鋼結(jié)構(gòu)焊縫手工超聲波檢測方法要點及應(yīng)用

劉薇，劉保平，白錦軍

1.中國石油長慶油田分公司 第二采氣廠（陜西 榆林 719000）

2.中國石油長慶油田分公司 技術(shù)監(jiān)測中心（陜西 西安 710018）

3.慶陽長慶工程檢測有限責(zé)任公司（甘肅 慶陽 745100）

近年來鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用越來越廣泛，鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量檢驗中，超聲波探傷是應(yīng)用最廣泛的方法之一，根據(jù)GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》規(guī)定，對于作用力垂直于焊縫長度方向的橫向?qū)雍缚p受壓時質(zhì)量等級不低于二級[1]。而鋼結(jié)構(gòu)焊縫由于壁厚大，受現(xiàn)場限制條件多，而且探傷結(jié)果的準確性對焊接質(zhì)量的評判起到?jīng)Q定性的作用。目前鋼結(jié)構(gòu)焊縫仍然采用數(shù)字式超聲儀，以現(xiàn)場手工探傷的方法為主。以長慶氣田某凈化廠氣質(zhì)提升工程供熱系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)工程為例介紹手工超聲波探傷的技術(shù)要點。

1 工程概況

該鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料以H 型鋼為主，材質(zhì)為Q355B，連接形式主要為焊接，焊接質(zhì)量是控制的重點。采用手工形式的焊接工藝，先焊接筋板焊縫，后焊接螺栓連接板與柱、梁的連接焊縫，焊條型號E5015,牌號CHE507，規(guī)格Φ2.5、Φ3.2 mm。設(shè)計文件規(guī)定所有對接連接、T 型對接連接的全熔透焊縫的質(zhì)量等級為二級合格。這里的二級合格，并不是無損檢測中缺陷評定的Ⅱ級，而是GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準》對焊縫質(zhì)量等級的規(guī)定，它包括焊縫外觀質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量評定兩部分內(nèi)容。而焊縫質(zhì)量為Ⅱ級的要求進行20%超聲檢測，Ⅲ級合格[2]。施工現(xiàn)場先預(yù)制后組裝焊接,如圖1 所示。工件規(guī)格HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm，檢測位置為對接焊縫，坡口形式V型背面加墊板的單面焊，焊縫部位母材厚度21 mm，焊縫余高0～3 mm。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制

2 超聲波探傷前準備

2.1 儀器及材料

2.1.1 超聲波探傷儀

目前已廣泛應(yīng)用數(shù)字式超聲探傷儀，現(xiàn)以CTS-9008數(shù)字超聲探傷儀為例來說明，它具有缺陷自動記錄、報警功能，功能設(shè)定自動控制、信號獲取和處理實現(xiàn)自動化，操作方便，檢測結(jié)果可記錄保存，屏幕顯示對比度高等優(yōu)點，適于室外及野外工地使用。

2.1.2 探頭

在橫波檢測中，探頭的K 值（或折射角）對檢測靈敏度、聲束軸線的方向、一次波的聲程（入射點至底面反射點的距離）有較大影響。在超聲波探傷前，首先應(yīng)滿足直射波和一次反射波對焊縫截面全覆蓋的要求，針對此工程可選用5P8 mm×8 mm 斜探頭。

2.1.3 試塊

1#試塊，即 NB47013.3 中的 CSK-1A 試塊和GB 11345—2013 中的 RB-2 號試塊，其中 1#試塊用來測定斜探頭的前沿距離和入射點、折射角、遠場分辨力。RB-2 號試塊為Φ3 mm 橫通孔，用于制作距離—波幅曲線。

2.1.4 耦合劑

在鋼結(jié)構(gòu)焊縫探傷現(xiàn)場，耦合劑用于排除探頭與焊縫兩側(cè)工件之間的空氣，使超聲波能有效地傳入工件，達到檢測的目的，另外還有減少探頭磨損的作用。選用甘油作為超聲耦合劑，其聲阻抗大、耦合效果好，使用時可用水稀釋后再使用，以增加其流動性。根據(jù)經(jīng)驗，甘油與水的比例以1∶2～1∶3為宜，若工件表面光潔度較高時則用水稀釋的比例可適應(yīng)增大至1∶3；反之，以1∶2 左右的比例較為適宜，以排除探頭與工件間的空氣、達到完全耦合、探頭自由滑動為最佳。

2.2 儀器調(diào)整及靈敏度測定

以工件規(guī)格HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm為例來說明超聲儀的調(diào)整及檢測主要步驟。

2.2.1 探頭K值和前沿距離的測定

斜探頭入射點是其主聲束軸線與探測面的交點，入射點至探頭前沿的距離稱為探頭的前沿長度。測定探頭的入射點和前沿長度是為了測定探頭的K值并對缺陷進行定位，經(jīng)在CSK-IA試塊上測定探頭K值和前沿距離，實測探頭K=2.5，折射角68.2°，零點3.90 μs，探頭前沿距離12 mm。

