超聲波檢驗(yàn)V型坡口環(huán)焊縫根部缺陷

蔣桂通　閆留青　王猛　寇玉全　王勝來

摘要：超聲波檢驗(yàn)焊縫內(nèi)的缺陷判定較為容易，而根部缺陷受組對(duì)情況和根部成型干擾，特別是對(duì)于單面焊雙面成型的V型坡口環(huán)焊縫的根部缺陷判定，一直是超聲波檢驗(yàn)技術(shù)的難點(diǎn)。為解決這一問題，采用USM35超聲波探傷儀和汕頭超聲5210*10A70斜探頭，對(duì)模擬試件的根部進(jìn)行試驗(yàn)研究，總結(jié)出超聲波檢驗(yàn)V型坡口環(huán)焊縫根部缺陷的規(guī)律，對(duì)儀器和探頭進(jìn)行精確校準(zhǔn)的前提下，把實(shí)際生產(chǎn)中遇到的等厚對(duì)接焊縫、不等厚對(duì)接焊縫、大小口對(duì)接焊縫、錯(cuò)邊因素考慮進(jìn)去，然后對(duì)焊縫接頭進(jìn)行1：1作圖，方能快速準(zhǔn)確地對(duì)根部信號(hào)進(jìn)行判定。

關(guān)鍵詞：超聲波檢驗(yàn);V型坡口;環(huán)焊縫;根部缺陷

中圖分類號(hào)：TC441.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0278—04

0引言

海洋石油平臺(tái)在建造過程中會(huì)使用大量的隔水套管、拉筋、鋼樁等結(jié)構(gòu)，單面焊雙面成型的V型坡口環(huán)焊縫是導(dǎo)管架和組塊建造拉筋和隔水套管接長(zhǎng)焊接常見的焊縫型式。焊縫內(nèi)部的缺陷很容易通過超聲波檢驗(yàn)來判定，而根部的缺陷判定對(duì)于超聲波檢驗(yàn)技術(shù)來說是比較困難的，因此有必要對(duì)V型坡口環(huán)焊縫的根部超聲波檢驗(yàn)進(jìn)行深入研究。

多年來，無損檢測(cè)專家對(duì)超聲波檢驗(yàn)焊縫做了大量試驗(yàn)與研究。郭偉燦等從薄壁對(duì)接焊縫角度進(jìn)行分析;肖明洋和董子清等從厚壁對(duì)接焊縫角度進(jìn)行闡述;孫宗泰等從鋼管樁對(duì)接接頭角度進(jìn)行探討;吳前驅(qū)等對(duì)自動(dòng)焊的超聲波檢驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，但都是對(duì)焊縫內(nèi)的缺陷包括根部缺陷進(jìn)行研究，沒有專門對(duì)根部缺陷進(jìn)行探討;白洪海對(duì)大口徑焊口根部信號(hào)進(jìn)行研究，但其管徑尚未達(dá)到海洋工程鋼結(jié)構(gòu)范圍;李樹軍等和賽鵬等只對(duì)根部未焊透這一種根部缺陷進(jìn)行分析。

本文對(duì)導(dǎo)管架和組塊中常用的卷管對(duì)接情況進(jìn)行分類，考慮現(xiàn)場(chǎng)組隊(duì)焊接與實(shí)驗(yàn)室的差距，對(duì)每種情況的模擬試件進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)根部缺陷存在與否進(jìn)行區(qū)分和總結(jié)規(guī)律，從而掌握超聲波檢驗(yàn)V型坡口環(huán)焊縫根部缺陷的要點(diǎn)。

