高壓加熱器管板與封頭環(huán)縫的超聲波檢測(cè)

屠林楊

摘 要：高加管板與封頭環(huán)縫由于結(jié)構(gòu)區(qū)別于一般的縱環(huán)縫，對(duì)于超聲波探傷來說，無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于厚板要求的兩面四側(cè)一次波掃查的規(guī)定。本文主要從探頭的選擇，探頭掃查的位置來說明如何最大限度的來實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的探傷。以及在封頭曲面探測(cè)時(shí)的一些修正，由于結(jié)構(gòu)原因產(chǎn)生的偽缺陷波的識(shí)別，和一些常見缺陷回波定性問題的討論。

關(guān)鍵詞：超聲波探傷；封頭與管板；缺陷定性

1 管板與封頭環(huán)縫的結(jié)構(gòu)

管板與封頭環(huán)縫的結(jié)構(gòu)如下圖（1）所示，管板材料為20MnMo，封頭材料為16Mng，厚度120mm。焊接方式為單面氬弧焊打底，再手工電弧焊，然后自動(dòng)焊蓋面。焊接難度大，工藝控制復(fù)雜。而由于幾何形狀不一樣，在超聲波探傷時(shí)斜探頭不能雙面四側(cè)，這樣就有可能會(huì)造成漏檢。這就需要更有效的方法來檢測(cè)焊縫內(nèi)部，以確保高加安全運(yùn)行。

2 可能產(chǎn)生的缺陷取向分析與探頭K值選擇

打底焊時(shí)，參數(shù)如果控制不當(dāng)，電流太小或運(yùn)條速度過快，可能會(huì)導(dǎo)致未焊透缺陷的產(chǎn)生。手工焊時(shí)，可能因?yàn)榧訜岵划?dāng)，清渣不及時(shí)等原因產(chǎn)生裂紋夾渣等缺陷。埋弧自動(dòng)焊焊接的多層多道焊，焊接深度約100mm，有可能會(huì)產(chǎn)生不同深度，不同方向的缺陷，以及在坡口位置可能產(chǎn)生連續(xù)的未熔合。在選擇探頭K至?xí)r，根據(jù)厚度以及經(jīng)驗(yàn)，宜選擇K1與K2的組合，以達(dá)到掃查根部和近表缺陷的目的。且不同折射角也可以減小缺陷方向?qū)τ谌毕輽z出率的影響。同時(shí)，K1對(duì)于檢測(cè)根部未焊透具有較高的靈敏度，因?yàn)镵1時(shí)，端角反射較為明顯。在探頭種類的選擇上，宜選擇高阻尼窄脈沖的探頭，以得到較高的分辨率。

3 掃查范圍

掃查面的確定因能更有利于發(fā)現(xiàn)缺陷和最大限度的掃查到焊縫，避免聲束死角的存在。因此我們將探頭位置布置在如圖1所示的①②③④⑤的位置，為能更有利于近表面缺陷的檢出，應(yīng)將焊縫余高磨平，在②③⑤封頭內(nèi)外表面掃查時(shí)，探頭應(yīng)橫穿過焊縫。在位置⑤雖然移動(dòng)區(qū)不足，但這個(gè)位置的掃查能彌補(bǔ)在①位置由于由于臺(tái)階而無法掃到焊縫近表面的缺陷的問題。在①這個(gè)位置掃查時(shí)，由于厚度差，儀器的顯示深度與實(shí)際深度不同，實(shí)際深度為顯示深度減去厚度差。位置④為橫向掃查，因?yàn)闄M向缺陷多為裂紋，而裂紋往往只能在一個(gè)方向發(fā)現(xiàn)，因此應(yīng)進(jìn)行正反兩個(gè)方向的掃查。

4 曲面探測(cè)

在焊縫②③側(cè)周向掃查時(shí)，由于封頭為球形，因此在給缺陷定位時(shí)，應(yīng)進(jìn)行曲率修正，否則可能因?yàn)樯疃人降恼`差，無法成功返修掉缺陷，造成多次返修，影響焊縫的力學(xué)性能，也影響了生產(chǎn)的進(jìn)度。

