焊管的偏析與超聲檢測(cè)研究

甘正紅，邢艷亮，周 帥，蘇繼權(quán)

（1.江蘇德創(chuàng)制管有限公司，江蘇 興化 225700；2.唐山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 唐山063000；3.湖南勝利湘鋼鋼管有限公司，湖南 湘潭411101）

焊管的偏析與超聲檢測(cè)研究

甘正紅1，邢艷亮2，周 帥3，蘇繼權(quán)1

（1.江蘇德創(chuàng)制管有限公司，江蘇 興化 225700；2.唐山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 唐山063000；3.湖南勝利湘鋼鋼管有限公司，湖南 湘潭411101）

針對(duì)焊管焊縫超聲檢測(cè)過(guò)程中，在熱影響區(qū)的中心部位沿焊縫的長(zhǎng)度方向出現(xiàn)的異?；夭ㄐ盘?hào)，且補(bǔ)焊返修后重新檢測(cè)時(shí)回波仍然存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)該信號(hào)部位取樣進(jìn)行理化試驗(yàn)，找到了產(chǎn)生異?；夭ㄐ盘?hào)的原因。結(jié)果表明，焊縫熔合線及熱影響區(qū)母材存在的偏析是產(chǎn)生異常回波出現(xiàn)的原因。分析了焊管偏析的種類和形成原因，對(duì)偏析回波信號(hào)的超聲檢測(cè)識(shí)別進(jìn)行了分析研究，說(shuō)明超聲檢測(cè)結(jié)合理化試驗(yàn)可以判斷焊管嚴(yán)重偏析的存在。

焊管；焊縫；偏析；超聲檢測(cè)

焊管因其自身優(yōu)越的性能，應(yīng)用范圍幾乎涉及所有結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，包括高層建筑、橋梁、體育場(chǎng)館、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)、特高壓輸變電鋼管塔等。該類焊管所用管材主要為Q345B、DH36、S355及具有Z向性能的結(jié)構(gòu)鋼板，其厚度一般為20～50 mm[1-2]，更厚的也有達(dá)到80 mm的。這類焊管焊縫都需要進(jìn)行超聲波檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)一般執(zhí)行 GB/T 11345—2013和 AWS D1.1/D1.1M等標(biāo)準(zhǔn)。

1 超聲檢測(cè)回波信號(hào)的分析

由于某些冶金不連續(xù)會(huì)產(chǎn)生非相關(guān)信號(hào)，所以不是所有超聲反射信號(hào)都表示缺陷，這些反射信號(hào)包括熱影響區(qū)中的平面偏析，這種偏析在制造后會(huì)反映出來(lái)[3]。按照GB/T 11345—2013標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材質(zhì)Q345B、厚度32 mm的建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼管的焊縫進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)定等級(jí)為B級(jí)，靈敏度設(shè)定采用3 mm的橫孔技術(shù)，評(píng)定顯示依據(jù)GB/T 29712—2013標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)部分焊縫在板厚一半深度左右，沿焊縫長(zhǎng)度方向，有連續(xù)或斷續(xù)的反射回波出現(xiàn)，顯示長(zhǎng)度判為不合格。因?yàn)榉瓷洳ㄎ恢闷蚝缚p坡口邊沿母材側(cè)，通過(guò)波形辨別，初步判斷為坡口邊緣的未熔合類缺陷回波，回波在焊縫中的位置模擬及回波信號(hào)指示如圖1所示。遂后對(duì)該焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊返修，返修后再按照原標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域重新進(jìn)行復(fù)檢，仍然存在反射回波?？紤]到焊接工藝比較成熟，在焊縫中產(chǎn)生如此連續(xù)間斷性未熔合缺陷的可能性不大，于是選取一處重新進(jìn)行氣刨，在碳弧氣刨過(guò)程中，仔細(xì)觀察，肉眼未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，二次補(bǔ)焊后超聲復(fù)檢，其反射波仍然存在。排除了焊接工藝和返修產(chǎn)生新缺陷的可能，為了找到回波產(chǎn)生的原因，在其反射波的位置上，切取試樣進(jìn)行分析，磨制金相觀察面后經(jīng)拋光鹽酸煮沸后低倍觀察，未發(fā)現(xiàn)裂紋和坡口未熔合等缺陷，但在超聲檢測(cè)一側(cè)母材厚度中心區(qū)域時(shí)很直觀的呈現(xiàn)了中心偏析的形態(tài)和分布，板厚中心呈現(xiàn)一定寬度的黑點(diǎn)和黑帶區(qū)域，靠近熔合線處，經(jīng)測(cè)定，該區(qū)域超聲衰減系數(shù)大于其它部位，說(shuō)明該區(qū)域晶粒結(jié)構(gòu)粗大，對(duì)超聲波傳播產(chǎn)生了較大的影響。同時(shí)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行光譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的S和P等的含量比其它區(qū)域高，并且非金屬夾雜物也多，進(jìn)行硫印試驗(yàn)，在板厚中心呈現(xiàn)聚集的棕色小點(diǎn)，定性表明連鑄鋼板中心存在硫化物的偏聚，存在富硫帶，但焊縫中間部位沒(méi)有宏觀硫化物分布[4]，該區(qū)域的宏觀低倍照片及硫印試驗(yàn)照片如圖2所示。由于板厚中心碳化物、硫化物和夾雜物的偏聚，且分布極不均勻，在熱酸侵蝕下被腐蝕、熔解或脫落，就直接呈現(xiàn)了圖2（a）的低倍形貌，從硫印和低倍形貌的這些特點(diǎn)，定性地反映了連鑄鋼板板厚截面存在成分和組織的偏析，尤其在板厚中心的偏析是最為嚴(yán)重的。

