜物；裂紋

超聲波檢測(cè)具有靈敏度高、檢測(cè)速度快、成本低和對(duì)人體無害等優(yōu)點(diǎn)，在油氣長(zhǎng)輸管線鋼管的生產(chǎn)、檢測(cè)過程中得到了廣泛應(yīng)用。在直縫埋弧焊鋼管生產(chǎn)檢驗(yàn)過程中，要求檢驗(yàn)設(shè)備應(yīng)能檢查到焊縫金屬以及焊縫兩側(cè)各1.6 mm寬度的母材。這也就包括了焊接熱影響區(qū)，它是一個(gè)小范圍的區(qū)域，對(duì)于直縫埋弧焊，粗晶區(qū)寬度為0.8～1.2 mm。焊接熱影響區(qū)處于焊縫和母材的過渡區(qū)帶，它不僅具有明顯的理化性能不均勻性，而且還經(jīng)常在焊趾處出現(xiàn)咬邊和裂紋等幾何不均勻性所造成的應(yīng)力集中。為保證鋼管焊縫內(nèi)在質(zhì)量，必須對(duì)內(nèi)外焊縫熱影響區(qū)焊趾處的缺陷或偽缺陷進(jìn)行認(rèn)真的研判，并有效地控制熱影響區(qū)中裂紋等危害性缺陷的檢出準(zhǔn)確性。

1 超聲波檢測(cè)設(shè)備

某直縫埋弧焊管生產(chǎn)線采用KD ECHO-1155型射流（水柱式）多通道自動(dòng)超聲波探傷系統(tǒng)對(duì)直縫埋弧焊管進(jìn)行在線探傷。射流（水柱式）超聲波探傷是在探頭和鋼管之間通過射流進(jìn)行耦合，使探頭發(fā)出的縱波聲束通過水/鋼界面入射到鋼管中，通過波形轉(zhuǎn)換對(duì)鋼管焊縫進(jìn)行純橫波探傷。要實(shí)現(xiàn)焊縫中純橫波探傷，探頭入射角必須介于第Ⅰ臨界角和第Ⅱ臨界角之間，可由折射定律得出。通過計(jì)算可得縱波從水入射到鋼中的第Ⅰ臨界角和第Ⅱ臨界角分別為14.5°和27.3°，探頭位置布置如圖1所示，探頭實(shí)物如圖2所示。

圖1 縱向缺陷檢測(cè)探頭布置及反射示意圖

圖2 縱向探頭實(shí)物照片

2 超聲波檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的問題

2.1 焊縫焊趾熱影響區(qū)處擴(kuò)徑裂紋

API SPEC 5L（45版）/ISO3183標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，超聲設(shè)備應(yīng)能檢驗(yàn)到焊縫全壁厚及焊縫兩側(cè)相鄰1.6 mm（1/16 in）寬度的母材，也就是說超聲波對(duì)焊縫兩側(cè)1.6 mm范圍的熱影響區(qū)100%掃查覆蓋。在對(duì)某項(xiàng)目X80級(jí)Φ1 016 mm×22 mm直縫埋弧焊管縱向焊縫進(jìn)行掃查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有些鋼管出現(xiàn)報(bào)警，實(shí)時(shí)檢測(cè)波形如圖3所示。

圖3 自動(dòng)探傷實(shí)時(shí)波形圖

探傷檢驗(yàn)人員對(duì)自動(dòng)探報(bào)警處異常反射信號(hào)的部位進(jìn)行復(fù)查，采用MUT-500B便攜式數(shù)字超聲波探傷儀，配2.5P8×12K2探頭，探頭前沿10 mm。檢測(cè)靈敏度為Φ1.6 mm豎通孔的100%反射波高。反射回波較驗(yàn)收靈敏度高6～10 dB，深度2～4 mm，為焊縫焊趾熱影響區(qū)位置，兩側(cè)都可以探到，明顯為裂紋反射波形。該缺陷在擴(kuò)徑后超聲波自動(dòng)探傷過程中均引起報(bào)警，報(bào)警處實(shí)時(shí)波形與超聲波對(duì)比樣管上的N5人工刻槽反射波比較，明顯高且寬大，有一定縱向長(zhǎng)度。

