淺析小徑管對(duì)接焊接接頭中影響超聲檢測缺陷檢出率的因素及控制方法

鹿劍++唐飛陽亮

摘 要：壓力管道是重要的工業(yè)設(shè)施，其質(zhì)量對(duì)于整個(gè)裝置乃至社會(huì)的安全非常重要。尤其是壓力管道的焊接質(zhì)量是影響管道質(zhì)量的極其重要的因素。工業(yè)上常利用超聲波替代射線進(jìn)行檢測。該文介紹了小徑管對(duì)接焊接接頭在超聲檢測中遇到的一些問題，并提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：壓力管道 超聲檢測 小徑管

中圖分類號(hào)：TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（c）-0101-02

壓力管道其主要作用是輸送介質(zhì)，除了常見的石油、天然氣外，還有工業(yè)用氣體。沒壓力管道的存在，裝置和設(shè)備就無法正常運(yùn)行。與其他特種設(shè)備相比壓力管道有以下幾方面的特點(diǎn)。

（1）管道是相對(duì)固定的。比如：埋地管道埋于地下，管道一般不會(huì)發(fā)生位移。

（2）輸送的連續(xù)性。管道一旦建成、投產(chǎn)，一般情況下應(yīng)連續(xù)運(yùn)行。

（3）在役運(yùn)行的管道隊(duì)地面建筑或區(qū)域長期構(gòu)成威脅，尤其是天然氣、煤氣等易燃?xì)怏w管道，威脅程度更大。

通過上述分析，說明壓力管道的質(zhì)量對(duì)于整個(gè)裝置乃至社會(huì)的安全是非常重要的。在整個(gè)管道系統(tǒng)中，必然會(huì)使用焊接來實(shí)現(xiàn)長距離傳輸以及傳輸方向的改變。焊接接頭的存在會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中和應(yīng)力腐蝕的問題。因此壓力管道的焊接質(zhì)量是影響管道質(zhì)量的極其重要的因素。

在過去，管道焊接接頭的質(zhì)量主要采用射線方法進(jìn)行檢測，但是由于安裝過程中管子有時(shí)密集排列，導(dǎo)致射線檢測無法實(shí)施。為此人們利用超聲波進(jìn)行檢測，相比射線檢測，超聲檢測，是一種綠色檢測手段，具有無輻射污染、檢測速度快的特點(diǎn)。在射線檢測無法實(shí)施的情況下可以對(duì)管道焊接接頭進(jìn)行檢測。

對(duì)于大直徑厚壁管對(duì)接焊縫，其超聲波檢測方法與平板對(duì)接焊縫無多大區(qū)別，而小直徑薄壁對(duì)接焊縫的超聲波檢測就有其特殊性。導(dǎo)致小徑管超聲檢測缺陷的檢出率較低。

1 小徑管對(duì)接焊縫超聲波檢測的影響因素

1.1 接觸面的耦合不好與幾何散射

小徑管的曲率較大，一般探頭楔塊為平面，使得探頭與管子的接觸面就變小，在探頭與管子沒有接觸良好的部位，晶片發(fā)出的超聲波在管子外表面就會(huì)產(chǎn)生散射、折射和反射。此時(shí)超聲波探頭所發(fā)射的聲波就不能完全進(jìn)入工件中，從而導(dǎo)致聲場強(qiáng)度大大降低，影響了探傷靈敏度，造成小缺陷的漏檢和大缺陷評(píng)級(jí)的錯(cuò)誤。

1.2 管子內(nèi)壁的散射

鋼管內(nèi)表面為凸面，超聲波在凸面折射會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象。內(nèi)表面的散射現(xiàn)象和超聲能量迅速衰減，回波雜亂，給缺陷的判定和定位帶來困難，同時(shí)降低了檢測靈敏度，易導(dǎo)致缺陷漏檢。

1.3 壁厚和焊縫寬度的影響

小徑管由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它管壁薄、焊縫寬。使得一次波的主聲束不易掃查到焊縫根部部位，如圖1所示。

若采用三次波檢測根部缺陷，由于聲程變長會(huì)造成靈敏度降低，雜波信號(hào)多。加之內(nèi)表面的散射現(xiàn)象，導(dǎo)致檢測效果不盡人意。

2 小徑管對(duì)接焊縫超聲波檢測探頭的優(yōu)選

2.1 探頭晶片尺寸的選擇

現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，晶片尺寸越大，則探頭就越大，越易發(fā)生探頭接觸不良時(shí)發(fā)生的波形轉(zhuǎn)換。所以為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)該選擇較小的晶片尺寸。

但是，過小的晶片會(huì)增加工業(yè)制作的難度，提高成本。而且過小的晶片尺寸還會(huì)造成聲場強(qiáng)度的降低。與此同時(shí)，由于鋼管內(nèi)表面為凸面，超聲波在凸面折射會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，聲束越寬散射現(xiàn)象越明顯。

根據(jù)聲波的半擴(kuò)散角理論公式（式中λ為超聲波的波長；為晶片尺寸）也可以看出，要想得到較窄的波束寬度，應(yīng)該選擇較大的晶片尺寸。

通過對(duì)目前市場上常見晶片尺寸超聲探頭的對(duì)比試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)6 mm2×6 mm2的晶片尺寸的檢測效果最好。

