鋼結(jié)構(gòu)焊縫手工超聲波檢測(cè)方法要點(diǎn)及應(yīng)用

劉薇，劉保平，白錦軍

1.中國石油長(zhǎng)慶油田分公司 第二采氣廠（陜西 榆林 719000）2.中國石油長(zhǎng)慶油田分公司 技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西 西安 710018）3.慶陽長(zhǎng)慶工程檢測(cè)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(yàn)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(duì)于作用力垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向?qū)雍缚p受壓時(shí)質(zhì)量等級(jí)不低于二級(jí)[1]。而鋼結(jié)構(gòu)焊縫由于壁厚大，受現(xiàn)場(chǎng)限制條件多，而且探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)焊接質(zhì)量的評(píng)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(chǎng)手工探傷的方法為主。以長(zhǎng)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(diǎn)。

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(diǎn)。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(hào)E5015,牌號(hào)CHE507，規(guī)格Φ2.5、Φ3.2 mm。設(shè)計(jì)文件規(guī)定所有對(duì)接連接、T 型對(duì)接連接的全熔透焊縫的質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)合格。這里的二級(jí)合格，并不是無損檢測(cè)中缺陷評(píng)定的Ⅱ級(jí)，而是GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)焊縫質(zhì)量等級(jí)的規(guī)定，它包括焊縫外觀質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量評(píng)定兩部分內(nèi)容。而焊縫質(zhì)量為Ⅱ級(jí)的要求進(jìn)行20%超聲檢測(cè)，Ⅲ級(jí)合格[2]。施工現(xiàn)場(chǎng)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(cè)位置為對(duì)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(zhǔn)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(dòng)記錄、報(bào)警功能，功能設(shè)定自動(dòng)控制、信號(hào)獲取和處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作方便，檢測(cè)結(jié)果可記錄保存，屏幕顯示對(duì)比度高等優(yōu)點(diǎn)，適于室外及野外工地使用。

2.1.2 探頭

在橫波檢測(cè)中，探頭的K 值（或折射角）對(duì)檢測(cè)靈敏度、聲束軸線的方向、一次波的聲程（入射點(diǎn)至底面反射點(diǎn)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(duì)焊縫截面全覆蓋的要求，針對(duì)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(hào)試塊，其中1#試塊用來測(cè)定斜探頭的前沿距離和入射點(diǎn)、折射角、遠(yuǎn)場(chǎng)分辨力。RB-2 號(hào)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(chǎng)，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(dá)到檢測(cè)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(shí)可用水稀釋后再使用，以增加其流動(dòng)性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(shí)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(dá)到完全耦合、探頭自由滑動(dòng)為最佳。

2.2 儀器調(diào)整及靈敏度測(cè)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(cè)主要步驟。

2.2.1 探頭K值和前沿距離的測(cè)定

斜探頭入射點(diǎn)是其主聲束軸線與探測(cè)面的交點(diǎn)，入射點(diǎn)至探頭前沿的距離稱為探頭的前沿長(zhǎng)度。測(cè)定探頭的入射點(diǎn)和前沿長(zhǎng)度是為了測(cè)定探頭的K值并對(duì)缺陷進(jìn)行定位，經(jīng)在CSK-IA試塊上測(cè)定探頭K值和前沿距離，實(shí)測(cè)探頭K=2.5，折射角68.2°，零點(diǎn)3.90 μs，探頭前沿距離12 mm。

2.2.2 表面補(bǔ)償

超聲波檢測(cè)靈敏度的校準(zhǔn)都是在標(biāo)準(zhǔn)試塊上進(jìn)行，而實(shí)際檢測(cè)是在工件上進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的儀器靈敏度相當(dāng)于在被檢工件上與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比試塊上相同的基準(zhǔn)反射體上校準(zhǔn)的靈敏度。通過實(shí)測(cè)，表面補(bǔ)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(cè)定

在RB-2 試塊上通過深度1∶1 實(shí)測(cè)得到波幅的dB值，輸入時(shí)根據(jù)實(shí)際探頭參數(shù)、鋼材聲速、基準(zhǔn)波高為屏幕的80%，超聲檢測(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測(cè)超聲檢測(cè)檢測(cè)、技術(shù)等級(jí)和評(píng)定》，而對(duì)應(yīng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 29712—2013《焊縫無損檢測(cè)超聲檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)》。該工程中超聲檢測(cè)驗(yàn)收等級(jí)為2 級(jí)，查詢GB/T 29712—2013 標(biāo)準(zhǔn)圖A.3[3]，得到評(píng)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(dòng)區(qū)和檢測(cè)區(qū)

檢測(cè)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(jìn)行檢測(cè)，那么需要檢測(cè)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(cè)探頭型號(hào)：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(dòng)區(qū)的距離L=1.25P=2.5KT=2.5×2.5×21=131 mm，如圖2所示，檢測(cè)區(qū)寬度38 mm，檢測(cè)面寬度131 mm。