對(duì)該裂紋缺陷進(jìn)行金相、掃描電鏡及能譜分析表明，縱向裂紋均位于內(nèi)焊熱影響區(qū)（接近鋼板上表面）。裂紋從內(nèi)焊趾熔合線母材一側(cè)起裂，沿45°方向向母材擴(kuò)展，是比較典型的應(yīng)力集中導(dǎo)致的擴(kuò)徑裂紋。圖4為焊縫宏觀形貌，從圖4可以看出，明顯為焊縫外噘，且有一定的錯(cuò)邊，焊趾處本身為應(yīng)力較集中區(qū)域，加上擴(kuò)徑變形施加給內(nèi)焊縫的應(yīng)力，導(dǎo)致焊趾處應(yīng)力過于集中，在焊趾處開裂。經(jīng)追溯，鋼管焊接前成型管坯形貌較差，成型后鋼板板邊存在波浪彎，管坯經(jīng)預(yù)焊后掐腰部位最深噘嘴-1 mm左右，鼓包部位最大噘嘴+2 mm左右（外噘長(zhǎng)度約2 m）。鋼管出現(xiàn)裂紋位置和成型管坯鼓包位置基本一致，經(jīng)測(cè)量裂紋處鋼管外噘1.5 mm以上。綜上所述，焊接前成型管坯管型較差，是造成擴(kuò)徑裂紋的主要原因。由于X80鋼管壁厚較大，要想保證熔深和焊縫外觀，在焊接時(shí)必須采用較大的焊接規(guī)范；而過大的焊接規(guī)范往往使焊接時(shí)溫度、能量增加，促使焊區(qū)金屬增大，勢(shì)必導(dǎo)致韌性的進(jìn)一步下降。焊接線能量越大，晶粒組織越來越粗大，焊縫金屬?zèng)_擊功數(shù)值越低，韌性就越差，在擴(kuò)徑大的拉應(yīng)力下就越容易開裂。同時(shí)鋼板板邊上表面缺陷也是導(dǎo)致此類探傷缺陷的主要原因。對(duì)制管工藝進(jìn)行了一系列調(diào)整：為了最大限度改善擴(kuò)徑時(shí)內(nèi)焊焊趾處的應(yīng)力狀況，調(diào)整成型工藝，嚴(yán)格控制正噘嘴超標(biāo)，實(shí)際生產(chǎn)的絕大部分鋼管噘嘴控制良好，出現(xiàn)了大量的負(fù)噘嘴鋼管。為了最大限度降低焊接熱影響，采用較小的焊接線能量。

圖4 焊縫宏觀形貌 100×

2.2 焊縫熱影響區(qū)母材夾雜物反射波

一般在對(duì)焊縫縱向進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用斜探頭在焊縫單面雙側(cè)母材表面上使用奇、偶次波聲程掃查整個(gè)焊縫截面，以便于檢出焊縫中各個(gè)方向的缺陷。焊縫熱影響區(qū)母材夾雜物反射特點(diǎn)為：有強(qiáng)烈反射回波，反射回波信號(hào)超過基準(zhǔn)波幅。圖5為超聲波手動(dòng)探傷波形，探傷發(fā)現(xiàn)一次波遠(yuǎn)端側(cè)水平29.3 mm，深度17.2 mm；近端側(cè)水平24.4 mm，深度約在14.7 mm。水平距離上焊縫邊緣2 mm，內(nèi)焊縫焊趾處垂直投影距離有明顯反射波出現(xiàn)，當(dāng)探測(cè)方向與缺陷方向垂直時(shí)，反射波幅高，反射波形特點(diǎn)為根部較寬，波峰毛粗，波峰邊有小峰，根部有多列成簇狀小波，探頭移動(dòng)，反射波幅有變化。波形在遠(yuǎn)端側(cè)達(dá)到1.6 mm—80%+2～+6dB，近端側(cè)波幅較低，約40%～60%，但顯示波形獨(dú)立，深度接近底面位置。

