無損檢測(cè)：超聲波檢測(cè)對(duì)直縫埋弧焊鋼管的質(zhì)量控制技術(shù)

1、回波信號(hào)分析

焊接接頭由焊縫及熱影響區(qū)兩部分組成。焊接熔池從高溫冷卻到常溫，期間經(jīng)歷一次結(jié)晶和二次結(jié)晶。二次結(jié)晶發(fā)生在焊縫和靠近焊縫的金屬區(qū)域，該區(qū)域在焊接過程中收到不同程度加熱，在不同溫度下停留一段時(shí)間后又以不同速度冷卻下來，最終獲得各不相同的組織和機(jī)械性能，稱為熱影響區(qū)。根據(jù)組織特征可將熱影響區(qū)劃分為熔合區(qū)、過熱粗晶區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)四個(gè)小區(qū)。其中熔合區(qū)和過熱粗晶區(qū)組織晶粒大、塑性低，是產(chǎn)生裂紋局部脆性破壞發(fā)源地，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。所以熱影響區(qū)缺陷問題不同于焊縫中的缺陷，處理起來較為復(fù)雜，對(duì)鋼管質(zhì)量影響較大。根據(jù)對(duì)超聲報(bào)警超出驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的部位取樣進(jìn)行熱酸蝕等理化分析和碳弧氣刨及膠片拍片，進(jìn)行了下列分析。

1.1 鋼管熱影響區(qū)母材存在夾雜物等

依據(jù)API 5L(44版)標(biāo)準(zhǔn)，用2.5P 8×12 K2探頭檢測(cè)φ1016×21mm 規(guī)格的鋼管，發(fā)現(xiàn)深度在14mm—18mm左右，水平距離定位在焊趾邊靠母材約2mm—5mm處有強(qiáng)烈反射波出現(xiàn)，缺陷信號(hào)斷斷續(xù)續(xù)。超基準(zhǔn)波幅 (φ1.6mm豎通孔100%波高)10dB，探頭移到焊縫對(duì)側(cè)則缺陷波反射很低或較難探測(cè)到。同時(shí)缺陷波根較寬，波峰為毛粗，主峰邊上有小峰，根部帶有小波，探頭移動(dòng)時(shí)，波形變化明顯，從各個(gè)方向探測(cè)，反射波幅不相同，呈現(xiàn)出夾雜反射波特征。該信號(hào)出現(xiàn)在熱影響區(qū)的母材區(qū)域，按照API 5L(44版)標(biāo)準(zhǔn)，PSL2的鋼管母材不許補(bǔ)焊。為慎重起見，抽取超過基準(zhǔn)波幅10dB以上且連續(xù)長度超過10mm的多處反射波位置進(jìn)行細(xì)顆粒膠片拍片，發(fā)現(xiàn)部分反射波位置在內(nèi)焊趾輪廓線處有點(diǎn)狀?yuàn)A雜，夾雜按API 5L(44版)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定合格。根據(jù)超聲波和X射線探傷確定缺陷的橫斷面部位截取試樣進(jìn)行熱酸腐蝕，發(fā)現(xiàn)熔合線靠母材側(cè)有孔洞和夾雜物，該夾雜物符合 ASTM E45標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 焊角回波及變形波

少部分反射信號(hào)時(shí)由于焊縫與母材交界處的焊角回波及變形波產(chǎn)生，因此需準(zhǔn)確調(diào)整超聲儀器，判定回?fù)墚a(chǎn)生的位置。當(dāng)橫波聲束入射到探頭對(duì)側(cè)焊縫下表面的某些部位時(shí)，其反射橫波S′和反射縱波L′垂直入射至上表面的某些特殊部位，再垂直反射沿原路返回，形成變形橫波和變形縱波，與第一次底波一起，在熒光屏上顯示，形狀像“山”字形(圖4)。內(nèi)坡口變形波的傳播和波形，在示波屏上有些變形波正好在二次波探測(cè)的范圍內(nèi)，往往可能被誤判為二次波發(fā)現(xiàn)的缺陷。識(shí)別方法是：變形波在很大范圍內(nèi)，甚至在整個(gè)焊道的周圍都有。因此可將探頭平行于焊縫移動(dòng)以審視鑒別。

1.3 焊趾裂紋

用于油氣輸送的直縫埋弧焊管，一般均需冷擴(kuò)徑。在冷擴(kuò)徑后，焊管在焊趾或熱影響區(qū)部位可能會(huì)出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生的原因是多方面的。API 5L(44版)規(guī)定，冷擴(kuò)徑管焊縫要求無損檢測(cè)應(yīng)在冷擴(kuò)徑后進(jìn)行，超聲檢測(cè)裂紋反射波信號(hào)特征：反射率高，當(dāng)探測(cè)方向有利時(shí)反射波高度較大，波形較寬，探頭平行移動(dòng)時(shí)，反射波連續(xù)出現(xiàn)，波幅有變動(dòng)，探頭擺動(dòng)時(shí)，波峰有上下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，多峰波交替出現(xiàn)最大值，擺動(dòng)角度較大。部分超聲反射波形判定為裂紋缺陷信號(hào)的，經(jīng)過取樣金相實(shí)驗(yàn)證實(shí)裂紋的存在。