2.2 探頭前沿長度的選擇

探頭前沿是指超聲探頭發(fā)射的超聲進(jìn)入被檢工件的入射點(diǎn)距離探頭前面的距離。探頭前沿的存在會(huì)造成壓電晶片無法靠近焊縫邊緣，直接影響超聲檢測一次波的覆蓋范圍，如圖2所示。

所以較小的探頭前沿能有效地提高一次波覆蓋范圍，而一次波在超聲檢測中十分重要。這是因?yàn)椋m然一次波無法覆蓋的范圍可以通過二次波乃至三次波進(jìn)行檢測，但是由于超聲波傾斜入射在不同介質(zhì)的時(shí)候會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，多種波形的同時(shí)存在，會(huì)在超聲檢測儀上顯示為多個(gè)信號(hào)，增加操作人員對(duì)缺陷信號(hào)判讀的困難；同時(shí)由于傳播距離的增加超聲波會(huì)發(fā)生衰減和擴(kuò)散，導(dǎo)致超聲波能量的減少，缺陷回波降低，這些都不利于超聲檢測和發(fā)現(xiàn)缺陷。

由于制造工業(yè)技術(shù)的原因，探頭前沿是無法消除的，但是國內(nèi)目前的探頭生產(chǎn)廠家已經(jīng)可以將探頭前沿的最小值控制在5 mm左右，因?yàn)樵谛焦軐?duì)接焊接接頭超聲檢測時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制這一探頭參數(shù)。

2.3 探頭K值大小的選擇

在小徑管對(duì)接焊接接頭超聲檢測中，一般用一次、二次波檢測效果最好。這是因減少了超聲波在管子內(nèi)、外壁的反射次數(shù)，從而減少聲能的損失。與此同時(shí)還減少了多次反射造成的波形轉(zhuǎn)換。

所以選擇合理的K值，利用一、二次波進(jìn)行檢測，使橫波聲束能掃查到整個(gè)焊縫截面，避免缺陷漏檢，提高缺陷的檢出率。

如圖3所示，用圖中右側(cè)探頭進(jìn)行檢測，圖中的陰影部分超聲波就無法覆蓋，造成缺陷漏檢。由圖分析可知，K 值越大，超聲一次波的覆蓋范圍越大。但在實(shí)際工作中K3探頭的檢測效果并不如人意，這是因?yàn)槁暿嬖诎霐U(kuò)散角的原因。

鋼中橫波聲速Cs=3 230 m/s，有機(jī)玻璃中縱波聲速CL=2 730 m/s，當(dāng)探頭K值等于3時(shí)，如圖4所示。

由于半擴(kuò)散角的存在，超聲波聲束存在一個(gè)上聲束邊緣和下聲束邊緣，通常超聲探頭所表明的K值是聲束中心的數(shù)值，通過計(jì)算我們得到上聲束邊緣的K上值和下聲束邊緣的K下值。

由此可見，超聲波聲束上邊緣K值遠(yuǎn)大于3，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的表面波，干擾對(duì)缺陷的正確判定，從而導(dǎo)致缺陷檢出率的降低。因此在檢測工作中應(yīng)選擇K值為2.5的探頭。

2.4 探頭頻率的選擇

小徑管的壁厚一般在3～6 mm，在頻率選擇時(shí)可不考慮聲場的衰減。為了提高分辨率，應(yīng)選擇頻率較高的探頭，如，7.5 MHz的超聲探頭。

3 現(xiàn)場檢測應(yīng)用

2015年11月筆者應(yīng)委托方要求對(duì)某電廠1#爐爐管對(duì)接焊接接頭進(jìn)行質(zhì)量抽檢。工件規(guī)格為Φ60×5 mm；選擇DL-1型小管焊縫專用試塊進(jìn)行儀器-探頭調(diào)校；探頭參數(shù)：6 mm×6 mm，K2.5，前沿4 mm，頻率7.5 MHz。

現(xiàn)場共檢測48道對(duì)接焊接接頭，為了保證能夠完成橫波三次波掃查，要求對(duì)接焊接接頭兩側(cè)進(jìn)行打磨處理，打磨寬度50 mm。檢測過程中特別注意觀察一次波對(duì)對(duì)接焊接接頭根部的掃查。

檢測過程中發(fā)現(xiàn)6道對(duì)接焊接接頭存在超標(biāo)缺陷，現(xiàn)場進(jìn)行射線檢測復(fù)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行打磨處理。通過3種方法的相互驗(yàn)證，我們采用的這種小晶片尺寸、小前沿、較大K值、高頻率的探頭進(jìn)行小徑管超聲檢測效果較好，可以解決小徑管超聲檢測中遇到的問題，提高缺陷的檢出率，進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。

4 新檢測技術(shù)的替代應(yīng)用

隨著近幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣技檢測技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用范圍越來越廣、效果越來越好，目前配備工件模擬成像，小徑管專用探頭和專用掃查器的相控陣檢測儀在小徑管對(duì)接焊接接頭的檢測工作中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并能夠獲得較高的缺陷檢出率。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳豫杰，熊芳斌.淺談小徑管超聲波探傷[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（13）：5.