2.2.2 表面補償

超聲波檢測靈敏度的校準都是在標準試塊上進行，而實際檢測是在工件上進行。兩者的表面粗糙度有較大差別，兩者之間也存在著耦合損耗，所以必須進行補償，補償后的儀器靈敏度相當于在被檢工件上與標準對比試塊上相同的基準反射體上校準的靈敏度。通過實測，表面補償量為3 dB,探傷靈敏度Φ3×40-17dB作為探傷靈敏度。

2.2.3 儀器及探頭系統(tǒng)測定

在RB-2 試塊上通過深度1∶1 實測得到波幅的dB值，輸入時根據(jù)實際探頭參數(shù)、鋼材聲速、基準波高為屏幕的80%，超聲檢測采用標準GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測超聲檢測檢測、技術(shù)等級和評定》，而對應(yīng)的評定標準為GB/T 29712—2013《焊縫無損檢測超聲檢測驗收等級》。該工程中超聲檢測驗收等級為2 級，查詢GB/T 29712—2013 標準圖A.3[3]，得到評定線與定量線均為：Φ3×40-14dB，在儀器面板上這兩條線是重合的，導(dǎo)致距離—波幅曲線圖中只顯示了Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū),即傳統(tǒng)意義上的Ⅰ區(qū)消失了。

2.2.4 探頭移動區(qū)和檢測區(qū)

檢測區(qū)域的寬度應(yīng)是焊縫本身再加上焊縫兩側(cè)至少10 mm 的一段區(qū)域[4]，該鋼結(jié)構(gòu)焊縫寬度為15～18 mm，由于是單面雙側(cè)進行檢測，那么需要檢測的區(qū)域10+18+10=38 mm。該鋼結(jié)構(gòu)工程選用的超聲波檢測探頭型號：5P8 mm×8 mm（K=2.5），則焊縫兩側(cè)應(yīng)清理打磨的寬度L=1.25P，其中P=2KT，則探頭前后移動區(qū)的距離L=1.25P=2.5KT=2.5×2.5×21=131 mm，如圖2所示，檢測區(qū)寬度38 mm，檢測面寬度131 mm。

圖2 檢測區(qū)和檢測面圖

3 現(xiàn)場檢測

3.1 對檢測部位的表面處理

在實際工作中，焊縫熱影響區(qū)10 mm 是一個假想?yún)^(qū)域，對于整個超聲波檢測，清理打磨的范圍是從焊縫兩側(cè)算起，即整個檢測面應(yīng)包括計算得到的131 mm 和熱影響區(qū)10 mm 在內(nèi)，理論值是141 mm。而實際上至少應(yīng)對焊縫兩側(cè)各150 mm范圍內(nèi)清除所有焊接飛濺、銹蝕、氧化皮及其他雜質(zhì)，檢測現(xiàn)場大多采用電動鋼絲刷進行打磨處理，對焊接飛濺等難以去除的個別部位也可采用銼刀或砂紙手工進行打磨處理，其表面粗糙度不應(yīng)超過6.3 μm。焊縫及檢測面經(jīng)外觀檢查合格后方可進行檢測，并保證探頭在檢測面移動區(qū)能自由移動[5]。

3.2 檢測步驟

根據(jù)編制的超聲檢測操作指導(dǎo)書，用甘油作為耦合劑，超聲檢測最大的優(yōu)勢是檢測面積型或線性缺陷，而這些缺陷一般順著焊縫方向或平行于焊縫，如根部未焊透、未熔合或坡口未熔合，采用矩形掃查法可以得到缺陷的最大反射波[6-8]，當探頭垂直于焊縫由遠及近移動時，分別用一次反射波過渡到直射波掃查焊縫上、中部及根部缺陷，如圖3 所示。當發(fā)現(xiàn)缺陷時，以適當?shù)匿忼X形或探頭作適當轉(zhuǎn)動，以判定缺陷走向，以便獲得缺陷的最大回波。相鄰兩次探頭移動間距至少有探頭寬度10%的重疊，掃查速度不大于150 mm/s，探頭前后移動范圍內(nèi)應(yīng)保證直射波和一次反射波掃查全部焊縫截面和熱影響區(qū)。

圖3 矩形掃查示意圖

3.2.1 檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷

根據(jù)監(jiān)理下發(fā)的超聲檢測指令在對長慶氣田某采氣廠天然氣氣質(zhì)提升工程硫磺回收尾氣處理裝置工程鋼結(jié)構(gòu)HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm，材質(zhì)Q355B 共6 道焊縫進行檢測時，焊縫號WQ-CZPT-H002-A1-3-2有一明顯的缺陷反射波，缺陷位于Ⅲ區(qū)，缺陷當量SL+18dB，儀器上顯示深度14.04 mm，水平距離62.26 mm，缺陷長度40 mm，該缺陷判定為不合格，記錄如圖4 所示。發(fā)現(xiàn)缺陷后用醒目的記號筆對缺陷位置進行標記，并由施工單位對缺陷部位進行打磨，從深度14 mm開始，缺陷一直延伸到內(nèi)表面直至墊板，說明加墊板的內(nèi)表面未熔合。