表1和表2能清楚的反映出內(nèi)外掃查時(shí)，缺陷在不同深度時(shí)的誤差：

由上表1表2可以比較直觀的發(fā)現(xiàn)，厚度在100左右時(shí)，水平誤差在10mm左右，深度誤差在5mm左右。因此無論是對(duì)于缺陷的定位還是缺陷的判斷，曲率修正都是非常重要的。若不進(jìn)行修正，根部缺陷往往會(huì)被操作人員誤判斷是地面反射波，而造成缺陷的漏檢。

5 缺陷類型及產(chǎn)生的原因與危害

缺陷類型：焊縫缺陷主要有氣孔，夾雜，未熔合，未焊透，裂紋。

5.1 氣孔

氣孔是指焊接時(shí)，熔池中的氣體未在金屬凝固前逸出，殘存于焊縫之中所形成的空穴，其氣體可能是熔池從外界吸收的，也可能是焊接冶金過程中反應(yīng)生成的。

產(chǎn)生的原因主要原因：母材或填充金屬表面有銹、油污等，焊條或焊劑未烘干會(huì)增加氣孔量。焊接線能量過小，熔池冷卻速度大，都不利于氣體逸出。焊縫金屬脫氧不足也會(huì)增加氣孔。

危害：氣孔減小了焊縫的有效面積，使焊縫疏松，從而降低了接頭的強(qiáng)度，降低塑性，還會(huì)引起泄漏。氣孔也是引起應(yīng)力集中的因素。氫氣孔還可能促成冷裂紋。

5.2 夾渣

夾渣是指焊后熔渣殘存在焊縫中的現(xiàn)象。

夾渣產(chǎn)生的原因：坡口尺寸不合理；破口有污物；多層焊時(shí)層間清渣不徹底；焊接線能量??；焊縫散熱太快，液態(tài)金屬凝固過快；焊條藥皮，焊劑化學(xué)成分不合理，熔點(diǎn)過高，反應(yīng)不完全，脫渣性不好；烏極性氣體保護(hù)焊時(shí)，焊條搬動(dòng)不正確，不利于熔渣上浮。

夾渣的危害：點(diǎn)狀?yuàn)A渣的危害與氣孔相似，帶有尖角的夾渣會(huì)產(chǎn)生尖端應(yīng)力集中，尖端還會(huì)發(fā)展為裂紋源，危險(xiǎn)較大。

5.3 未焊透

未焊透是指母材金屬未熔化，焊縫金屬?zèng)]有進(jìn)入接頭根部的現(xiàn)象。

產(chǎn)生的原因：焊接電流小，熔深淺；破口間隙尺寸不合理，鈍邊太大；磁片吹影響；焊條偏心度太大；層間及焊根清理不良。

危害：減小焊縫的有效截面積，削弱了焊縫。其次，未焊透引起應(yīng)力集中嚴(yán)重降低焊縫的疲勞強(qiáng)度。未焊透可能成為裂紋源。

5.4 未熔合

未熔合是指焊縫金屬與母材金屬，或焊縫金屬之間未熔化結(jié)合在一起的缺陷。

產(chǎn)生的原因：焊接電流過?。缓附铀俣冗^快；焊接角度不對(duì)；產(chǎn)生了弧偏吹現(xiàn)象；焊接處于下坡焊接位置，母材熔化時(shí)已被鐵水覆蓋；母材表面有污物或氧化物影響熔敷金屬與母材的熔化結(jié)合等。

危害：為熔合是一種面積型缺陷。破口未熔合和根部未熔合會(huì)使承載截面積明顯變小，使應(yīng)力集中變的比較嚴(yán)重，其危害性僅次于裂紋。

5.5 裂紋

裂紋是指金屬原子的結(jié)合遭到破壞，形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙。

產(chǎn)生的原因：合金元素和雜質(zhì)的影響，碳元素以及硫、磷等雜質(zhì)元素的增加，會(huì)使結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生機(jī)會(huì)增多；冷卻速度增大，會(huì)增加結(jié)晶裂紋的出現(xiàn)機(jī)會(huì)；焊接應(yīng)力過大，使金屬受拉，出現(xiàn)結(jié)晶裂紋。

