焊接接頭超聲波檢測(cè)中變形波分析

摘 要：目前在特種設(shè)備生產(chǎn)和定期檢驗(yàn)過(guò)程中，超聲檢測(cè)和射線檢測(cè)是常用方法，在定期檢驗(yàn)過(guò)程中，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)位置所限，超聲檢測(cè)應(yīng)用尤其普遍。影響超聲檢測(cè)結(jié)果的因素較多，如焊接接頭的坡口形式、檢測(cè)面的打磨情況、焊縫余高是否磨平等。在焊縫余高未磨平的情況下，在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，容易出現(xiàn)除切線反射波外的變形波，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的判定造成干擾。因此在超聲檢測(cè)過(guò)程中，是否能準(zhǔn)確識(shí)別變形波，是得出正確檢測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵?，F(xiàn)通過(guò)實(shí)際探傷實(shí)例，對(duì)變形波產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)及判別方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：壓力容器；超聲波檢測(cè)；變形波

中圖分類號(hào)：TH49" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）04-0063-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.015

0" " 引言

在特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中，缺陷的正確識(shí)別和判定是對(duì)無(wú)損檢測(cè)人員能力的基本要求，更是特種設(shè)備安全運(yùn)行的重要保障。當(dāng)檢測(cè)人員無(wú)法正確識(shí)別缺陷時(shí)，可能會(huì)造成生產(chǎn)的延期甚至發(fā)生嚴(yán)重的特種設(shè)備事故，危及人民生命及財(cái)產(chǎn)安全。在檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)人員若將偽缺陷判定為缺陷，一般不會(huì)造成特種設(shè)備安全事故，但是在清除判定的“缺陷”及返修的過(guò)程中，有可能產(chǎn)生新的“缺陷”，輕則增加生產(chǎn)單位的時(shí)間成本，重則造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p傷，乃至報(bào)廢。

1" " 變形波實(shí)例

2018年4月，對(duì)宿州市碭山縣一臺(tái)液化石油氣儲(chǔ)罐進(jìn)行定期檢驗(yàn)，該壓力容器筒體材質(zhì)為Q345R，名義厚度18 mm，坡口形式為X形坡口，焊接接頭采用埋弧焊焊接?，F(xiàn)場(chǎng)采用超聲波探傷，其中筒體兩條環(huán)焊縫在焊縫右側(cè)掃查時(shí)出現(xiàn)多處異常反射信號(hào)，反射面位置在焊接接頭左側(cè)熱影響區(qū)、深度距上表面11 mm處，在焊縫左側(cè)掃查過(guò)程中則未發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)。為明確反射信號(hào)產(chǎn)生的原因，檢驗(yàn)人員根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]進(jìn)行追加檢測(cè)，在提高檢測(cè)比例的同時(shí)，更換超聲波探頭（現(xiàn)場(chǎng)使用K2.5，更換為K1.0）對(duì)標(biāo)記焊縫進(jìn)行掃查，掃查過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)異常反射信號(hào)。為確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，又采用X射線依標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該標(biāo)記焊縫進(jìn)行透照，檢測(cè)結(jié)果同樣未發(fā)現(xiàn)異常（圖1）。對(duì)焊縫雙面余高進(jìn)行磨平處理，再次進(jìn)行掃查，異常信號(hào)消失。

2" " 變形波產(chǎn)生機(jī)理及在示波屏上出現(xiàn)的位置

2.1" " 橫波斜入射的波形轉(zhuǎn)換及反射、折射

在焊接接頭的超聲檢測(cè)中一般使用橫波（下文所述入射波均為橫波），橫波在兩個(gè)不同介質(zhì)的分界面上會(huì)產(chǎn)生反射和折射，超聲檢測(cè)即通過(guò)接收到的反射波來(lái)判斷被檢物件中有無(wú)缺陷。但是在橫波入射時(shí)產(chǎn)生的反射波和折射波中，除了橫波外，還有縱波存在（圖2），即本文討論的變形波。

反射波和折射波的反射和折射路徑符合反射、折射定律：

式中：cL1、cS1分別為入射介質(zhì)中縱、橫波聲速；cL2、cS2分別為被檢介質(zhì)中縱、橫波聲速；αS為橫波入射角度；αL′、αS′分別為入射介質(zhì)中縱、橫波反射角度；βL、βS分別為被檢介質(zhì)中縱、橫波折射角度。

因?yàn)槁曀僭阡摬闹锌v波聲速cL1約為橫波聲速cS1的1.8倍，由式（1）可知，αL′＞αS，當(dāng)αS增加時(shí)，αL′隨之增加，當(dāng)αS增加到某一特定角度時(shí)，αL′=90°。這時(shí)所對(duì)應(yīng)的橫波入射角αS稱為第三臨界角αⅢ。

當(dāng)αS≥αⅢ時(shí)，在第一介質(zhì)中只有反射橫波，沒(méi)有反射縱波，即橫波全反射。

當(dāng)αS＜αⅢ時(shí)，在第一介質(zhì)中既有反射橫波，又有反射縱波。

2.2" " 焊縫中的變形波

當(dāng)聲波到達(dá)焊接接頭對(duì)側(cè)表面時(shí)，若存在可以使αS＜αⅢ的特殊部位，那么在反射聲波中就既存在反射橫波S′，又存在變形反射縱波L′，如圖3所示。

焊縫中產(chǎn)生變形縱波以后，由于反射角度的原因，并不一定能被檢測(cè)探頭接收從而在顯示屏上出現(xiàn)，只有在某些特定位置或形狀（如圓滑過(guò)渡的焊縫融合線、某些焊縫余高或焊瘤處）可以讓折射縱波與兩相分界面垂直，此時(shí)折射縱波會(huì)由于反射，產(chǎn)生新的反射縱波和變形反射橫波，并且兩種反射波都會(huì)沿原路徑返回，從而被超聲波探頭接收并在顯示屏上顯示出來(lái)，形成所謂的變形波（圖4和圖5）。

