管道對接焊縫常見缺陷的危害及其超聲波波形辨別

葛玉雄

摘 要：本文根據(jù)壓力管道對接接頭容易產(chǎn)生的外觀和內(nèi)部缺陷，結(jié)合各類缺陷在超聲波顯示中的特點(diǎn)及水平距離和深度，分析各種波形顯示的性質(zhì)，在實(shí)際的檢測過程中加以辨別，從而更加準(zhǔn)確地判斷壓力管道對接接頭超聲波檢測的質(zhì)量等級，為壓力管道的定期檢驗(yàn)中判定管道安全狀況等級提供科學(xué)可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：脈沖反射法超聲波檢測；錯邊；未焊透；未熔合；裂紋；咬邊；距離-波幅曲線；波形辨別

中圖分類號：TG441.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0090-02

1 術(shù)語

1.1 壓力管道

是指利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓），介質(zhì)為氣體、液化氣體、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體，且公稱直徑大于或者等于50mm的管道。

1.2 超聲波探傷

利用材料及其聲學(xué)性能差異對超聲波波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗(yàn)材料內(nèi)部缺陷的無損檢測方法。

1.2.1 脈沖反射法（見圖1）

超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢工件內(nèi)，通過觀察來自內(nèi)部缺陷或工件底面反射波的情況來對工件進(jìn)行檢測。

1.2.2 缺陷回波法

根據(jù)儀器示波屏上顯示的缺陷波形進(jìn)行判斷的方法。

2 錯邊的危害及其波形辨別

錯邊：兩個工件在厚度方向上錯開一定位置，可視為焊縫表面缺陷，又可視作裝配成形缺陷。

2.1 在管道對接焊縫中錯邊產(chǎn)生的原因

（1）公稱壁厚不等：組對過程中只能對齊管道外壁，內(nèi)壁必然錯開一定的位置，通常叫做內(nèi)錯邊。（2）組對時兩個管子中軸線未重合：這種錯邊形式可以從改善焊接工藝上加以控制。（3）橢圓度：由于對接的兩個管子橢圓度的不同，必然產(chǎn)生厚度方向上的錯位，這種錯邊形式比較難以控制，當(dāng)管徑較大時更為嚴(yán)重，驗(yàn)貨的時候要多加關(guān)注。

2.2 錯邊的危害

（1）在焊縫處產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力；（2）在錯邊處產(chǎn)生應(yīng)力集中；（3）降低了承載能力；（4）影響焊縫外形美觀和尺寸精度。

2.3 超聲波探傷中內(nèi)錯邊波形辨別

現(xiàn)場檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，壓力管道錯邊的形式多為內(nèi)錯邊。

進(jìn)行單面雙側(cè)掃查時（見圖2），在薄壁側(cè)掃查面上，幾乎無波形顯示；在厚壁側(cè)掃查面上，沿管子周向上整圈都有波形顯示，反射波基本位于距離-波幅曲線（DAC曲線）Ⅲ區(qū)以上，且波高較高，深度從薄壁公稱壁厚到厚壁公稱壁厚上都有，水平距離位于厚壁邊緣一側(cè)。

波形特點(diǎn)：由于錯口面的凹凸不確定性，反射波的波峰上有小峰，探頭左右移動時波幅的高度變化不大，波形比較單一、變化不復(fù)雜。

3 未焊透的危害及其波形辨別

3.1 管道對接接頭中未焊透產(chǎn)生的原因及其防止

（1）所產(chǎn)生的相關(guān)原因。1）在進(jìn)行焊接的過程之中，焊接電流并沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，電流不夠大；2）在進(jìn)行焊接的過程之中，坡口和間隙的尺寸并沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，呈現(xiàn)不合理形態(tài)；3）在進(jìn)行焊接的過程之中，磁吹偏會對其造成很大的影響力度；4）在進(jìn)行焊接的過程之中，焊條偏心度并沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，沒有維持在一個平衡點(diǎn)；5）在進(jìn)行焊接的過程之中，層間及焊根清理工作不具備有效性，導(dǎo)致其不符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。（2）防止：為了能夠使未焊透得以基本防止，就要將比較大的電流運(yùn)用到其中，另一個層面為了能夠使磁偏吹得以防止，就要將交替電流代替相應(yīng)的直流，從而真正意義上的使用較大電流使未焊透得以基本防止。

3.2 未焊透的危害

（1）使焊縫的有效截面積得到了更大程度上的降低，接頭強(qiáng)度也逐漸地呈現(xiàn)下降的趨勢；（2）焊縫的疲勞強(qiáng)度得到更大程度上的降低基本是由于引起的應(yīng)力集中，同時其危害性非常嚴(yán)重；（3）焊縫破壞的重要原因就是未焊透非常容易出現(xiàn)裂紋源。

3.3 超聲波探傷中根部未焊透波形辨別

未焊透在焊接缺陷中形式多為根部未焊透。

未焊透一旦形成，無論探頭放那一側(cè)進(jìn)行掃查（見圖3），都有很強(qiáng)的端角反射波，探頭移動時波形較穩(wěn)定；轉(zhuǎn)動和擺動探頭時，波形消失較快；焊縫兩側(cè)探測的水平距離有一定間隙，約為對口間隙；深度位于焊縫底部1-2mm左右。

