管道對接焊縫的超聲波檢測

1、 管道對接焊縫的超聲波檢測 摘 要:針對工藝管道對接焊縫的特點,對焊接方法、焊接位置及易產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了分析由于工藝管道對接焊縫壁厚范圍大,多是直管與直管、直管與彎頭、法蘭、閥門等管件對接,采用單面焊接雙面成型工藝,這種特殊結(jié)構(gòu)型式和焊接工藝,使超聲波檢測只能進(jìn)行單面雙側(cè)掃查或單面單側(cè)掃查"為了提高缺陷的檢出率,對不同規(guī)格!不同結(jié)構(gòu)的焊縫在選擇掃查面、探頭數(shù)量、探頭型號和探頭尺寸時應(yīng)有針對性"根部缺陷的判定對儀器掃描線調(diào)節(jié)精度提出了較高要求,對典型缺陷的回波特征進(jìn)行了分析"通過以上分析和采取的措施,能有效提高工藝管道對接焊縫超聲波檢測的質(zhì)量。 石化裝置工藝管道對接

2、焊縫超聲波檢測具有一定的難度"早期的模擬超聲波探傷儀由于定位精度不高,對于根部缺陷的識別和判定存在較大難度,每次更換不同角度的探頭后時間基線都要重新調(diào)節(jié),非常不便,這為在工藝管道對接焊縫領(lǐng)域推廣超聲波檢測技術(shù)造成了很大的困難"近些年,超聲波檢測靈敏測設(shè)備發(fā)生了巨大改變,且更新很快,數(shù)字式探傷儀代替了模擬儀"數(shù)字式探傷儀較原先使用的模擬式 超聲波探傷儀具有顯著的優(yōu)點"首先,其定位精度高,定位精度可達(dá)0.1mm,為管道焊縫根部信號的判定提供了可靠依據(jù);第二,可存儲多種探頭參數(shù)及其距離一波幅曲線,為現(xiàn)場采用多種角度的探頭進(jìn)行 檢測提供了方便,提高了不同角度缺陷

3、的檢 度,也可方便地變換探頭(角度),為辨識真、偽信號提供了方便;第三,可以存儲動態(tài)波形和缺陷包絡(luò)線,并可作為電子文件存檔備查"數(shù)字式超聲波探的難題"。 筆者推薦管道焊縫探傷采用數(shù)字式超聲波探傷儀。通過專業(yè)培訓(xùn)和嚴(yán)格考核,可以篩選出合格的管道對接焊縫超聲波檢測人員,完全能保證管道焊縫的超聲波檢測質(zhì)量。 通過對超聲波檢測方法、掃查面、探頭數(shù)量、探頭型號和探頭尺寸的控制、以及理論分析和實際驗證, 表明超聲波檢測能有效保證管道焊縫的檢測質(zhì)量。 超聲波檢測操作靈活方便,對厚壁管道檢測靈敏度和檢測效率均高于射線檢測,成本低于射線檢測,且對人體無害,是一種科學(xué)!環(huán)保的檢測方法。 1 管

4、道對接焊縫與容器對接焊縫的不同點管道對接焊縫較容器對接焊縫從焊接工藝、結(jié)構(gòu)型式!主要缺陷產(chǎn)生的部位、缺陷信號判別、探頭掃查面、探頭折射角度的選擇以及禍合面曲率等都有較大區(qū)別"因此從事管道對接焊縫超聲波檢測的人員必須對比有一定的了解"表1是管道對接焊縫與容器對接焊縫超聲波檢測不同點的比較。2 焊接工藝及缺陷分析 管道對接焊縫的超聲波檢測有兩個重要環(huán)節(jié),一是如何能保證不漏檢缺陷,二是如何能正確識別和判定缺陷"以下對管道的接頭型式、焊接方法、焊接位置及易產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了分析,為設(shè)計檢測工提高缺陷的檢出率和信號判定提供參考。 2.1 結(jié)構(gòu)型式與掃查面 石化裝置工藝管道對接