圖4 缺陷記錄顯示

3.2.2 檢測后儀器和探頭系統(tǒng)的復(fù)核

每個工作班次探傷結(jié)束后，用試塊對儀器及探頭系統(tǒng)進行復(fù)核，以驗證系統(tǒng)性能的誤差，檢測公司質(zhì)量體系文件規(guī)定以不大于±2 dB為合格。檢測后儀器和探頭系統(tǒng)的復(fù)核記錄如圖5 所示，說明超聲儀器和探頭性能滿足超聲波檢測工藝規(guī)程的規(guī)定。

圖5 檢測后復(fù)核記錄

3.3 產(chǎn)生缺陷的原因分析

鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)承受載荷的不同一般有3 種形式：①承受靜載荷，例如鋼結(jié)構(gòu)上安裝有壓力容器、管道及其他載重物等形式；②承受動載荷，例如鐵路、公路中用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架；③按疲勞設(shè)計，即存在交變應(yīng)力的狀況。例如鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架上安裝有循環(huán)往復(fù)泵，往復(fù)式壓縮機等設(shè)備，這些設(shè)備運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生交變應(yīng)力，這類鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計文件中以疲勞破壞的形式進行設(shè)計。但這些鋼結(jié)構(gòu)焊縫有一個共同特點就是不允許存在裂紋、未熔合、未焊透及咬邊等帶尖端的線性缺陷，尤其是承受動載荷與交變應(yīng)力時這些缺陷隨時有擴展為新的裂紋的傾向，為此鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測應(yīng)重點排查以上幾類缺陷，焊縫咬邊屬外觀缺陷檢查的范疇，而其他缺陷采用無損檢測尤其以超聲波檢測最為靈敏，是檢測這類缺陷的最有效的方法，這樣才能保證鋼結(jié)構(gòu)的安全并保證其使用功能[9-10]。

由于該鋼結(jié)構(gòu)采用的GB/T 1591—2018《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》中Q355B 鋼材，即舊標準GB/T 1591—2008 中的Q345B，它是一種低合金高強度鋼，在石化企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但由于焊件厚度較大，坡口形式有 X 型、V 型、U 型等多種形式，V 型坡口加工方便，但相比X型坡口來說焊材消耗多，焊后變形量大，U型坡口相比V型坡口焊條耗費少，也同樣會產(chǎn)生較大的變形[5]。對于采用什么樣的坡口形式，要考慮焊接方便，減少工時等因素，這些在設(shè)計文件中有明確要求。

由于采用的手工電弧焊，使用E5015，CHE507堿性焊條，本鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用5～6層的多層焊焊接工藝，層間清渣不徹底、不干凈，焊接電流太小、焊速過快，焊條偏芯或焊條角度擺動不當?shù)仍蚨际窃斐蓪娱g未熔合的主要原因。

4 建議

對鋼結(jié)構(gòu)焊縫進行超聲波探傷時，應(yīng)了解坡口形式、焊接方法、雙面焊還是單面焊或者加墊板的單面焊，組對錯邊量及焊件結(jié)構(gòu)等信息，準確判定示波屏上的信號是幾何反射波還是缺陷波。由于A型脈沖反射超聲波探傷所顯示的缺陷波，不能直接反映缺陷的形狀，若對缺陷的性質(zhì)判定結(jié)果有懷疑時，應(yīng)輔以射線檢測或其他無損檢測方法作進一步驗證。對于厚度較大的焊縫進行超聲波探傷時，盡可能利用直射波進行雙面檢測，以發(fā)現(xiàn)缺陷。

4.1 檢測前的準備工作

石油天然氣行業(yè)的超聲波檢測常用的是承受內(nèi)壓的圓筒形壓力容器和壓力管道，對于鋼結(jié)構(gòu)焊縫，因平時應(yīng)用較少，因此檢測前應(yīng)熟悉GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》和GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準》標準規(guī)范。探傷前檢測面的清潔處理十分重要，焊縫應(yīng)經(jīng)過外觀檢查合格后方可進行檢測，探頭的檢測區(qū)應(yīng)能自由移動，并保證與檢測面之間的良好接觸。

4.2 正確選擇儀器、探頭

數(shù)字式超聲波探傷儀另一優(yōu)點是距離—波幅曲線用黃色顯示，黑屏上缺陷波用黃綠色波線顯示，對比度高，既使在強光下缺陷波也易識別，反射波達到Ⅲ區(qū)可自動報警，以便引起檢測人員注意。另外橫波斜探頭根據(jù)厚度的不同選用不同的K值，探傷用直射波和一次反射波，保證掃查到整個焊縫截面。

4.3 檢測操作中提高工作責(zé)任心

檢測人員的工作責(zé)任心極其重要，石油天然氣行業(yè)大多數(shù)情況下檢測環(huán)境地處空曠的室外或野外，工作環(huán)境差，因此要求檢測人員不但要有精湛的技術(shù)，而且要有吃苦耐勞的精神，另外還應(yīng)按照監(jiān)理指令和相關(guān)設(shè)計要求進行檢測，才能做好此項工作。