圖1 回波在焊縫中的位置模擬及回波信號(hào)指示

圖2 偏析的宏觀低倍照片及硫印試驗(yàn)照片

2 偏析的產(chǎn)生及其影響

2.1 焊管母材的偏析

由于鋼鑄坯凝固過(guò)程中選分結(jié)晶的作用，樹(shù)枝晶的液體中會(huì)富集溶質(zhì)元素，凝固時(shí)富集了溶質(zhì)液體的流動(dòng)導(dǎo)致了區(qū)域溶質(zhì)元素分布的不均勻性，把這種化學(xué)成分的不均勻性叫做宏觀偏析或低倍偏析，主要表現(xiàn)為中心分布的不均勻性，即中心偏析，板坯橫斷面中C、S和P的含量在中心有明顯的升高，呈正偏析。中心偏析有兩種形成機(jī)構(gòu)，即鼓肚偏析和凝固偏析[5]。鋼板軋制焊接后超聲檢測(cè)分別表現(xiàn)為長(zhǎng)條缺陷和點(diǎn)密缺陷。

2.2 焊縫的偏析

焊接熔池的結(jié)晶過(guò)程也是一種不平衡的結(jié)晶過(guò)程，在焊接熔池一次結(jié)晶過(guò)程中，由于冷卻速度快，已凝固的焊縫金屬中化學(xué)成分來(lái)不及擴(kuò)散，造成合金元素的分布不均勻，產(chǎn)生焊縫偏析現(xiàn)象。

焊縫偏析又可分為顯微偏析、區(qū)域偏析和層狀偏析3種。

顯微偏析是指熔池一次結(jié)晶時(shí)，最先結(jié)晶的結(jié)晶中心金屬最純，后結(jié)晶部分含其他合金元素和雜質(zhì)略高，最后結(jié)晶的部分，即結(jié)晶的外端和前緣所含其他合金元素和雜質(zhì)最高，在一個(gè)柱狀晶粒內(nèi)部和晶粒之間的化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象。

區(qū)域偏析是指熔池一次結(jié)晶時(shí)，由于柱狀晶的不斷長(zhǎng)大和推移，會(huì)把雜質(zhì) “趕”向熔池中心，使熔池中心的雜質(zhì)含量比其他部位多的這種現(xiàn)象。焊縫的斷面形狀對(duì)區(qū)域偏析的分布影響最大，如厚壁焊管和其他結(jié)構(gòu)件，采用窄間隙焊接，這樣窄而深的焊縫，各柱狀晶的交界在其焊縫的中心，焊縫中心就會(huì)聚集較多的雜質(zhì)。

層狀偏析是指熔池在一次結(jié)晶的過(guò)程中，要不斷的放出結(jié)晶潛熱，當(dāng)結(jié)晶潛熱達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，熔池的結(jié)晶就會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的停頓現(xiàn)象，以后隨著熔池的散熱，結(jié)晶又重新開(kāi)始，形成周期性的結(jié)晶，伴隨著出現(xiàn)結(jié)晶前沿液體金屬中雜質(zhì)濃度的周期波動(dòng)，產(chǎn)生周期性的偏析的現(xiàn)象。