1原理

單面焊雙面成型的V型坡口環(huán)焊縫在進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)時(shí)，一般在管外部進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，利用斜探頭對(duì)焊縫內(nèi)部和根部進(jìn)行探傷，超聲波儀器對(duì)超聲波探頭激發(fā)出超聲波，超聲波以一定的角度入射進(jìn)入焊縫，當(dāng)超聲波遇到反射體時(shí)，會(huì)返回超聲波信號(hào)，此反射體信號(hào)可能是缺陷，也可能是焊縫根部輪廓。當(dāng)根部成型完好無缺陷時(shí)，超聲波儀器顯示屏只顯示底波，當(dāng)聲波入射到根部缺陷時(shí)，儀器會(huì)接收到缺陷信號(hào)，并且缺陷信號(hào)的位置與底波有差異，例如根部焊趾存在裂紋，那么此裂紋信號(hào)的深度顯示與板厚相等，在原來的底波之前，如圖1所示。但實(shí)際超聲波檢驗(yàn)時(shí)，根部缺陷信號(hào)與底波很難區(qū)分，海洋工程鋼結(jié)構(gòu)超聲波檢驗(yàn)常用的超聲波探頭角度有0°、45°、60°和70°。0°探頭主要測(cè)鋼板厚度和夾層類缺陷;60°探頭的端角反射率很低，主要用來測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷;45°探頭和70°探頭最適合檢測(cè)根部缺陷。

2設(shè)備材料

儀器：USM35超聲波檢測(cè)儀;探頭：汕超5210*10A70探頭;試塊：校準(zhǔn)試塊和模擬試件。儀器探頭試件如圖2所示。

研究對(duì)象：海洋石油平臺(tái)卷管環(huán)焊縫管徑主要集中在406～2674 mm，壁厚主要集中在13～80 mm;坡口型式主要為V型、單邊V型和X型，根部有2～4 mm的間隙。V型坡口環(huán)焊縫是海洋石油平臺(tái)卷管環(huán)焊縫中最為常見的一種焊縫，管徑較小、壁厚相等時(shí)通常采用這種型式的坡口，壁厚不等時(shí)也可采取內(nèi)過渡的方式。本文研究的是超聲波檢驗(yàn)V型坡口焊縫根部缺陷，因此選取最具代表性的3種規(guī)格6種組合作為研究對(duì)象進(jìn)行研究。對(duì)以下6種焊縫分別進(jìn)行有根部缺陷和無根部缺陷的測(cè)試對(duì)比分析。

（1）直徑914 mm、壁厚38 mm的兩根管對(duì)接，焊縫坡口型式為V型。在整圈環(huán)焊縫的檢驗(yàn)過程中會(huì)遇到有錯(cuò)皮的情況和無錯(cuò)皮的情況。如圖3所示。

（2）直徑914 mm，一邊是壁厚38 mm，一邊是25 mm的兩根管對(duì)接，焊縫坡口型式為V型，管內(nèi)壁采取1：4斜坡過渡。在整圈環(huán)焊縫的檢驗(yàn)過程中會(huì)遇到有錯(cuò)皮的情況和無錯(cuò)皮的情況。而錯(cuò)皮的情況又分兩種，一種是左邊低右邊高;一種是左邊高右邊低。在超聲波斜聲束入射時(shí)，根部的反射情況是不一樣的。如圖4所示。

（3）直徑914mm、壁厚25mm與直徑762mm、壁厚25mm的兩根大小管徑對(duì)接，焊縫坡口型式為V型。不考慮錯(cuò)皮情況。如圖5所示。

3方法步驟

采用斜探頭自發(fā)自收模式對(duì)以上幾種情況的焊縫進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

（1）對(duì)直徑914mm，壁厚38mm的兩根管對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)時(shí)，無錯(cuò)邊，不考慮根部成型不好的情況。

當(dāng)根部無缺陷時(shí)，從左邊探測(cè)，超聲波入射到根部時(shí)會(huì)有大部分能量反射到右側(cè);從右邊探測(cè)，超聲波入射到根部時(shí)會(huì)有大部分能量反射到左側(cè)。如圖6（a）所示。