5、焊縫一般可分為3種型式:直管與直管對接、直管與管件對接、管件與管件對接。(1) 直管與直管對接焊縫探頭可以在焊縫兩側(cè)進(jìn)行掃查。(2) 直管與管件對接焊縫由于管件側(cè)表面為不規(guī)則曲面(如彎頭、法蘭、閥門或三通等),探頭不能良好藕合,因此,只能從直管一側(cè)進(jìn)行掃查,為了提高缺 陷檢出率,應(yīng)選擇2種不同角度的探頭進(jìn)行掃查。(3) 管件與管件對接焊縫由于焊縫兩側(cè)均為不規(guī)則曲面(如彎頭!法蘭、閥門或三通等),探頭不能良好禍合,因此,這類焊縫不能進(jìn)行正常的超聲波檢測"如客戶有措施將焊縫余高磨平(與母材平齊), 則可將探頭通過磨平的焊縫進(jìn)行檢測"將焊縫打磨至與母材平齊是一件很困難的事,一般不

6、這樣做。 2.2 焊接位置 了解焊接位置有助于缺陷性質(zhì)的分析判斷。管道對接焊縫的焊接位置分為水平轉(zhuǎn)動、水平固定、垂直固定和45度斜固定。(l) 水平轉(zhuǎn)動口焊接時,焊接位置總是處于時鐘11點或1點附近的位置,焊接操作最易控制,最不易產(chǎn)生焊接缺陷(圖1)"(2)水平固定口焊接時,上半部分處于平焊位置,下半部分處于仰焊位置,兩側(cè)處于立焊位置(圖2) 。(3) 垂直固定口焊接時,其位置為橫焊,焊接位置示意見圖3。 (4)45度斜固定口焊接時,各部分在水平固定的基礎(chǔ)上又增加了傾斜角度,加大了焊接難度(圖4)。2.3 各焊接位置易產(chǎn)生的缺陷類型 (1) 焊接程序 目前石化裝置管道對接焊縫均采用氫

7、弧焊打底,焊工在打底結(jié)束前留一小段用作檢查孔,用手電筒觀察根部打底情況,若有不良現(xiàn)象則立即將不良部位用磨光機去除重焊,最終檢查良好后將根部最后一小段焊好"氫弧焊打底結(jié)束后,對于較厚的焊縫一般采用手工電弧焊或埋弧自動焊填充蓋面。(2) 平焊位置 鐵水熔化后在重力的作用下會向下淌,因此平焊位置焊接時要控制電流不能過大, 焊接電流和焊接速度要適當(dāng),否則易形成焊瘤和燒穿。焊條接頭和焊瘤部位易產(chǎn)生氣孔。 (3) 立焊位置 在立焊位置因鐵水下淌導(dǎo)致焊縫波紋粗糙及內(nèi)外表面焊縫成型不良,也容易產(chǎn)生未焊透、未熔合!焊瘤及咬邊"因此要控制焊接電流不能過大,焊接速度不能過快。(4) 仰焊位置 仰

8、焊位置易產(chǎn)生內(nèi)凹、未焊透、未熔合及焊瘤(余高過高),仰焊位置電流過大易產(chǎn)生內(nèi)凹!燒穿和焊瘤,電流過小易產(chǎn)生未焊透和未熔合,因此仰焊部位的焊接難度最大"焊工常采用滅 弧焊法進(jìn)行焊接,即引弧!將焊條熔化一點立即斷弧、待片刻熔池凝固、再繼續(xù)引弧熔化一點焊條立即斷弧.這樣循環(huán)持續(xù),直至鐵水成型達(dá)到可控為止，在燒第二層焊縫時電流也不能過大，否則將第一層鐵水熔化下墜形成內(nèi)凹，電流越大形成的內(nèi)凹越深。(5)橫焊位置 管子垂直固定，焊工圍繞焊縫進(jìn)行橫向焊接。橫焊位置焊接時，鐵水受重力作用，上部易出現(xiàn)咬邊，坡口易產(chǎn)生未熔合，焊接每層之間如果清理不好易產(chǎn)生夾渣。焊縫表面橫排波紋控制不好會比較粗糙。 3

9、探頭的選擇探頭選擇時要考慮的因素有:(1) 檢測厚度 檢測較薄焊縫應(yīng)選擇大K 值、短前沿探頭,一次波盡可能掃查更多的焊縫截面;對于大厚度焊縫應(yīng)選擇晶片尺寸較大、K 值合適、具有足夠靈敏度的探頭。 根據(jù)實際工作經(jīng)驗,筆者推薦壁厚不小于7mm 的焊縫宜采用單斜探頭進(jìn)行檢測。壁厚< 7mm 的焊縫檢測時雜波干擾嚴(yán)重,目前多選用聚焦探頭或雙晶探頭。但聚焦探頭和雙晶探頭一般寬度較大,與小徑管藕合時要進(jìn)行修磨"由于聚焦探頭和雙晶探頭都是在焦點附近靈敏度最高,探測范圍受到一定影響,工藝管道壁厚< 7mm 的管道管徑一般均較小,因此,對壁厚< 7mm 的管道焊縫不推薦采用超聲波檢測

