小径管对接环焊缝的超声波探伤

小径管对接环焊缝的超声波探伤

1.摘要
在锅炉压力容器制造及压力管道的安装生产中，经常碰到管子对接焊缝的无损检测问题。一般情况下这些焊缝多采用射线检测方法，但在一些特殊情况下，射线检测难以进行，就需要用超声波来进行检测。对于大直径厚壁管对接焊缝，其超声波检测方法与平板对接焊缝无多大区别，而小直径薄壁对接焊缝的超声波检测就有其特殊性。在实际探伤实践中要依据所探管子的直径、壁厚、焊缝的焊接方法和检测标准，正确地选择仪器、探头、试块，并能在实际探伤探伤中对缺陷作出正确地判断。
关键词：小径薄壁管 几何散射 几何反射波 缺陷
2.小直径薄壁管对接焊缝超声波探伤的影响因素
2．1几何散射的影响
几何散射的影响主要来自两个方面：
2．1、1接触面的几何散射：由于小直径管其曲率较大而探头楔块多为平面，这样其与管子的接触面就变小，在探头与管子不能很好吻合的部位，晶片发出的超声波在管子外表面就会产生散射。众所周知，超声倾斜入射到异质界面时，会产生折射、反射和波型转换现象，折射方向遵循折射定律：
C1/C2=sinα/sinβ
C1—***介质中的声速
C2—第二介质中的声速
α—***介质中的超声波入射角
β—第二介质中的超声波折射角
在探头有机玻璃楔块与钢管不能完全吻合时，超声波探头所发射的声波就不能完全折射到到管子里，在管子外表面产生反射。如图1所示。这样超声波的强度就大大降低，影响了探伤灵敏度。

图1 管子外壁的散射
2．1．2探头边缘声束的散射
如果将有机玻璃楔块磨成圆弧，与管子外壁较好吻合，但晶片的边缘声束在折射到管子时，也会产生强烈的散射现象。晶片越大，散射就严重。如图2所示，晶片1<晶片2，折射到管子里的声波β1＜β2
   

  

亦即晶片2的散射较晶片1大。经过实践证明，对于小直径薄壁管超声波探伤时，为了减小几何散射的影响，先将探头楔块磨成园弧状，晶片尺寸选择在6-10㎜之内，这样散射现象不十分严重，且探伤灵敏度也能满足要求。
2．2几何反射波的影响
由半扩散角公式θ＝arcsin(k•λ/D)可知，晶片尺寸变小时,θ角将增大，指向性变差。频率增大时，λ变小，θ值变小，指向性较好。采用方形晶片时，K=1。圆形晶片时，K=1.22。为了克服由于晶片小，指向性差，工件壁厚薄焊缝根部及焊缝表面几何反射波杂乱的现象，就需要提高晶片的频率和适当增大晶片尺寸。所以选用晶片边长D不太小，频率为5MHZ的晶片，可使几何反射波大大减小。
2．3缺陷***的影响
由于几何反射信号的存在，在探伤中***方法的选取就很重要。为了***的准确，必须在调整仪器时利用远场区进行***。由横波声场第二介质中的近场长度公式N=(FS/πλ2)•(cosβ/cosα)-(L1tgα/tgβ)可知，在探头晶片频率一定时，要使N变小，就必须减小FS。 通过计算表明，当方形晶片D≤8㎜ 时，即可满足要求。比如，选用D=8㎜,频率为5MHZ,K=2.5, 斜探头入射点至晶片距离L=12㎜, 探伤壁厚为6㎜的管子对接焊缝，其在第二介质中的近场长度 N=(8×8/3.14×0.646)×0.6-(12×0.5)=12.93㎜,在6㎜壁厚的管子中，K=2.5探头一的一次声程S=6/cos68.3=16.2㎜，管子中一次声程已大于探头的近场长度，可以满足远场***的要求。
3.1探伤操作：
3．1试块、仪器、探头的基本要求
3．1．1目前无论是电力系统，还是石油系统，都在标准中规定了试块的型号，不同的直径有不同的试块。

