螺旋縫埋弧焊管焊縫裂紋及未焊透檢測(cè)分析

馬朝輝，楊 亮，段素梅，王 剛

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

在螺旋縫埋弧焊管焊縫的各種質(zhì)量檢測(cè)中，無(wú)損檢測(cè)具有非破壞性的優(yōu)勢(shì)，尤其是超聲波探傷，其具有檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)成本低、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)［1-15］。但是在螺旋縫埋弧焊管焊縫的超聲波探傷中，影響焊縫缺陷定量、定位的因素和預(yù)估缺陷性質(zhì)的因素比較多；因此，對(duì)于超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的焊縫缺陷，針對(duì)具體情況，還需采取X射線(xiàn)拍片、取樣酸蝕或金相檢測(cè)及碳弧氣刨等比較直觀(guān)的方法來(lái)驗(yàn)證超聲波探傷對(duì)缺陷的定量、定位和定性準(zhǔn)確情況，再根據(jù)缺陷的大小、形狀、方位、位置、性質(zhì)和種類(lèi)等，分析總結(jié)超聲波探傷的方法及規(guī)律，并經(jīng)不斷驗(yàn)證和分析，總結(jié)出大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊管焊縫裂紋、未焊透典型缺陷的超聲波探傷方法和被檢測(cè)缺陷的定位、定量、定性規(guī)律，并據(jù)此不斷完善檢驗(yàn)工藝，進(jìn)而及時(shí)指導(dǎo)成型焊接，反饋可靠的質(zhì)量動(dòng)態(tài)信息，同時(shí)減少破壞性取樣頻次，并提供準(zhǔn)確的修補(bǔ)建議。

1 焊縫危害性缺陷類(lèi)型

螺旋縫埋弧焊管焊縫中的危害性缺陷主要為裂紋和未焊透，其中裂紋缺陷根據(jù)產(chǎn)生位置不同可分為外焊縫裂紋和內(nèi)焊縫裂紋。

1.1 外焊縫裂紋

一般來(lái)講，外焊縫裂紋多位于外焊縫的中上部，裂紋的方向大多與焊管表面垂直或近似垂直，多數(shù)缺陷在超聲波探傷檢測(cè)中較容易檢出，同時(shí)在X射線(xiàn)拍片、取樣酸蝕、金相檢測(cè)、碳弧氣刨中也能夠發(fā)現(xiàn)此類(lèi)缺陷。但對(duì)一些方向與焊管母材表面有一定角度的外焊縫裂紋，X射線(xiàn)檢驗(yàn)時(shí)不容易檢出。外焊縫裂紋位置及金相形貌如圖1所示。

圖1 外焊縫裂紋位置及金相形貌

1.2 內(nèi)焊縫裂紋

內(nèi)焊縫裂紋大多位于內(nèi)焊縫的根部，裂紋方向與焊管表面有一定夾角。使用超聲波檢測(cè)設(shè)備在焊縫一側(cè)探傷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)裂紋方向與檢測(cè)聲束平行或夾角較小的情況，可通過(guò)一、二次波交替檢測(cè)，針對(duì)單一規(guī)格焊管使用不同K值（鋼中聲束折射角的正切值）探頭進(jìn)行探傷。實(shí)際檢驗(yàn)時(shí)，在焊縫兩側(cè)通過(guò)斜探頭一、二次波探傷均可發(fā)現(xiàn)內(nèi)焊縫裂紋，X射線(xiàn)拍片、碳弧氣刨均難發(fā)現(xiàn)，但是一般通過(guò)取樣酸蝕、金相檢測(cè)也可以發(fā)現(xiàn)。內(nèi)焊縫裂紋位置及金相形貌如圖2所示。