10、法進(jìn)行檢測。(2) 檢測面曲率 半徑R 較小的管道,要選擇 接觸面小的探頭,以保證良好藕合;直徑較大的管道可以選擇尺寸較大的探頭,以提高檢測效率。探頭與工件接觸面尺寸W 應(yīng)滿足下式: RW2 /4 (1) 目前市場銷售的晶片尺寸為6mm x 6mm 的短前沿小晶片探頭,其探頭寬度一般為12mm 。由式(l)計算可得管道直徑應(yīng)> 72mm。為提高藕合效果,筆者推薦采用探頭寬度為12mm 的小晶片短前沿探頭進(jìn)行檢測時,管道直徑下限為100mm。(3) 掃查面 直管與直管對接,探頭在焊縫兩側(cè)掃查時,可以選擇1種K 值的探頭;直管與管件對接,探頭只能在焊縫一側(cè)進(jìn)行掃查時,應(yīng)選擇2種折射角相差不少

11、于10度的探頭進(jìn)行掃查,其中較小K值的探頭,一次波掃查范圍不少于焊縫截面的1/4(4) 探頭頻率 管道探傷宜選擇較高頻率的探頭,以提高指向性和定位精度。推薦采用頻率為 5MHz的探頭,對于較厚管道(厚度)不小于4 0mm)可以選擇2.5M Hz的探頭。 對于根部可疑信號,盡可能選擇小K 值探頭復(fù)驗"經(jīng)驗表明,小K 值探頭定位精度高,誤差小。綜合上述條件,不同厚度的管道推薦選擇的探頭角度和前沿距離見表2,不同曲率的管道推薦選擇的探頭尺寸見表3。 4 檢測靈敏度分析 檢測標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行JB/T 4730.3一2005,外徑不小于159mm的管子按標(biāo)準(zhǔn)中表19調(diào)節(jié)檢測靈敏度;外徑< 159

12、mm 的管子按標(biāo)準(zhǔn)中表30調(diào)節(jié)靈敏度。 管道對接焊縫中存在的主要缺陷有未焊透、未熔合、內(nèi)凹、焊瘤、錯口、氣孔、夾渣和裂紋等。根部未焊透、未熔合和裂紋屬面狀缺陷,超聲波對其非常敏感。試驗表明,深度為0.5mm 切槽的反射波幅均較高,回波均在判廢線上下"因探頭的角度不同,回波幅度有所不同,探頭折射角度越小,回波幅度越高,因此根部未焊透!未熔合和根部縱向裂紋類面狀缺陷一般不會漏檢。5 檢測工藝卡編制舉例 工藝卡的編制原則:工藝卡要能夠真正指導(dǎo)檢測人員能夠看懂,按工藝卡要求可以方便實施"編制檢測工藝卡時需重點關(guān)注的內(nèi)容如下:(1) 探頭數(shù)量和參數(shù)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)和實際檢測的需要,能否最

13、大限度地檢出危害性缺陷。 (2) 檢測面要明確"(3) 試塊和檢測靈敏度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。下文對管道焊縫超聲波檢測工藝卡的編制進(jìn)行舉例。 已知某石化裝置檢修改造工程中有一條規(guī)格為219*20mm 的碳鋼工藝管道，坡口型式為V型，氬弧焊打底，手工電焊填充、蓋面，檢測比例為100%。按按JB/T4730.3一2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測,合格級別為一級。檢測工藝卡編制結(jié)果見表4。表4中未對檢測技術(shù)等級提出要求,這是因為JB/T 4730.3一2005的檢測技術(shù)等級不適用于直管與管件對接的焊縫檢測。6 典型缺陷信號的識別 超聲波檢測前,應(yīng)對受檢焊縫兩側(cè)的壁厚靠近焊縫部位用直探頭進(jìn)行測厚,以確認(rèn)其真實厚