圖5 超聲波手動(dòng)探傷波形

對(duì)疑似缺陷部位截取試樣進(jìn)行金相顯微、掃描電鏡等試驗(yàn)分析，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 缺陷部位金相組織

圖7為缺陷部位的能譜分析結(jié)果。結(jié)合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和金相顯微分析可以定量評(píng)定夾雜物的級(jí)別，鋼管內(nèi)焊縫熱影響區(qū)“閃電”型夾雜物缺陷，熔合線處母材中有Al、O、Ca組成的夾雜物，接近鋼管內(nèi)表面，位于距熔合線約1mm位置。

結(jié)合鋼管的生產(chǎn)過程可以初步判斷為，這些缺陷不是焊接過程中產(chǎn)生的缺陷，而是鋼板在軋制過程中的非金屬夾雜物。這些非金屬夾雜物在鋼管成型或變形，受應(yīng)力作用后擴(kuò)展為微裂紋，這就容易解釋研究開始的現(xiàn)象，鋼管焊縫區(qū)域進(jìn)行超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷當(dāng)量范圍為準(zhǔn)1.6 mm—80%+2～+8dB，這些缺陷是由于鋼板中原有的非金屬夾雜物所產(chǎn)生的。在缺陷未擴(kuò)展成微裂紋時(shí)，如果用自動(dòng)超聲波檢測(cè)焊縫，一般就不會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)的缺陷波，因?yàn)殇摪逯性械姆墙饘賷A雜物的反射聲壓較弱，一般不會(huì)產(chǎn)生較高反射波。而當(dāng)缺陷尖端擴(kuò)展成微裂紋時(shí)，微裂紋處就會(huì)發(fā)生超聲波的全反射，此時(shí)超聲波的反射聲壓較強(qiáng)，產(chǎn)生的反射波較高，就會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)的反射波。

圖7 缺陷部位能譜分析結(jié)果

管線鋼中的夾雜物對(duì)鋼管的韌性、焊接質(zhì)量和抗腐蝕性能有很大的影響。非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼中，尤其是存在于焊縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)，破壞了鋼基體的連續(xù)性，加大了鋼中組織的不均勻性，嚴(yán)重影響了鋼的各種性能。例如，非金屬夾雜物導(dǎo)致應(yīng)力集中，引起疲勞斷裂；數(shù)量多且分布不均勻的夾雜物會(huì)明顯降低鋼的塑性、韌性、焊接性以及耐腐蝕性。因此，綜合來判定鋼的質(zhì)量，進(jìn)而找出規(guī)律，改進(jìn)工藝，盡可能減少有害夾雜物的含量，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

對(duì)于鋼板上產(chǎn)生的缺欠，首先要從源頭上消除，即從鋼板或板卷的軋制過程中消除。由于生產(chǎn)工藝所限，軋制鋼板的邊緣質(zhì)量相對(duì)較差，因此，在不斷提高管線鋼純凈度的情況下，還應(yīng)提高管線鋼的軋制質(zhì)量。另外，在制造鋼管的過程中，應(yīng)適當(dāng)加大鋼板的銑邊量。目前用鋼板制造SAWL管，采用雙銑邊工藝，銑邊量為7～8 mm。其目的就是盡可能減少由于鋼板中的缺欠而產(chǎn)生的焊接缺陷，由于鋼板中的有些缺欠（如非金屬夾雜物等）按照鋼板標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范可以驗(yàn)收，經(jīng)過加工（如鋼板銑邊）后正好處于焊縫坡口附近，再經(jīng)過預(yù)彎、成型、焊接后恰好又處于焊縫及熱影響區(qū)區(qū)域，而API SPEC 5L（45版）標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定超聲波探傷時(shí)焊縫及熱影響區(qū)檢測(cè)區(qū)的寬度為1.6 mm，按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定直縫埋弧焊縫熱影響區(qū)的影響探傷檢測(cè)區(qū)域?yàn)?.05 mm[8]。只要在焊縫區(qū)域的缺陷，不論是焊接產(chǎn)生的缺陷還是母材帶來的缺陷，若符合標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范應(yīng)驗(yàn)收，若不符合標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范應(yīng)拒收。焊縫及其熱影響區(qū)缺陷的判別處理可先采用超聲波探傷測(cè)定該疑似缺陷準(zhǔn)確位置，再根據(jù)疑似缺陷的位置（焊縫、熱影響區(qū)或母材）分別按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)確定其是否合格。