圖2 內(nèi)焊縫裂紋位置及金相形貌

1.3 未焊透

未焊透大多位于內(nèi)外焊縫的中部，缺陷的方向大多與焊管表面垂直或近似垂直。采用超聲波探傷設(shè)備探傷時(shí)，在焊縫兩側(cè)通過(guò)斜探頭一、二次波探傷均可發(fā)現(xiàn)未焊透缺陷；通過(guò)X射線(xiàn)拍片、取樣酸蝕、金相檢測(cè)和碳弧氣刨也能夠發(fā)現(xiàn)此類(lèi)缺陷。焊縫未焊透位置及金相形貌如圖3所示。

圖3 焊縫未焊透位置及金相形貌

2 焊縫危害性缺陷的檢測(cè)分析

一般使用超聲波斜探頭分別在焊縫兩側(cè)一、二次波探傷位置采用鋸齒形掃查，同時(shí)探頭轉(zhuǎn)動(dòng)10°～15°，以檢查焊縫內(nèi)有無(wú)缺陷。檢測(cè)到缺陷后，手持探頭前后左右緩慢移動(dòng)，以確定缺陷長(zhǎng)度和缺陷的水平距離及在焊縫橫截面內(nèi)的位置；同時(shí)采用探頭轉(zhuǎn)角掃查和環(huán)繞掃查相結(jié)合的方式，估判缺陷的方向、性質(zhì)和形狀。

螺旋縫埋弧焊管焊縫中的裂紋、未焊透缺陷，通常使用超聲波探傷就可以檢測(cè)出來(lái)。同時(shí)，對(duì)于超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的焊管中部無(wú)法切除的焊縫缺陷，根據(jù)具體情況，采用X射線(xiàn)拍片或碳弧氣刨來(lái)驗(yàn)證超聲波探傷對(duì)缺陷的定量、定位和定性的準(zhǔn)確性；對(duì)于焊管端部可以切除的焊縫缺陷，根據(jù)具體情況，可采用X射線(xiàn)拍片、取樣酸蝕或金相分析來(lái)驗(yàn)證超聲波探傷對(duì)缺陷的定量、定位和定性準(zhǔn)確性。現(xiàn)以Φ1 219 mm×18.4 mm規(guī)格螺旋縫埋弧焊管的超聲波檢測(cè)為例，進(jìn)行分析。

2.1 外焊縫裂紋的檢測(cè)

在基準(zhǔn)探傷靈敏度下，從焊縫遞送邊側(cè)和自由邊側(cè)分別探傷時(shí)，使用一次波探傷無(wú)法發(fā)現(xiàn)外焊縫裂紋，但使用二次波探傷則可以發(fā)現(xiàn)該缺陷。缺陷位于外焊縫區(qū)域，焊縫兩側(cè)探傷缺陷反射波幅和顯示位置基本相當(dāng)，說(shuō)明兩側(cè)探傷缺陷反射源基本相同，在焊縫橫截面內(nèi)，缺陷左右基本對(duì)稱(chēng)。缺陷反射波幅較高，且缺陷反射波根部較寬，焊縫余高波降低明顯，說(shuō)明缺陷當(dāng)量較大。探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向前后移動(dòng)，且探頭有一定的前后移動(dòng)距離，從缺陷最高波降低到消失，缺陷反射波波高降低緩慢，說(shuō)明缺陷在深度方向尺寸較大。遞送邊側(cè)和自由邊側(cè)探傷動(dòng)態(tài)波形基本相同。探頭沿焊縫方向轉(zhuǎn)角平移時(shí)，缺陷會(huì)出現(xiàn)多峰，且波峰有上、下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，波幅有所起伏，但缺陷反射波連續(xù)出現(xiàn)，缺陷有一定的指示長(zhǎng)度，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺陷反射波降低明顯，說(shuō)明缺陷為線(xiàn)性缺陷，且缺陷可能有多個(gè)不同的反射點(diǎn)，類(lèi)似樹(shù)杈狀。根據(jù)超聲波探傷波形分析及X射線(xiàn)拍片或取樣酸蝕驗(yàn)證，認(rèn)為該缺陷為外焊縫裂紋。二次波探傷外焊縫裂紋波形如圖4所示，外焊縫裂紋X射線(xiàn)拍片及酸蝕形貌如圖5所示。