2.3" " 變形波在示波屏上出現(xiàn)的位置

變形縱波在示波屏上出現(xiàn)的位置應(yīng)在一次底波和二次底波之間，其具體出現(xiàn)位置可以根據(jù)實(shí)際探傷工件的厚度、探頭K值以及定標(biāo)方法等通過(guò)以下方法確定。

假設(shè)實(shí)際探傷中工件的厚度為T，探頭折射角為βS，按深度1：1定標(biāo)。變形縱波的聲程為厚度T，相當(dāng)于橫波的聲程S=T×，則變形縱波在示波屏上的具體位置應(yīng)為：

若考慮焊縫的余高，設(shè)焊縫上表面余高為t1，下表面余高為t2，則上式應(yīng)為：

本次檢測(cè)過(guò)程中，實(shí)際探測(cè)工件厚度為17 mm，上下焊縫余高均在1.5 mm左右，若為變形波則其位置應(yīng)為：

超聲波檢測(cè)儀顯示的波形深度為距離上表面11 mm，預(yù)設(shè)工件厚度為17 mm，則顯示數(shù)據(jù)Th=

2T-T′=11.44 mm?？梢?jiàn)，超聲波示波器上的位置與變形波可能出現(xiàn)的位置相差不大。

2.4" " 實(shí)際檢測(cè)中常見(jiàn)對(duì)接接頭出現(xiàn)變形波的可能性分析

2.4.1" " 焊接接頭余高較大且呈半圓形

余高比較大且呈半圓形的焊接接頭，橫波傾斜入射時(shí)，會(huì)在下表面形成反射橫波及變形反射縱波，但是由于上表面余高呈半圓形，其變形縱波在上表面再次反射時(shí)，反射縱波不能按照原路徑返回，而是按照與變形縱波分布在法線兩側(cè)且角度相等的方向傳播，故不能在示波屏上顯示，如圖6所示。變形縱波只有在正好垂直入射到熔合線的情況下，才有可能出現(xiàn)在示波屏上，如圖7所示，但這種情況概率比較低。因此，這種結(jié)構(gòu)對(duì)接接頭較難在示波屏上形成變形波。

2.4.2" " 余高較低的半橢圓形對(duì)接接頭

這種焊縫余高邊緣較為陡直，上部較為平緩，近似半橢圓形。橫波傾斜入射時(shí)同樣會(huì)形成反射橫波及變形縱波，變形縱波入射上部較為平緩的部位時(shí)反射回來(lái)，如圖8所示，在示波屏上出現(xiàn)變形波?；蛘咦冃慰v波入射到上表面熔合線處，也會(huì)在示波屏上出現(xiàn)變形波。

2.4.3" " 余高磨平的對(duì)接接頭

焊縫余高磨平時(shí)，對(duì)于上下表面平行的工件而言，焊縫底部橫波入射角αS與探頭的折射角βS相等，如圖9所示。對(duì)于鋼材質(zhì)而言，第三臨界角αⅢ約為33.2°。而工業(yè)超聲波探傷用探頭基本為K1、K2、K2.5等常規(guī)探頭，其折射角度大于αⅢ，因此在工件中只有反射橫波，無(wú)變形縱波，即橫波全反射，也就不存在變形波。

3" " 結(jié)論及建議

根據(jù)上述分析，此次液化石油氣儲(chǔ)罐定期檢驗(yàn)過(guò)程中，超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的異?；夭☉?yīng)為焊縫余高未磨平導(dǎo)致的入射橫波在焊縫中傳播時(shí)產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換，從而造成的偽缺陷回波。

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)被檢測(cè)焊接接頭符合NB/T 47013.3—2023《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》[2]中應(yīng)將焊縫余高磨平的條件時(shí)，應(yīng)按規(guī)范將焊縫余高磨平，若現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不符合該條件或不允許將焊縫余高磨平，則應(yīng)在檢測(cè)前通過(guò)理論計(jì)算預(yù)估是否會(huì)出現(xiàn)變形波，通過(guò)以下幾種方法對(duì)檢測(cè)中出現(xiàn)的“缺陷波”進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，避免將偽缺陷判定為缺陷，保證檢測(cè)結(jié)果的正確性。

1）位置計(jì)算。根據(jù)上述公式及實(shí)際探傷工件和所用探頭，可計(jì)算出變形波在示波屏上的位置，若實(shí)際反射波在示波屏的位置與計(jì)算位置相同或相差不大，則有可能是變形波，反之則不是。

2）增加不同K值的探頭檢測(cè)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)采用某種K值探頭檢測(cè)時(shí)，若發(fā)現(xiàn)疑似變形波，應(yīng)更換不同K值探頭重新進(jìn)行檢測(cè)，若反射信號(hào)仍在同一位置出現(xiàn)，則為缺陷波。若此波消失或反射信號(hào)重新出現(xiàn)在此探頭變形波的計(jì)算位置附近，則應(yīng)為變形波。

3）觀察波形。若反射信號(hào)在一次底波后、二次底波前且呈典型的“山”字形，那么，此信號(hào)應(yīng)該是變形波的特例“山”形波。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程：TSG 21—2016[S].

[2] 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)：NB/T 47013.3—2023[S].

收稿日期：2024-10-21

作者簡(jiǎn)介：李雙（1988—），男，安徽宿州人，工程師，從事鍋爐、壓力容器檢驗(yàn)工作。