危害：裂紋是焊接缺陷中危害最大的一種，；裂紋是一種面積型缺陷，減少了焊縫的承載面積，使應(yīng)力高度集中，很容易擴(kuò)展導(dǎo)致破壞。

6 超聲波缺陷回波性質(zhì)的判斷

超聲波探傷對(duì)于缺陷的定性，目前還是比較困難，往往依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，而準(zhǔn)確的定性，更有利于排除危害性缺陷。經(jīng)過多年的實(shí)踐操作與實(shí)際返修出的缺陷觀察以及射線底片的觀察，并通過理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)缺陷性質(zhì)的判斷大致總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)：

6.1 裂紋

反射回波大，波幅比較寬，斜探頭平移回波連續(xù)出現(xiàn)，波幅降至80%，轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí)波峰上下錯(cuò)動(dòng)。斜探頭在橫向掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)時(shí)，反射回波只從一側(cè)出現(xiàn)。 因?yàn)榱鸭y一般鋸齒形，導(dǎo)致了探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)波峰錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象。同時(shí)裂紋又是面積型缺陷，當(dāng)一側(cè)聲束與其垂直時(shí)，則另一側(cè)的聲束往往與其面平行或夾角很小，反射波無法被探頭接受，因此一次波掃查時(shí)也往往只能在單側(cè)發(fā)現(xiàn)。

6.2 未熔合

①側(cè)反射回波較大，斜探頭平移回波較穩(wěn)定。

②側(cè)反射回波小或沒有。未熔合多為坡口未熔合，其一面平直，因此平移時(shí)回波穩(wěn)定，也只能在缺陷的另一側(cè)掃查時(shí)才有明顯回波。

6.3 未焊透

斜探頭平移回波較穩(wěn)定。①②側(cè)反射回波相近。因?yàn)槲春竿竷蓚?cè)都是平直的，且深度相同，因此回波比較穩(wěn)定，兩側(cè)掃查時(shí)波高也相近。這類缺陷在管板與封頭環(huán)縫中很少見。

6.4 夾雜

反射回波較小，主峰邊上有些小峰，斜探頭平移回波變化較大，①②側(cè)反射回波不相同。波幅降至80%，斜探頭轉(zhuǎn)角時(shí)波幅有跳動(dòng)現(xiàn)象。夾雜為體積型缺陷，且形狀不規(guī)則，對(duì)于聲束沒有很好的反射面，因此反射回波往往較小，平移時(shí)回波變化較大，一般兩側(cè)都可以掃查到，但回波高度不一。

6.5 氣孔與密集氣孔

斜探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)波幅消失快，四側(cè)掃查時(shí)反射回波基本相同，一般為氣孔，由于氣孔一般為圓形，因此，單個(gè)氣孔的最大特點(diǎn)是各個(gè)方向都能發(fā)現(xiàn)，且回波高度差不多。反射回波寬，波幅不高，斜探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)波幅此起彼伏，多個(gè)方向都能發(fā)現(xiàn)，一般為密集氣孔。由于多個(gè)氣孔的存在，而單個(gè)氣孔在各個(gè)方向都能發(fā)現(xiàn)，因此密集氣孔在探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)波幅會(huì)此起彼伏。

6.6 偽缺陷波

在探傷管板與封頭環(huán)縫時(shí)，在管板①側(cè)掃查往往會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反射回波，波幅比較小，且在根部。該回波是（圖示意部位）倒角位置的結(jié)構(gòu)反射回波。往往整條連續(xù)出現(xiàn)，可以通過在內(nèi)側(cè)（圖示意部位）位置用耦合劑拍打的方法來確定是否為偽缺陷波。若反射回波波幅出現(xiàn)跳動(dòng)，則可判定為偽缺陷波，否則應(yīng)是缺陷回波。

7 總結(jié)

目前實(shí)踐證明，采用上訴方法 來對(duì)高加管板與封頭環(huán)縫進(jìn)行超聲波探傷，可以有效的檢出缺陷，通過對(duì)射線探傷的比較，兩者有較好的吻合度，且超聲波探傷靈敏度高于射線探傷，超聲波往往能更好的發(fā)現(xiàn)焊縫中的點(diǎn)狀缺陷以及裂紋，而這在射線底片上常常不能顯示。