2.3 焊道側(cè)邊緣銹蝕/氧化皮翹起引起的腐蝕坑洞

在直縫埋弧焊鋼管焊接過程中，鋼板的銹蝕、氧化皮雜物等一直是影響焊接質(zhì)量的重要因素，必須在焊前進(jìn)行徹底清理。如果焊縫邊緣氧化皮夾雜物未清理干凈，雜質(zhì)脫落后易形成宏觀上的分離。生產(chǎn)期間，在檢查中就發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外焊縫兩側(cè)存在疑似焊趾裂紋缺陷，疑似缺陷形貌如圖8所示。

圖8 疑似焊趾裂紋缺陷高倍形貌 50×

從圖8可以看出，該試樣熱影響區(qū)組織正常，無異常長(zhǎng)大，根據(jù)開裂處的走向判斷，該缺陷與熱影響區(qū)脆化無關(guān)。經(jīng)確認(rèn)，此缺陷的產(chǎn)生機(jī)理是：母材表面存在銹蝕，部分已經(jīng)在母材表面形成凹坑，而焊縫熔敷金屬較多，且流動(dòng)過程中覆蓋在局部銹蝕表面，此時(shí)焊縫邊緣和母材之間隔著一層氧化皮，受力或摩擦使氧化皮脫落，形成類似裂紋的宏觀分離現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與焊縫成形較差、焊縫邊緣與母材過渡不平滑有很大關(guān)系，而且缺陷試樣的焊縫余高較高，焊縫邊緣存在熔敷金屬導(dǎo)致的偏流和熔合不良。銹蝕物（表面氧化皮）在焊縫邊緣壓在焊縫金屬下形成夾雜物，在外力作用下脫落形成類似裂紋的宏觀分離。

2.4 焊角回波（形狀回波）

在直縫埋弧焊縫超聲波檢測(cè)時(shí)，由于焊縫余高的存在，超聲波掃查到焊角時(shí)產(chǎn)生的回波稱為焊角回波，如圖9所示，在內(nèi)外焊縫的4個(gè)焊角上都有可能產(chǎn)生焊角回波。尤其當(dāng)內(nèi)外焊縫焊道產(chǎn)生嚴(yán)重焊偏時(shí)，焊角回波易誤判為焊縫內(nèi)部缺陷。

圖9 焊角回波

焊角回波的特點(diǎn)是探頭在A處會(huì)產(chǎn)生焊角回波，在B處則無焊角回波，焊角回波高度與焊縫余高有關(guān)。余高越高焊角回波高度越高，余高越低焊角回波越低，當(dāng)余高低到一定程度時(shí)無焊角回波，當(dāng)探頭沿焊縫平行移動(dòng)時(shí)，焊角回波的高度位置幾乎不變。當(dāng)探頭垂直于焊縫前后移動(dòng)時(shí)，焊角回波的位置會(huì)相應(yīng)地移動(dòng)一段距離，影響判別。判別方法是：①精確計(jì)算聲程距離，根據(jù)顯示屏顯示的數(shù)據(jù)，確定缺陷的深度和水平位置來判別是否為缺陷波；②用手沾耦合劑輕輕拍打焊角處，如反射波信號(hào)出現(xiàn)上下跳動(dòng)，則說明該反射波是因?yàn)楹缚p余高而造成的邊角反射，并非缺陷波。由于鋼管的曲率半徑對(duì)缺陷定位判別有一定影響，當(dāng)對(duì)鋼管縱向焊縫進(jìn)行探傷時(shí)，應(yīng)進(jìn)行曲率修正，從而提高缺陷定位判別的準(zhǔn)確。