圖4 二次波探傷外焊縫裂紋波形

圖5 外焊縫裂紋X射線(xiàn)拍片及酸蝕形貌

2.2 內(nèi)焊縫裂紋的檢測(cè)

在基準(zhǔn)探傷靈敏度下，從焊縫遞送邊側(cè)和自由邊側(cè)分別探傷時(shí)，遞送邊側(cè)和自由邊側(cè)一次波及二次波均能檢出缺陷，一次波比二次波探傷缺陷反射波幅高，說(shuō)明缺陷位于焊縫中部稍偏下區(qū)域。缺陷反射波顯示缺陷位置基本相當(dāng)，兩側(cè)一、二次探傷缺陷反射波波幅高度均有一定的差異，一、二次波探傷遞送邊側(cè)均比自由邊側(cè)缺陷波幅高，說(shuō)明兩側(cè)探傷缺陷反射源不同，在焊縫橫截面內(nèi)，缺陷左右不對(duì)稱(chēng)，缺陷的方向與焊管表面可能有一定角度。探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向移動(dòng)，且探頭有一定的前后移動(dòng)距離，從缺陷最高波處到消失，缺陷反射波降低緩慢，說(shuō)明缺陷在深度方向有一定的尺寸。遞送邊側(cè)一次波探傷，探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向轉(zhuǎn)角平移時(shí)，缺陷會(huì)出現(xiàn)多峰，且波峰有上、下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，波幅有所起伏，缺陷反射波連續(xù)出現(xiàn)，缺陷有一定的探傷指示長(zhǎng)度，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)缺陷反射波降低明顯；遞送邊側(cè)二次波探傷，探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向平移并同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射波類(lèi)似點(diǎn)狀缺陷，缺陷回波波幅不高，回波根部窄、單峰，且指示長(zhǎng)度較短，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)缺陷反射波降低比較明顯。自由邊側(cè)一次波探傷，探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向平移并同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺陷會(huì)出現(xiàn)多峰，且波峰有上、下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，波幅有所起伏，缺陷反射波連續(xù)出現(xiàn)，缺陷有一定的探傷指示長(zhǎng)度（比遞送邊一次波探傷時(shí)短），探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)缺陷反射波降低比較明顯；自由邊側(cè)二次波探傷，探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向平移并同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射波類(lèi)似點(diǎn)狀缺陷，回波根部較窄、單峰，且指示長(zhǎng)度很短，探頭稍微轉(zhuǎn)動(dòng)，缺陷反射波降低消失，缺陷可能有多個(gè)不同的反射點(diǎn)，類(lèi)似樹(shù)枝狀。通過(guò)X射線(xiàn)拍片無(wú)法發(fā)現(xiàn)上述缺陷，說(shuō)明缺陷的方向與探測(cè)面（母材表面）可能有一定的角度，其角度可能大于X射線(xiàn)拍片裂紋檢出角，且缺陷較小，為線(xiàn)性缺陷。鑒于此，根據(jù)超聲波探傷波形分析及取樣酸蝕和金相檢測(cè)驗(yàn)證，認(rèn)為該缺陷為內(nèi)焊縫裂紋。一次波探傷內(nèi)焊縫裂紋波形如圖6所示，內(nèi)焊縫裂紋酸蝕形貌如圖7所示。

圖6 一次波探傷內(nèi)焊縫裂紋波形

圖7 內(nèi)焊縫裂紋酸蝕形貌

2.3 未焊透檢測(cè)