图3 DL-1型小管焊缝专用试块

图4 JB4730-2005 GS试块
3.1.2仪器
仪器***好选用数字式超声波探伤仪，其工作频率应该是1-10MHZ范围，分辨力要求在声程差2㎜时，不低于26dB，仪器与探头的组合灵敏度在探测20㎜深的Φ1横通孔波高二格高时，仪器灵敏度至少有20 dB以上的余量，仪器的始波宽度5MHZ时，不超过2.5㎜（相当于钢中深度）。
3.1.3探头
晶片尺寸选用8×8㎜ 或者6×6㎜ , K值选用2.5~3.0，探头的楔块依照不同管径磨成不同园弧，以使其与管子吻合好。探头前沿长度在5～8㎜范围，要求一次波必须能扫查到焊缝根部。JB4730-2005标准推荐用双晶斜探头或线聚焦探头。 频率5MHZ。
3.2仪器的调整
3.2.1扫描比例调整：在小管探伤试块上，选择15㎜和5㎜深的两个孔，按水平1：1***法调节扫描基线，并用10㎜深的孔进行校准。（也可采用声程***法进行调节）
3.2.2探伤灵敏度的调节
探伤灵敏度的确定，不同标准有不同的要求。如电力行业DL/T820-2002标准中对中小径管焊接接头管子壁厚小于6㎜时，DAC曲线的绘制方法是将h=5㎜的Φ1横通孔回波调节到垂直刻度的80%高，画一条直线，用于一次波检验，然后降低 4dB 再画一条线用于二次波检验。检测灵敏度是DAC-10dB。石油***行业的 SY4065-93标准DAC曲线的绘制方法和JB4730-94标准中规定的方法基本相同,只是其判废灵敏度为DAC-2dB，定量灵敏度DAC-8dB ，评定灵敏度DAC-14dB。
对未焊透的评定，标准要求用未焊透对比试块来进行评定，DL/T820-2002标准中规定用半月状刻槽试块,而SY4065-93标准用宽度为1㎜,深度为管子壁厚10%的对比试块，只要波高超过人工刻槽的未焊透就是不允许存在的缺陷。
3.3实际检测
3.3.1观察区的确定
由于小管焊缝壁厚较薄，又常用水平或者声程***，所以在探伤时，首先要分清一次波，二次波及三次波出现的区域，用标记点标注在仪器荧光屏上。为了减少鉴别反射信号的工作量,把荧光屏上经常出现的几何反射信号的区域称之为非观察区，而把缺陷信号经常出现的区域称之为观察区。如根部未焊透经常出现在一次波前附近区域，沿坡口未熔合经常出现在一、二次波之间的区域。在管子壁厚小于8㎜时，常常利用三次波来判断根部缺陷，各观察区如图5、图6。

图5 一、二次波观察区

图6 三次波观察区
对于不开坡口或钝边不大于2㎜的V型坡口焊缝，现大多采用氢弧焊，这类焊缝由于根部较少产生未熔合缺陷，用一次波或三次波就能较好地发现根部缺陷。
3.3.2耦合剂：选用甘油、浆糊、机油等。
3.3.2.3探头扫查方式：多采用锯齿扫查，探头前后移动距离要保证三次波能扫查到焊缝根部，对根部缺陷用***法扫查。
4.波形分析
4.1几何反射波
4.1.1“底波”信号：如果焊缝根部表面比较平滑，不具备反射条件时，不出现“底波”信号。一般情部下，焊缝根部大多具备反射条件，因此会出现“底波”（一次波）。
4.1.2焊缝余高反射信号：当探头稍往后移动，二次波会扫查到余高与母材的过度区，会出现反射波。
几何反射波位置如图7

  

图7 几何反射信号

4.1.3焊缝内表面引起的反射信号

图8 焊缝内表面引起的反射信号
由图7和图8可以看出，对薄壁管对接焊缝探伤一定要分清几何反射波的位置，特别是在二次波观察区这些几何反射波出现较多。
4.2缺陷反射信号的识别
4.2.1未焊透：未焊透是具有良好的反射面，多垂直于管子表面。一般从焊缝两侧探均有反射信号。其位置出现在一次底波之前。有时未焊透信号和底波同时呈现，有时仅有缺
陷反射信号，水平***时多在焊缝中心。
对一些在役管道进行检查时，还会碰到带垫圈的管道对接焊缝。这些焊缝标准规定是不允许有未焊透缺陷存在的，但由于过去的焊接水平和设备的原因，未焊透的情况经常存在，在运行中这些未焊透缺陷将是产生裂纹的源头。对这类焊缝探伤要注意垫圈波的位置，未焊透出现在垫圈波之前。

图9 带垫圈的未焊透缺陷
如图9所示，在这种焊缝探伤时，还会遇到由于垫圈与管子内壁贴合不紧而产生的垫圈间隙波，这个波也在垫圈波之前，就要注意与未焊透缺陷进行区分。垫圈间隙波的位置在未焊透波之后，在垫圈波之前，其在仪器上显示的深度值大于或等于管道壁厚，而未焊透缺陷波所显示的深度值小于管道壁厚。如图10所示,就是垫圈间隙波和未焊透缺陷波的比较。

图10 垫圈间隙波与未焊透波的比较
图中f是未焊透波,J是垫圈间隙波,B是垫圈波

4.2.2裂纹：裂纹常出现在根部，有时也出现在热影响区，根部裂纹的特点与未焊透相同，裂纹深度较大时，二次波，三次波均可发现。水平***时，随裂纹的深度情况，有时在焊缝中心，有时偏离焊缝中心，但不会太远。如图11所示

         

图11 裂纹反射波示意图
4.2.3边缘未熔合：未熔合多出现在坡口附近，因此二次波的反射条件良好，且波幅较高。这类缺陷波出现在二次波观察区，水平***时多在偏离焊缝中心的探头侧。
在前边已经叙边了几何反射波的特点和位置，所以在正确区分坡口未熔合与几何反射波及变型波就要依水平***的准确程度。坡口未熔合水平***多在靠近探头侧，几何反射波水平***多在远离探头侧。
4.2.4夹渣：夹渣经常出现在焊缝边缘，没有一定方向性。二次波和三次波都有可能发现。其反射波较坡口边缘未熔合的波幅低。
4.2.5