1.4 偏析回波

在對(duì)材質(zhì)為X70、厚度為21mm的鋼結(jié)構(gòu)鋼管焊縫探傷中，發(fā)現(xiàn)一條焊縫在板厚一半深處左右，有一反射信號(hào)出現(xiàn)。當(dāng)反射波出現(xiàn)時(shí)，波型特征似微小裂紋波型，反射位置偏向焊縫坡口邊沿母材側(cè)，沿焊縫長度方向，斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)。在其反射波的位置上，切取試樣進(jìn)行分析，磨制金相觀察面后經(jīng)拋光鹽酸煮沸觀察，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。在超聲波探傷一側(cè)母材區(qū)域發(fā)現(xiàn)有一個(gè)弧形亮白區(qū)，經(jīng)測(cè)定，弧形亮白區(qū)超聲衰減系數(shù)大于其他部位，說明弧形亮白區(qū)的晶粒結(jié)構(gòu)粗大，對(duì)超聲傳播產(chǎn)生很大影響。顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)弧形亮白區(qū)為與母材色澤不同的部位，呈嚴(yán)重帶狀分布的組織，這是因?yàn)槌煞萜鏊斐傻囊环N粗晶粒組織。其對(duì)傳播的影響很大，所以橫波探傷時(shí)，在弧形亮白區(qū)位置產(chǎn)生回波信號(hào)。根據(jù)探傷中遇到的情況，初步判斷為金屬元素偏析的超聲回波信號(hào)。偏析的回波信號(hào)波幅低而穩(wěn)定，波峰尖銳、陡峭，波根狹窄。從波型特征分析，探頭移動(dòng)到回波信號(hào)位置，反射波幅不高，缺陷深度出現(xiàn)在板材厚度的中間，偏向焊縫邊沿，當(dāng)探頭垂直于焊縫前后移動(dòng)時(shí)，反射波很快消失，相似于板材夾層對(duì)焊縫邊沿的影響，探頭平行于焊縫移動(dòng)時(shí)，反射波穩(wěn)定，可以移動(dòng)一定距離后慢慢消失。此類波型，很容易誤判為裂紋缺陷波。部分超基準(zhǔn)波幅按API 5L驗(yàn)收為不合格。因回波在母材區(qū)域，按API 5L PSL2要求母材不許返修，重新對(duì)該母材區(qū)域進(jìn)行直探頭檢測(cè)，與鋼板探傷時(shí)的反射信號(hào)一樣,另外反射信號(hào)最高的部位取樣作金相實(shí)驗(yàn)，看到母材有斷續(xù)的分層。

3、提高偽缺陷波判別準(zhǔn)確性的方法

在鋼管焊縫超聲探傷中，因?yàn)殇摴芎附拥墓に囂攸c(diǎn)，示波屏上常常除始波和缺陷波外，還會(huì)出現(xiàn)一些由其他原因引起的偽缺陷回波，這些偽缺陷波干擾了對(duì)缺陷波的正確判別。以下是四種偽缺陷波的成因和鑒別方法。

3.1 耦合劑反射波

理論上要求耦合層厚度為半徑長的整數(shù)倍，若耦合劑過于粘稠、流動(dòng)性不好、耦合層厚度太厚，容易堆積在探頭前部，從壓電晶片反射的縱波有一部分轉(zhuǎn)換成表面波，造成反射信號(hào)，用手輕輕抹掉探頭前部的耦合劑，該波即會(huì)消失。

3.2 焊縫表面焊痕反射波

這種反射波在鋼管現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接焊縫中出現(xiàn)較多，由于鋼管長度偏差，加上多層結(jié)構(gòu)的累積誤差，使部分鋼管柱對(duì)接時(shí)焊縫寬度過大，多道施焊使焊縫表面形成一道道焊痕(圖8)。當(dāng)超聲波掃查到焊縫時(shí)，會(huì)引起焊痕反射，該反射波信號(hào)不強(qiáng)烈、遲鈍，一般出現(xiàn)在一、二次底波稍偏后位置。識(shí)別方法是將探頭固定不動(dòng)，用手沾耦合劑輕輕拍打焊痕處，該波則輕輕跳動(dòng)。

3.4 焊縫余高或咬邊形成的非缺陷波

當(dāng)焊縫過高或咬邊，很容易形成邊角反射，影響判別。判別方法是①精確計(jì)算聲程距離，根據(jù)顯示屏顯示的數(shù)據(jù)，確定缺陷的深度或水平位置來判別是否為缺陷波;② 用手沾耦合劑輕輕拍打焊縫兩側(cè)，如反射波信號(hào)出現(xiàn)跳動(dòng)，則說明該反射波是因?yàn)楹缚p余高而造成的邊角反射，并非缺陷波;③利用手動(dòng)電磨對(duì)焊縫余高或疤痕進(jìn)行打磨后再進(jìn)行檢測(cè)，若此時(shí)反射波消失，則該反射波是非缺陷波。

4、結(jié)論

(1)超聲反射信號(hào)超標(biāo)，根據(jù)回波形等判為缺陷且符合補(bǔ)焊要求的嚴(yán)格按補(bǔ)焊規(guī)程補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后按原超聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)探。

(2)綜合運(yùn)用各種無損檢測(cè)方法和破壞性方法相結(jié)合。對(duì)于鋼管熱影響區(qū)反射信號(hào)超標(biāo)，如不能準(zhǔn)確判斷缺陷性質(zhì)，可采用射線拍片進(jìn)行確認(rèn)，為弄清缺陷性質(zhì)，位于管端的可取樣分析。