在基準(zhǔn)探傷靈敏度下，從焊縫遞送邊側(cè)和自由邊側(cè)分別探傷時(shí)，遞送邊側(cè)和自由邊側(cè)一次波及二次波均能檢出缺陷，一次波比二次波探傷缺陷反射波波幅高，說(shuō)明缺陷位于焊縫中部稍偏下區(qū)域。兩側(cè)探傷缺陷反射波幅和顯示位置基本相當(dāng)，說(shuō)明兩側(cè)探傷缺陷反射源基本相同，在焊縫橫截面內(nèi)，缺陷左右基本對(duì)稱(chēng)。兩側(cè)探傷缺陷反射波幅很高，且缺陷反射波根部有一定的寬度，焊縫余高波明顯降低，說(shuō)明缺陷當(dāng)量較大。兩側(cè)探傷探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向移動(dòng)，從缺陷最高波降低到消失，缺陷反射波波高降低緩慢，且探頭有一定的前后移動(dòng)距離，說(shuō)明缺陷在深度方向尺寸大。遞送邊側(cè)和自由邊側(cè)探傷動(dòng)態(tài)波形基本相同，兩側(cè)一、二次波探傷均可以發(fā)現(xiàn)缺陷，兩側(cè)探傷缺陷波幅高度相當(dāng)，缺陷回波波幅較高，缺陷波根部有一定寬度，缺陷波峰尖銳。探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向平移并同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺陷反射波連續(xù)出現(xiàn)，缺陷有一定的指示長(zhǎng)度，且缺陷波幅起伏不大，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)缺陷反射波明顯降低或消失，說(shuō)明缺陷為線(xiàn)性缺陷，且兩側(cè)探傷缺陷反射源基本相同。根據(jù)超聲波探傷波形分析及X射線(xiàn)拍片、酸蝕形貌及金相驗(yàn)證，該缺陷為未焊透。一次波探傷未焊透波形如圖8所示，未焊透X射線(xiàn)拍片及酸蝕形貌如圖9所示。

圖8 一次波探傷未焊透波形

圖9 未焊透X射線(xiàn)拍片及酸蝕形貌

3 缺陷的定位、定量、定性分析

3.1 缺陷定位

在螺旋縫埋弧焊管的超聲波探傷中，使用焊縫中心Φ1.6 mm豎通孔進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)，同時(shí)可作為缺陷水平定基準(zhǔn)位。如果兩側(cè)探傷缺陷反射波波幅和顯示位置基本相當(dāng)，說(shuō)明兩側(cè)探傷缺陷反射源基本相同，在焊縫橫截面內(nèi)，缺陷左右基本對(duì)稱(chēng)，缺陷的方向與焊管表面垂直或近似垂直。如果兩側(cè)探傷缺陷反射波幅有較大的差異，顯示位置有一定的差異，說(shuō)明兩側(cè)探傷缺陷反射源不同，在焊縫橫截面內(nèi)，通過(guò)測(cè)量缺陷同Φ1.6 mm豎通孔基準(zhǔn)之差，可判斷缺陷水平位置。

在超聲波探傷中，缺陷深度根據(jù)焊管壁厚使用一、二次波進(jìn)行定位。一般情況下，缺陷由一次波檢驗(yàn)估判為內(nèi)焊縫缺陷，缺陷由二次波檢驗(yàn)估判為外焊縫缺陷，也可根據(jù)在焊縫不同深度制造人工標(biāo)樣進(jìn)行判定。

3.2 缺陷定量

如果缺陷反射波幅比基準(zhǔn)波幅高很多，且缺陷反射波根部較寬，焊縫余高波降低明顯，說(shuō)明缺陷當(dāng)量很大。如果缺陷反射波幅較基準(zhǔn)波幅有一定的高度，且缺陷反射波根部有一定寬度，焊縫余高波降低不明顯，說(shuō)明缺陷當(dāng)量較大。如果缺陷反射波幅較基準(zhǔn)波幅稍高，且缺陷反射波根部寬度小，焊縫余高波沒(méi)有降低，說(shuō)明缺陷當(dāng)量較小。探頭沿焊縫長(zhǎng)度方向移動(dòng)，且探頭有一定的前后移動(dòng)距離，如果從缺陷最高波降低到消失，缺陷反射波高降低緩慢，說(shuō)明缺陷在深度方向尺寸較大；如果探頭前后移動(dòng)距離較小，從缺陷最高波降低到消失，缺陷反射波高降低迅速，說(shuō)明缺陷在深度方向尺寸較小。