3 結(jié) 論

（1）擴(kuò)徑裂紋的產(chǎn)生主要從成型管形質(zhì)量上進(jìn)行控制，最大限度消減一切可能導(dǎo)致裂紋的制管工藝因素：改善擴(kuò)徑時(shí)內(nèi)焊焊趾處的應(yīng)力狀況，調(diào)整成型工藝，嚴(yán)格控制正噘嘴。降低焊接熱影響，采用了所能夠采用的最小的焊接線能量。

（2）鋼板中母材夾雜物從源頭進(jìn)行控制，提高鋼的純凈度，按照實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定直縫埋弧焊縫熱影響區(qū)的影響探傷檢測(cè)區(qū)域?yàn)?.05 mm。焊縫及其熱影響區(qū)缺陷的判別處理可先采用超聲波探傷測(cè)定該疑似缺陷準(zhǔn)確位置，再根據(jù)疑似缺陷位于焊縫熱影響區(qū)或母材上分別按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)以確定其是否合格。

（3）焊縫邊緣銹蝕/氧化皮翹起易引起探傷中疑似缺陷顯示，通過對(duì)鋼板兩側(cè)銹蝕打磨清理和焊接規(guī)范的合理調(diào)整，對(duì)焊縫形貌加以控制，保證良好的焊縫成形，可有效控制該類缺陷的產(chǎn)生。

（4）對(duì)焊趾或變形波引起的反射信號(hào)判斷，可根據(jù)最高焊角回波的位置計(jì)算出水平距離和垂直距離，進(jìn)行精確定位，看計(jì)算出的焊角位置與工件上的實(shí)際位置是否相同。如可能的話，采用砂輪機(jī)對(duì)反射信號(hào)區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)打磨，打磨后再進(jìn)行超聲波復(fù)驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)反射信號(hào)消失，則可判斷為焊趾反射或焊縫幾何形狀引起的變形波。

[1]API SPEC 5L(45版)，管線鋼管規(guī)范[S].

[2]鄭輝，林樹青.超聲檢測(cè)[M].第2版.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

[3]翁宇慶.軋鋼新技術(shù)3000問：管材分冊(cè)[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[4]高惠臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京：中國(guó)石化出版社，2012.

[5]美國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì).美國(guó)無損檢測(cè)手冊(cè)超聲波卷（上）[M].北京：世界圖書出版公司,1996.

[6]黃磊，李超，李云龍，等.雙面埋弧焊鋼管焊縫區(qū)域缺陷解剖分析[J].焊管，2013，36（7）：29-33.

[7]張文鉞.金屬熔焊原理及工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1981.

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[10]董紹華.呂英民.螺旋焊管與直縫焊管裂紋斷裂分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，1999，18（12）：24-27.

Authenticity Judgment of Ultrasonic Reflection Defect in SAWL Pipe Weld Toe

LYU Yudong,CHEN Shun,DENG Shennan,WU Juan,YANG Guang,TENG Xianjing
（Bohai Equipment Julong Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062658,Hebei,China）

Using KD ECHO-1155 multi-channel automatic ultrasonic testing system to conduct longitudinal detection in SAWL pipe weld toe,it found that alarm phenomenon appeared in steel pipe weld toe.In order to correctly judge the authenticity of weld defects（discrete） in heat affected zone,the inspection personnel carried out the manual ultrasonic testing and analysis for these abnormal reflected signal（alarm position）,found in the heat affected zone existed except for the reflection echo caused by cracks,incomplete fusion,undercut and so on,and the pseudo defects caused by the echo of weld edge,pits,weld geometry.And then analyzed the reflection echo,and put forward the method for identifying defects authenticity.The results indicated that according to reflection echo in SAWL pipe weld toe,it is necessary according to the characteristics in combination with a variety of detection methods to comprehensively judge the defect authenticity.

welded pipe;testing;double-side SAWL welding weld;ultrasonic testing;heat affected zone;inclusion;crack

TG115.28

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.010

呂育棟（1974—），男，工程師，主要從事直縫埋弧焊鋼管的無損檢測(cè)技術(shù)管理工作，持有中國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)UT、RT、MT高級(jí)證書。

2016-06-27

黃蔚莉

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