波形特點(diǎn)：波形單一，反射波幅度大，探頭平移時，波形較穩(wěn)定。

4 未熔合的危害及其波形辨別

對于未熔合來說，它主要是指對金屬進(jìn)行全面性、系統(tǒng)性、有效性的焊縫，但是在其過程之中并沒有完全的熔化結(jié)合在一起。從其不同的部位層面可以分為以下三個方面，分別是：坡口未熔合、層間未熔合和根部未熔合。

4.1 管道對接接頭中未熔合產(chǎn)生的原因及其防止

（1）產(chǎn)生的原因。1）在進(jìn)行焊接的過程之中，電流量不夠高；2）在進(jìn)行焊接的過程之中，速度并沒有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，速度不夠慢；3）在進(jìn)行焊接的過程之中，所采取的焊接角度不是非常正確；4）在進(jìn)行焊接的過程之中，弧偏吹現(xiàn)象出現(xiàn)在了其中，對整體焊接產(chǎn)生了不良影響。（2）防止。將比較大的焊接電流真正意義上的運(yùn)用到其中，采用系統(tǒng)性、有效性、正確性的焊接方式，并且對清潔坡口位置的工作予以更大的關(guān)注力度。

4.2 未熔合的危害

對于未熔合的危害來說，它的核心本質(zhì)內(nèi)容就是面積型缺陷，同時為了能夠更大程度上的減少承載截面面積，就應(yīng)該將坡口未熔合和根部未熔合真正意義上的運(yùn)用到其中，并且其與裂紋的危害性相互比較，我們不難看出，危害性并不是十分的高。

4.3 超聲波探傷中未熔合波形辨別

對于根部未熔合反射波探測時，在缺陷側(cè)有一個波幅較高的反射波，有時在非缺陷側(cè)反射波幅更明顯，（但是隨著未熔合面與入射聲束角度的不同，有時反射波幅較小、甚至無反射信號，這是因?yàn)槿毕莸闹赶蛐月暿瓷浣菬o法傳播到探頭）應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的測厚分析，對缺陷進(jìn)行深度定位，根部未熔合多出現(xiàn)在水平固定的仰焊位置、垂直固定的上坡口位置、焊接接頭的根部位置。

如圖4所示，掃查焊縫的兩側(cè)，A側(cè)的為二次聲程反射波，B側(cè)的為一次聲程反射波，通常情況下只要把探頭角度變換一下，只要聲束的入射角很合適，B側(cè)的反射波幅高于A側(cè)，且他們的深度在定位上基本一致。

波形的特征：形狀單一，平穩(wěn)且尖銳。

5 裂紋的危害及其波形辨別

裂紋的產(chǎn)生是金屬原子在結(jié)合時遭到破壞并且在新的界面上形成縫隙，由于發(fā)生條件和時機(jī)不同分為下面幾種：熱裂紋、冷裂紋（別名延遲裂紋）、層間撕裂、再生裂紋，冷裂紋是壓力管道試驗(yàn)檢查過程中的主要項(xiàng)目。

5.1 冷裂紋形成機(jī)理和防止措施

（1）冷裂紋的特征。1）焊接過后一段產(chǎn)生，并且溫度低；2）發(fā)生在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)域；3）有沿晶開裂，穿晶開裂或者二者混合；4）脆斷成為構(gòu)件破壞主要原因。（2）產(chǎn)生機(jī)理。1）金屬的塑性儲備被脆硬組織減?。?）焊縫受拉是焊接殘余應(yīng)力引起的；3）的原子太氫大多存在于金屬接頭區(qū)域；4）冷裂紋（氫制裂紋）的產(chǎn)生是含氫量和拉應(yīng)力引起的。（3）防止措施。1）采用低氫型堿性焊條，嚴(yán)格烘干；2）選擇適宜的焊接規(guī)范，保證預(yù)熱溫度符合要求，并后續(xù)加熱保證層間溫度不低于預(yù)熱溫度；3）優(yōu)化焊接的先后順序，減少焊接的變形和應(yīng)力；4）及時對焊后的構(gòu)件做消氫熱處理。

5.2 裂紋的危害

裂紋是面積型缺陷的一種，它的危害在于大量減少承載面積，并且在裂紋端部形成應(yīng)力集中的缺口，破壞性極大，尤其是冷裂縫，由于自身延遲性和快速脆斷性特點(diǎn)帶來的危害經(jīng)常是不可估量的，世界上絕大多數(shù)的鍋爐壓力容器和管道的脆性破壞是裂紋引起的，只有少數(shù)是選材不當(dāng)和設(shè)計(jì)不合理的原因造成的。