3.3 缺陷定性

（1）外焊縫裂紋。外焊縫裂紋大多位于外焊縫的中上部，裂紋的方向大多與焊管表面垂直或近似垂直，兩側(cè)一次波探傷不易發(fā)現(xiàn)該缺陷，二次波探傷時(shí)可以發(fā)現(xiàn)該缺陷。外焊縫裂紋反射波幅較高，波峰尖銳，波根部較寬，焊縫兩側(cè)探傷反射波幅相差不大，顯示位置基本相同，缺陷指示長(zhǎng)度相當(dāng)，缺陷顯示位置基本在焊縫中間。外焊縫裂紋使用探頭轉(zhuǎn)動(dòng)掃查時(shí)，缺陷反射波出現(xiàn)多峰，且波峰有上、下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，缺陷反射波降低明顯，探頭平移時(shí)反射波大多斷續(xù)出現(xiàn)，波幅有變化。

（2）內(nèi)焊縫裂紋。內(nèi)焊縫裂紋大多位于內(nèi)焊縫的根部，大多數(shù)裂紋的方向與焊管表面有一定角度，兩側(cè)一、二次波探傷均可發(fā)現(xiàn)該缺陷。內(nèi)焊縫有一定長(zhǎng)度，裂紋反射波幅較高，波峰尖銳，波根部較寬，通常遞送邊側(cè)的缺陷反射波幅比自由邊側(cè)高，顯示位置基本相同。探頭轉(zhuǎn)角掃查和環(huán)繞掃查時(shí)，缺陷反射波出現(xiàn)多峰，且波峰有上、下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，缺陷反射波降低明顯，探頭平移時(shí)反射波大多連續(xù)出現(xiàn)，波幅有變化，遞送邊側(cè)探傷的缺陷指示長(zhǎng)度通常比自由邊側(cè)長(zhǎng)，缺陷顯示位置略偏于自由邊。

（3）未焊透。未焊透大多位于焊縫的中部，未焊透的方向大多與探測(cè)面（母材表面）垂直，焊縫兩側(cè)一、二次波探傷均可以發(fā)現(xiàn)該缺陷。未焊透反射波波幅較高，波峰尖銳，波根部較寬。探頭轉(zhuǎn)動(dòng)掃查時(shí)，缺陷反射波降低明顯。探頭平移時(shí)，反射波連續(xù)出現(xiàn)，波幅較穩(wěn)定；探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反射波明顯降低或消失。焊縫兩側(cè)探傷波幅和顯示位置基本相同，缺陷顯示位置基本在焊縫中間。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)分析，并結(jié)合碳弧氣刨、取樣酸蝕和金相檢測(cè)，可準(zhǔn)確判別焊縫缺陷；

（2）通過(guò)超聲波檢測(cè)分析，總結(jié)出螺旋縫埋弧焊管焊縫裂紋、未焊透典型缺陷的超聲波探傷方法和定位、定量、定性規(guī)律。

（3）通過(guò)焊縫缺陷的無(wú)損檢驗(yàn)分析，可及時(shí)指導(dǎo)螺旋縫埋弧焊管的成型、焊接工藝，及時(shí)采取針對(duì)性的預(yù)防、控制、調(diào)整措施，盡可能避免危害性缺陷的產(chǎn)生，提高焊縫一次通過(guò)率。同時(shí)，及時(shí)指導(dǎo)焊縫補(bǔ)焊，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性修補(bǔ)，避免盲目修補(bǔ)，提高補(bǔ)焊一次成功率。