油氣管道環(huán)焊縫相控陣超聲檢測幾何波分析

陶學(xué)剛

徐州東方工程檢測有限責(zé)任公司，中國·江蘇 徐州 221000

1 引言

油氣管道焊縫通常采用V 型坡口單面焊雙面成型焊接工藝，焊縫上表面余高和根部余高在特定成型部位會(huì)產(chǎn)生根部余高反射波、變形縱波、上表面反射波和蓋帽反射波。油氣管道環(huán)焊縫檢測時(shí)通常是PAUT+TOFD 技術(shù)相結(jié)合使用，一方面用PAUT 彌補(bǔ)TOFD 上下表面檢測盲區(qū)，另一方面用TOFD 輔助PAUT 對(duì)缺欠進(jìn)行定性，對(duì)幾何波分析的過程中可結(jié)合PAUT 的扇掃通道和A 掃波形及TOFD 通道綜合分析，避免將幾何波當(dāng)成缺陷波評(píng)判。下面具體分析四種幾何波的產(chǎn)生機(jī)理和特征。

2 根部余高反射波

①正常焊接的單面焊雙面成型的焊縫，焊縫根部會(huì)形成規(guī)則的余高，當(dāng)根部余高曲率較小時(shí)，反射波幅低，對(duì)評(píng)判影響較小。根部余高曲率較大時(shí)（見圖1），反射波幅較高。如果根部余高曲率一直較大[1]，PAUT 做周向連續(xù)掃查時(shí)該反射波將在屏幕中將一直出現(xiàn)，會(huì)影響缺欠的識(shí)別。

圖1 根部曲率大時(shí)余高反射波顯示

②根部余高幾何反射波特征：

第一，通常情況下根部焊瘤反射波深度大于T（公稱壁厚值）。

第二，反射波的水平位置，一般大于步進(jìn)偏移距離，從兩個(gè)PA 探頭側(cè)都能滿足這一條。

第三，移動(dòng)扇掃通道角度指針時(shí)，根部余高反射波的波幅不同。

第四，如果能將焊縫根部余高打磨與母材平齊，余高反射波消失。

3 變形縱波

①在兩種不同阻抗的介質(zhì)1 和介質(zhì)2 中，當(dāng)橫波入射角小于第三臨界角時(shí)，在反射波中既有橫波又有縱波，而橫波變?yōu)榭v波的過程稱之為波形轉(zhuǎn)換，這時(shí)的反射縱波稱為變形縱波。

②當(dāng)超聲波聲束入射至焊縫根部余高時(shí)（圖2a）α 點(diǎn)），此時(shí)存在鋼/空氣兩種介質(zhì)，此時(shí)會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)變，橫波變?yōu)榭v波L。當(dāng)橫波入射角度合適時(shí)，縱波會(huì)垂直入射至焊縫上表面b 點(diǎn)，此時(shí)L 波反射波幅較高（圖2-b）L 點(diǎn)）。通常情況下，該入射橫波為根部某個(gè)角度的擴(kuò)散聲束，能量相對(duì)較小，因此波幅一般小于的根部曲率大時(shí)余高反射波幅。

圖2 變形縱波示意圖

③變形縱波的特征如下：

第一，變形縱波聲程傳輸較遠(yuǎn)，因此常出現(xiàn)在根部余高反射波后面。

第二，當(dāng)整條焊縫的根部余高形狀近似相同時(shí)，變形縱波在PAUT 掃查圖上的水平值和深度值近似固定（如圖2b）所示），L 波始終在S1和S2波中間出現(xiàn)。

4 上表面反射波

①PAUT 聲束入射至根部余高時(shí)，既有波形轉(zhuǎn)換的縱波[2]，也存在反射橫波，即橫波經(jīng)過根部余高特定點(diǎn)反射后，反射橫波垂直入射上表面余高，形成上表面反射波（如圖2a）d 點(diǎn)）。

②上表面反射波（橫波）特征：

第一，上表面反射波與變形縱波的特征非常相似，但是反射橫波的聲速小于變形縱波的聲速，因此上表面反射波位于根部余高波和變形縱波之后，如圖2所示即為上表面反射波。

第二，S2波幅的大小與根部余高曲率半徑大小有關(guān)，當(dāng)根部余高曲率越小，該波反射較強(qiáng)，而根部余高曲率越大反射波和變形縱波較低或消失。該反射波會(huì)在PAUT 二次波范圍中顯示。

5 蓋帽反射波

①蓋帽反射波在PAUT 掃查圖中并不難識(shí)別，如圖3所示，當(dāng)聲束打到焊縫蓋帽c 點(diǎn)時(shí)，從扇掃圖中可見反射波深度讀數(shù)略大于2 倍壁厚，水平位置距離焊縫中心偏探頭對(duì)側(cè)。

圖3 焊縫蓋帽反射波示意圖

②如果能正確識(shí)別蓋帽反射波，對(duì)PAUT 掃查圖評(píng)定時(shí)可借助蓋帽反射波確定掃查定位是否準(zhǔn)確。

6 結(jié)語

PAUT+TOFD 檢測可靠性和數(shù)據(jù)可記錄性已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過UT，特別是隨著智慧、數(shù)字化油氣管道建設(shè)的需要，PAUT+TOFD 檢測將會(huì)在今后得到更多的應(yīng)用[3]。正確識(shí)別PAUT 掃查圖中的幾何反射波，對(duì)評(píng)圖具有十分重要的意義；還可通過與其他方法比對(duì)，不斷豐富PAUT 評(píng)定經(jīng)驗(yàn)，提高評(píng)圖正確率，保證油氣管道安全運(yùn)行。