圖2 檢測(cè)區(qū)和檢測(cè)面圖

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1 對(duì)檢測(cè)部位的表面處理

在實(shí)際工作中，焊縫熱影響區(qū)10 mm 是一個(gè)假想?yún)^(qū)域，對(duì)于整個(gè)超聲波檢測(cè)，清理打磨的范圍是從焊縫兩側(cè)算起，即整個(gè)檢測(cè)面應(yīng)包括計(jì)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(shí)際上至少應(yīng)對(duì)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)大多采用電動(dòng)鋼絲刷進(jìn)行打磨處理，對(duì)焊接飛濺等難以去除的個(gè)別部位也可采用銼刀或砂紙手工進(jìn)行打磨處理，其表面粗糙度不應(yīng)超過6.3 μm。焊縫及檢測(cè)面經(jīng)外觀檢查合格后方可進(jìn)行檢測(cè)，并保證探頭在檢測(cè)面移動(dòng)區(qū)能自由移動(dòng)[5]。

3.2 檢測(cè)步驟

根據(jù)編制的超聲檢測(cè)操作指導(dǎo)書，用甘油作為耦合劑，超聲檢測(cè)最大的優(yōu)勢(shì)是檢測(cè)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(dāng)探頭垂直于焊縫由遠(yuǎn)及近移動(dòng)時(shí)，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(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，以適當(dāng)?shù)匿忼X形或探頭作適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷

根據(jù)監(jiān)理下發(fā)的超聲檢測(cè)指令在對(duì)長(zhǎng)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(jìn)行檢測(cè)時(shí)，焊縫號(hào)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(dāng)量SL+18dB，儀器上顯示深度14.04 mm，水平距離62.26 mm，缺陷長(zhǎng)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(hào)筆對(duì)缺陷位置進(jìn)行標(biāo)記，并由施工單位對(duì)缺陷部位進(jìn)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(cè)后儀器和探頭系統(tǒng)的復(fù)核

每個(gè)工作班次探傷結(jié)束后，用試塊對(duì)儀器及探頭系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)核，以驗(yàn)證系統(tǒng)性能的誤差，檢測(cè)公司質(zhì)量體系文件規(guī)定以不大于±2 dB為合格。檢測(cè)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(cè)工藝規(guī)程的規(guī)定。

圖5 檢測(cè)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(dòng)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(jì)，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(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生交變應(yīng)力，這類鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)文件中以疲勞破壞的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。但這些鋼結(jié)構(gòu)焊縫有一個(gè)共同特點(diǎn)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(dòng)載荷與交變應(yīng)力時(shí)這些缺陷隨時(shí)有擴(kuò)展為新的裂紋的傾向，為此鋼結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)應(yīng)重點(diǎn)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(cè)尤其以超聲波檢測(cè)最為靈敏，是檢測(cè)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中Q355B 鋼材，即舊標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1591—2008 中的Q345B，它是一種低合金高強(qiáng)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(fèi)少，也同樣會(huì)產(chǎn)生較大的變形[5]。對(duì)于采用什么樣的坡口形式，要考慮焊接方便，減少工時(shí)等因素，這些在設(shè)計(jì)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(dòng)不當(dāng)?shù)仍蚨际窃斐蓪娱g未熔合的主要原因。

4 建議

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行超聲波探傷時(shí)，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(duì)錯(cuò)邊量及焊件結(jié)構(gòu)等信息，準(zhǔn)確判定示波屏上的信號(hào)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(duì)缺陷的性質(zhì)判定結(jié)果有懷疑時(shí)，應(yīng)輔以射線檢測(cè)或其他無損檢測(cè)方法作進(jìn)一步驗(yàn)證。對(duì)于厚度較大的焊縫進(jìn)行超聲波探傷時(shí)，盡可能利用直射波進(jìn)行雙面檢測(cè)，以發(fā)現(xiàn)缺陷。

4.1 檢測(cè)前的準(zhǔn)備工作

石油天然氣行業(yè)的超聲波檢測(cè)常用的是承受內(nèi)壓的圓筒形壓力容器和壓力管道，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)焊縫，因平時(shí)應(yīng)用較少，因此檢測(cè)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。探傷前檢測(cè)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(jìn)行檢測(cè)，探頭的檢測(cè)區(qū)應(yīng)能自由移動(dòng)，并保證與檢測(cè)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(diǎn)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(duì)比度高，既使在強(qiáng)光下缺陷波也易識(shí)別，反射波達(dá)到Ⅲ區(qū)可自動(dòng)報(bào)警，以便引起檢測(cè)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(gè)焊縫截面。

4.3 檢測(cè)操作中提高工作責(zé)任心

檢測(cè)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(cè)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(cè)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(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)，才能做好此項(xiàng)工作。