在焊縫的邊界處熔合區(qū)，會(huì)出現(xiàn)更為明顯的成分不均勻，即焊縫的偏析，以熔合區(qū)最為嚴(yán)重。熔合區(qū)處于焊縫和母材的交界之處，在熔合區(qū)，固液界面附近的溶質(zhì)濃度的分布與該元素在固液相中的擴(kuò)散系數(shù)和分布系數(shù)有關(guān)。在焊接條件下，熔合區(qū)中元素的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移是非常激烈的，特別是S、P、C、B、O和 N等。采用放射性同位素（S35）研究熔合區(qū)硫的分布如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，硫在熔合區(qū)的分布是呈跳躍式的[6]。由于熔合區(qū)存在嚴(yán)重的化學(xué)成分不均勻性，與此同時(shí)，還存在著物理的不均勻性，因此，其組織和性能也是不均勻的[7]。

圖3 采用放射性同位素（S35）研究的熔合區(qū)S的分布圖

熔合區(qū)是母材與熔池的界面，熔點(diǎn) （Tm）溫度下由于S和P等雜質(zhì)在固相中的平衡含量遠(yuǎn)低于液相，造成近界面部位母材中的 S和P向焊縫中轉(zhuǎn)移，在界面前沿的液相中形成雜質(zhì)元素富集層，隨后快速凝固在熔合區(qū)，導(dǎo)致熔合區(qū)的偏析。

熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻程度還與焊接規(guī)范有關(guān)，大的焊接線能量會(huì)使不均勻程度加劇，因此，對(duì)于偏析嚴(yán)重的母材，焊接時(shí)采用比較小的焊接線能量能減少熔合區(qū)的偏析。

2.3 偏析的影響

（1）某種元素偏析嚴(yán)重時(shí)容易產(chǎn)生粗細(xì)晶粒極不均勻的條帶組織，當(dāng)超聲聲束橫向穿過(guò)時(shí)，這種層狀組織必然會(huì)對(duì)超聲波的轉(zhuǎn)播特性產(chǎn)生很大的影響[8]。

（2）偏析嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起鋼板橫向塑性和韌性的明顯下降，導(dǎo)致彎曲試驗(yàn)在熔合區(qū)出現(xiàn)裂紋，這是由于熔合區(qū)存在嚴(yán)重偏析，其組織均勻性較差，因而熔合區(qū)成為整個(gè)焊接接頭的薄弱部位。彎曲時(shí)，拉伸面上有裂紋出現(xiàn)，所以這些嚴(yán)重偏析可能是導(dǎo)致彎曲斷裂的主要原因[9]。

（3）嚴(yán)重偏析還導(dǎo)致耐酸氣管線鋼管氫致裂紋的出現(xiàn)。

3 偏析回波的識(shí)別

母材被反復(fù)加熱 （焊接或氣刨）、冷卻后由于熱脹冷縮作用，母材中心偏析和夾雜物與母材金屬逐漸脫離，并在熔合線處構(gòu)成了反射條件，從而使反射回波被探頭接收產(chǎn)生信號(hào)指示。鋼材中心偏析和夾雜來(lái)源于鋼的冶煉和澆注過(guò)程。鋼板軋制完成后，存在于中心的夾雜和成分偏析用超聲斜射橫波難以發(fā)現(xiàn)，焊接后，在板厚方向上形成一定的拉伸應(yīng)力，由于母材夾雜和基體結(jié)合力小，在焊接應(yīng)力作用下發(fā)生脫離，當(dāng)進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，就出現(xiàn)可以探測(cè)到的回波信號(hào)。較嚴(yán)重的組織偏析在某種受力情況下易引起層狀撕裂缺陷或具有分層傾向[10]。

焊縫的熱影響區(qū)及周邊母材存在偏析，嚴(yán)重干擾焊縫的超聲檢測(cè)和缺陷回波的判斷，甚至?xí)a(chǎn)生誤判。成分均勻性差，晶粒間和晶界兩側(cè)聲速和聲阻抗差異程度較大，對(duì)超聲波傳播的影響很大，所以超聲橫波檢測(cè)時(shí)，在偏析區(qū)域會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)。根據(jù)超聲檢測(cè)出現(xiàn)的回波情況，識(shí)別金屬元素偏析的超聲回波信號(hào)，首先根據(jù)靜態(tài)波型特征方面看，偏析的回波信號(hào)波幅低而穩(wěn)定，波峰尖銳、陡峭，波幅根部狹窄；其次從動(dòng)態(tài)波形特征方面分析，探頭移動(dòng)到回波信號(hào)位置，反射波幅不高，缺陷深度出現(xiàn)在板材厚度的中間，偏向焊縫邊沿，當(dāng)探頭垂直于焊縫前后移動(dòng)時(shí)，反射波很快消失，相似于板材夾層對(duì)焊縫邊沿的影響，探頭平行于焊縫移動(dòng)時(shí)，反射波穩(wěn)定，可以移動(dòng)一定距離，后慢慢消失。此類波形很容易誤判為坡口面的未熔合及裂紋缺陷波[4]。