當(dāng)根部有缺陷時(shí)，比如單側(cè)未焊透，從左邊探測(cè)，超聲波入射到根部遇到缺陷時(shí)會(huì)有明顯的缺陷反射波被探頭接收，水平位置顯示在焊縫中心線左邊，深度顯示36mm，從右邊探測(cè)，超聲波入射到根部遇到缺陷時(shí)也會(huì)有明顯的缺陷反射波被探頭接收，水平位置顯示在焊縫中心線左邊，深度顯示36mm，說明焊縫根部左側(cè)存在自身高度為2mm的未焊透。如圖6（b）所示。

（2）對(duì)直徑914mm、壁厚38mm的兩根管對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)時(shí)，有3mm錯(cuò)邊，不考慮根部成型不好的情況。

當(dāng)根部無缺陷時(shí)，從左邊探測(cè)，超聲波入射到根部時(shí)，幾乎全部能量反射到右邊，而左側(cè)探頭無法接收到信號(hào)或信號(hào)很弱，也就沒有波形顯示或波形顯示很低;從右邊探測(cè)，當(dāng)入射波遇到根部余高時(shí)，會(huì)接收到余高輪廓反射回來的能量，此時(shí)會(huì)有一個(gè)強(qiáng)烈的輪廓信號(hào)波，水平位置在焊縫中心線，深度在37mm，但并不是缺陷。如圖7（a）所示。

當(dāng)根部有缺陷時(shí)，比如單側(cè)未焊透，從左邊探測(cè)，超聲波入射遇到缺陷時(shí)，會(huì)有缺陷反射波，水平位置在焊縫中心線右側(cè)，深度39mm，因?yàn)橛?mm的錯(cuò)邊;從右邊探測(cè)，超聲波入射遇到缺陷時(shí)，會(huì)有缺陷反射波，水平位置在焊縫中心線右側(cè)，深度36mm，說明根部存在一個(gè)自身高度2一的未焊透缺陷。如圖7（b）所示。

（3）直徑914mm，一邊是壁厚38mm，一邊是25mm的兩根管對(duì)接焊縫，無錯(cuò)邊，不考慮根部成型不好的情況。

當(dāng)根部無缺陷時(shí)，從左邊探測(cè)，超聲波入射到根部時(shí)會(huì)有大部分能量反射到右側(cè);從右邊探測(cè)，超聲波入射到根部時(shí)會(huì)有大部分能量反射到左側(cè)。如圖8（a）所示。

當(dāng)根部有缺陷時(shí)，比如單側(cè)未焊透，從左邊探測(cè)，超聲波入射到根部遇到缺陷時(shí)會(huì)有明顯的缺陷反射波被探頭接收，水平位置顯示在焊縫中心線左邊，深度顯示36mm，從右邊探測(cè)，超聲波入射到根部遇到缺陷時(shí)也會(huì)有明顯的缺陷反射波被探頭接收，水平位置顯示在焊縫中心線左邊，深度顯示36 mm，說明焊縫根部左側(cè)存在自身高度為2mm的未焊透。如圖8（b）所示。

（4）直徑914mm，一邊是壁厚38mm，一邊是25mm的兩根管對(duì)接焊縫，有3mm錯(cuò)邊，不考慮根部成型不好的情況。

當(dāng)根部無缺陷時(shí)，從右邊探測(cè)，超聲波入射到根部時(shí)，幾乎全部能量反射到左邊，而右側(cè)探頭無法接收到信號(hào)，也就沒有波形顯示;從左邊探測(cè)，當(dāng)入射波遇到根部余高時(shí)，會(huì)接收到余高輪廓反射回來的能量，此時(shí)會(huì)有一個(gè)強(qiáng)烈的輪廓信號(hào)波，水平位置在焊縫中心線，深度37mm，但并不是缺陷。如圖9（a）所示。