5.3 超聲波探傷中裂紋波形辨別

裂紋在焊縫中雖不常見，但它是一種最危險(xiǎn)的缺陷，它多產(chǎn)生于根部的熔合線附近，探測時反射波強(qiáng)烈，因裂紋表面曲折，沒有光滑的界面，反射波波腳較寬，且波峰常出現(xiàn)多峰現(xiàn)象。探頭平行移動時，波峰此起彼伏，擺動或轉(zhuǎn)動探頭時，波峰下降很快，波形沒有未焊透波形穩(wěn)定，從焊口兩側(cè)探測時，波形有較好的相似性，缺陷波在水平線上的位置基本一致。

如圖5所示在焊縫兩側(cè)探測，水平定位時一次聲程位置均有反射波出現(xiàn)，反射波可能是尖銳的，或有多峰。通過缺陷的準(zhǔn)確定位（埋藏深度、水平距離），可以判定缺陷在焊縫中存在。

波形特點(diǎn)：波形單一，波幅寬，反射波高度較大，呈鋸齒狀，有多峰，探頭移動時，時起時伏。

6 咬邊的危害及其波形辨別

咬邊：沿著焊趾，在母材部分形成凹陷或溝槽。

6.1 管道對接接頭中咬邊產(chǎn)生的原因及其防止

（1）產(chǎn)生的原因。1）電弧熱量天高，即電流過大，運(yùn)條速度較小；2）焊條與工件角度不正確，擺動不合理；3）電弧過長，焊接次序不合理；4）直流焊時電弧的磁偏吹。（2）防止。矯正操作姿勢，選用合理的規(guī)范，采用正確的運(yùn)條方式。

6.2 咬邊的危害

造成母材結(jié)構(gòu)截面積的減小，破壞構(gòu)件的承載能力，在某些區(qū)域形成應(yīng)力集中進(jìn)而發(fā)展成為裂紋的根源。

6.3 超聲波探傷中咬邊波形辨別

一般情況下，如果單面焊雙面成型構(gòu)件的焊口出現(xiàn)咬邊，一次聲程波的前端部位會出現(xiàn)缺陷反射波，如果缺陷聲波波幅很小，可以觀察到焊縫一側(cè)到焊縫根部的附加反射波。缺陷的定位基本一致時，證明探頭在焊縫二側(cè)探查，因?yàn)槭止る娀『赋霈F(xiàn)咬邊時特征為不連續(xù)過渡，所以探頭平行焊縫移動時波幅會出現(xiàn)起伏變動。

如圖6所示，此處波形特點(diǎn)為反射波會出現(xiàn)在帶有缺陷的焊縫二側(cè)，在A側(cè)還能觀察到構(gòu)件咬邊的反射波和底波。探頭前后移動時只能夠顯示出很小的垂直方向尺寸。咬邊反射波的包絡(luò)波形兩側(cè)各不相同。有時在焊縫的一側(cè)反射波幅很小、甚至沒有反射信號，原因是入射角度和缺陷具有指向性。

7 識別與判定方法的驗(yàn)證

通過將解剖驗(yàn)證工作運(yùn)用到日常實(shí)際工作中去，我們不難看出，在焊接工藝評定的過程中，無論是哪一處部位，還是哪一種缺陷，都應(yīng)該對其予以更高的關(guān)注力度，并且系統(tǒng)性、全面性、有效性的對比，相同部位但是存在著同性質(zhì)的缺陷，這是我們工作的重點(diǎn)內(nèi)容，同時為了能夠使射線復(fù)檢以及缺陷返修工作得到更好更快的進(jìn)行，就要注重多臺大型機(jī)組焊口超聲波檢測工作，從而使各種反射波形分析的要點(diǎn)能夠得到更準(zhǔn)確有效的展現(xiàn)。

通過日常實(shí)際識別以及判定方法的應(yīng)用，我們應(yīng)該對大徑管焊口根部的缺陷類型進(jìn)行深層次的分析以及探究，從而使定性目的得到有效的確定以及達(dá)到，同時大量的反射波出現(xiàn)在焊縫根部，為了能夠使所得到的結(jié)果以及內(nèi)容呈現(xiàn)全面性、系統(tǒng)性、有效性，就應(yīng)該注重缺陷波的各式各樣的特征，同時在探測工作過程之前要將焊接接頭坡口型式、焊接工藝、方法特點(diǎn)、熱處理狀態(tài)等放置在核心關(guān)鍵地位，并進(jìn)行綜合性、系統(tǒng)性、全面性的分析以及判定，從而使判定結(jié)果呈現(xiàn)準(zhǔn)確化。

8 結(jié)語

脈沖反射法超聲波檢測中，超聲波對缺陷的顯示并不直觀、探傷技術(shù)難度大、容易受主觀因素影響，且某些缺陷波形信號相類似，水平距離和深度相近，需要富有經(jīng)驗(yàn)的檢測人員才能辨別缺陷種類；在多年檢測實(shí)踐的基礎(chǔ)上，本文給出了如何辨別缺陷波形信號的基本方法，以及在判斷缺陷性質(zhì)時需要考慮的其他因素。希望對新從事超聲波探傷的人員有所幫助，對本文的不足之處請多批評指正。

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