識(shí)別偏析回波信號(hào)的步驟為：按采用的相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)工藝，查閱焊接坡口加工圖，繪制反射回波的輪廓圖，解釋反射回波所在焊縫區(qū)域位置；綜合運(yùn)用其他無(wú)損檢測(cè)方法和破壞性檢測(cè)技術(shù)來(lái)判定回波信號(hào)（如文獻(xiàn)[10]采用TOFD技術(shù)加磁粉檢測(cè)、上文中采用理化性能試驗(yàn)等）。

4 結(jié) 論

（1）常規(guī)超聲斜射橫波結(jié)合理化試驗(yàn)可以檢測(cè)出焊管較嚴(yán)重的中心偏析。

（2）焊管焊縫超聲檢測(cè)熱影響區(qū)產(chǎn)生的回波信號(hào)可能由母材存在偏析以及焊縫熔合區(qū)的偏析引起，非焊接缺陷回波信號(hào)，與焊縫焊接本身質(zhì)量無(wú)關(guān)。

（3）焊縫熔合區(qū)域的母材若存在較嚴(yán)重的偏析和夾雜物，就會(huì)對(duì)焊接產(chǎn)生一定的影響，甚至?xí)M(jìn)一步導(dǎo)致母材的層狀撕裂，嚴(yán)重影響焊管的實(shí)物質(zhì)量。因此需要盡量控制母材的偏析和夾雜物程度，焊接時(shí)盡量采用較低的焊接線能量。

[1]甘正紅，方曉東，蘇繼權(quán).鋼焊縫超聲檢測(cè)新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析[J].焊管，2015，38（7）：51-57.

[2]林明焰.淺談GB/T 29712—2013焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)的理解[J].科技研究，2014（24）：211-212.

[3]李衍.ME規(guī)范案例和焊縫超聲檢測(cè)新規(guī)定[J].無(wú)損檢測(cè)， 2005（2）： 100-104.

[4]鄭暉，林樹(shù)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.

[5]王新華.鋼鐵冶金-煉鋼學(xué) [M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]張文鉞.金屬熔焊原理及工藝（上冊(cè)）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

[7]陳平昌，朱元妹，李贊.材料成型原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[8]潘建華，謝寶琛.高溫合金的聲傳播特性[J].航空工程與維修，1994（7）： 8-10.

[9]吳群，王岳.焊縫超聲波串列掃查探傷方法中的幾個(gè)問(wèn)題[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào)， 1998， 18（1）： 44-46.

[10]張軍雷.無(wú)損檢測(cè)對(duì)母材中心偏析綜合檢測(cè)結(jié)果淺析[J].技術(shù)與市場(chǎng)， 2013（10）：57-58.

Research on Segregation and Ultrasonic Testing of Welded Pipe

GAN Zhenghong1， XING Yanliang2， ZHOU Shuai3，SU Jiquan1
（1.Jiangsu Dechuang Manufacturing Pipe Co.,Ltd.,Xinghua 225700,Jiangsu,China；2.Tangshan Special Equipment Supervision and Inspection Institute,Tangshan 063000,Hebei,China；3.Hunan Shengli Xianggang Steel Pipe Co.,Ltd.,Xiangtan 411101,Hunan,China）

During ultrasonic testing process of welded pipe weld,the abnormal echo signal appear in the center of HAZ along the length direction of the weld,and the signal still exist after repair welding.Through the physical and chemical test for the sampling signal part,it found the reason caused abnormal echo signal.The results showed that the segregation existed in weld fusion line and HAZ base metal is the reason caused abnormal echo signal.It analyzed the forming reason and type of welded pipe segregation,investigated the ultrasonic testing identification for segregation echo signal,and indicated that ultrasonic testing combining with the physical and chemical experiments can judge the existence of the welded pipe serious segregation.

welded pipe;weld;segregation;ultrasonic testing

TE973.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.008

甘正紅（1973—），男，總工程師，高級(jí)工程師，持有中國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局RT、UT、MT、PT高級(jí)證書(shū)，主要從事鋼管質(zhì)量、技術(shù)管理工作。

2015-10-30

修改稿收稿日期：2015-12-14

謝淑霞