當(dāng)根部有缺陷時(shí)，比如單側(cè)未焊透，從左邊探測(cè)，超聲波入射遇到缺陷時(shí)，會(huì)有缺陷反射波，水平位置在焊縫中心線右側(cè)，深度33mm，因?yàn)橛?mm的錯(cuò)邊;從右邊探測(cè)，超聲波入射遇到缺陷時(shí)，會(huì)有缺陷反射波，水平位置在焊縫中心線右側(cè)，深度36mm，說明根部存在一個(gè)自身高度2mm的未焊透缺陷。如圖9（b）所示。

（5）直徑914mm，一邊是壁厚38mm，一邊是25mm的兩根管對(duì)接焊縫，有3mm錯(cuò)邊，不考慮根部成型不好的情況。

當(dāng)根部無缺陷時(shí)，從左邊探測(cè)，超聲波入射到根部時(shí)，幾乎全部能量反射到右邊，而左側(cè)探頭無法接收到信號(hào)，也就沒有波形顯示;從右邊探測(cè)，當(dāng)入射波遇到根部余高時(shí)，會(huì)接收到余高輪廓反射回來的能量，此時(shí)會(huì)有一個(gè)強(qiáng)烈的輪廓信號(hào)波，水平位置在焊縫中心線，深度37mm，但并不是缺陷。如圖10（a）所示。

當(dāng)根部有缺陷時(shí)，比如單側(cè)未焊透，從左邊探測(cè)，超聲波入射遇到缺陷時(shí)，會(huì)有缺陷反射波，水平位置在焊縫中心線右側(cè)，深度39mm，因?yàn)橛? mm的錯(cuò)邊;從右邊探測(cè)，超聲波入射遇到缺陷時(shí)，會(huì)有缺陷反射波，水平位置在焊縫中心線右側(cè)，深度36mm，說明根部存在一個(gè)自身高度2 mm的未焊透缺陷。如圖10（b）所示。

（6）直徑914mm，壁厚25mm，另一邊是直徑762mm，壁厚25 mm的兩根大小管徑對(duì)接，不考慮錯(cuò)皮情況。

當(dāng)根部無缺陷時(shí)，從左邊探測(cè)，超聲波入射到根部時(shí)會(huì)有大部分能量反射到右側(cè);從右邊探測(cè)，超聲波入射到根部時(shí)會(huì)有大部分能量反射到左側(cè)。如圖11（a）所示。

當(dāng)根部有缺陷時(shí)，比如單側(cè)未焊透，從左邊探測(cè)，超聲波入射到根部遇到缺陷時(shí)會(huì)有明顯的缺陷反射波被探頭接收，水平位置顯示在焊縫中心線左邊，深度顯示23 mm，從右邊探測(cè)，超聲波入射到根部遇到缺陷時(shí)也會(huì)有明顯的缺陷反射波被探頭接收，水平位置顯示在焊縫中心線左邊，深度顯示23 mm，說明焊縫根部左側(cè)存在自身高度為2 mm的未焊透。如圖11（b）所示。

4結(jié)束語

本文通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)超聲波檢驗(yàn)V型坡口焊縫的情況比較多，既有等厚度對(duì)接焊縫，又有不等厚度對(duì)接焊縫，還存在不同管徑對(duì)接的情況，在整圈焊口的檢測(cè)過程中，難免遇到錯(cuò)邊的現(xiàn)象，對(duì)根部缺陷判斷帶來干擾。不管哪種情況，在檢測(cè)時(shí)把特殊因素都考慮進(jìn)去，對(duì)儀器和探頭進(jìn)行精確校準(zhǔn)的前提下，對(duì)焊接接頭進(jìn)行1：1作圖。首先用超聲波判斷出根部成型是否完好，判斷是否存在根部成型缺陷，比如內(nèi)凹、焊瘤、咬邊等，再根據(jù)根部缺陷信號(hào)在水平方向和深度方向與超聲波底波信號(hào)的差異，判斷是否存在根部未熔合、未焊透、裂紋等缺陷。