14、度。如果測得結(jié)果小于標(biāo)稱值的負(fù)偏差,則應(yīng)立即報告委托人;如果測得結(jié)果大于或等于標(biāo)稱值,則認(rèn)為是可以接受的"所測厚度值應(yīng)在記錄中注明,該值即作為判斷回波信號的基準(zhǔn)。 對回波信號性質(zhì)的判定要結(jié)合材質(zhì)、坡口和結(jié)構(gòu)型式、焊接工藝和焊接位置、回波位置(包括水平位置和深度位置)、指示長度和取向、最大回波高度、靜態(tài)和動態(tài)波形等進(jìn)行綜合分析"對于可疑信號可更換另一種角度的探頭進(jìn)行驗證,以助于缺陷定性和偽信號的識別。 管道焊縫正確判別根部信號的關(guān)鍵是時基線標(biāo)定要準(zhǔn)確,要求深度定位誤差不超過0.5mm,否則,根部缺陷信號判斷會產(chǎn)生較大誤差。時基線標(biāo)定完畢后,必須用與所檢工件厚度等深或相近的孔進(jìn)

15、行校驗,該孔的最高回波指示值應(yīng)與深度標(biāo)稱值相當(dāng)或略小0.1一0.5mm(半孔徑),則時基線標(biāo)定是準(zhǔn)確的。 時基線的調(diào)節(jié)還應(yīng)考慮試塊聲速與工件聲速的差異,當(dāng)工件厚度較大時,聲速的差別會嚴(yán)重影響定位精度和根部缺陷的判定"如常溫測得材質(zhì)20號鋼的橫波聲速3230m/s,P91的橫波聲速3301m/s時 20號鋼的縱波聲速 5934m/S,P91縱波聲速5983m/s。用KZ探頭和20號鋼標(biāo)準(zhǔn)試塊標(biāo)定的時基線探測P91鋼工件時,由于P91鋼的聲速較快,其折射角增大,K 值變?yōu)镵 2.25,探測50mm 厚P91工件其聲程增加至123.297mm,較20號鋼的聲程111.67mm 增加11.6

16、2mm,從時基線上觀察, 與厚度50mm 的P91鋼工件的實際厚度為54mm。顯然,由此會造成嚴(yán)重的誤判，易將焊瘤判為未焊透缺陷。 關(guān)于最高峰的確認(rèn),許多探傷人員對波峰最高點的判斷存在誤區(qū),探頭總是不敢前后移動,發(fā)現(xiàn)了較高的回波就認(rèn)為是最高波,探頭前后移動時最高波的位置又發(fā)生變化,從而影響對信號的正確判斷。在掃查和精探傷時,探頭應(yīng)前后移動,當(dāng)發(fā)現(xiàn)回波信號時,應(yīng)增加禍合劑并將探頭前后往返緩慢移動3一5次,觀察動態(tài)波形,找出回波最高點的位置,將探頭移至出現(xiàn)回波最高點的位置,輕微前后移動或轉(zhuǎn)動探頭,找出最高波,用閘門選擇該回波,讀出回波位置，將探頭移至出現(xiàn)回波最高點的位置，輕微前后移動或轉(zhuǎn)動探頭，找

17、出最高波，用閘門選擇該回波，讀出回波位置。下面對管道焊縫檢測中幾種典型缺陷信號進(jìn)行分析和介紹。 6.1 質(zhì)量良好的焊縫質(zhì)量良好的焊縫內(nèi)部沒有缺陷,焊縫內(nèi)外表面成型飽滿且均勻過渡,焊縫區(qū)段沒有缺陷回波,焊縫根部或焊縫表面不產(chǎn)生或產(chǎn)生較低的回波(視探頭角度而異)。由于根部有一定的凸出,出現(xiàn)反射波時,反射波峰值的位置略遲后于工件厚度,兩側(cè)掃查結(jié)果相近。典型波形見圖5。6.2 根部未焊透 一般有一側(cè)可以同時看到底面反射波"而未焊透兩 根部未焊透與焊接工藝密切相關(guān)"目前中石化范圍內(nèi)的管道工程均要求氨弧焊打底,有效地減少了未焊透缺陷的產(chǎn)生,同時提高了根部成型質(zhì)量?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的未焊透多是由

18、于焊工操作的偶然性所致,未焊透的長度一般不超過20mm,自身高度一般不超過2mm ,也可能一側(cè)鈍邊略深,另一側(cè)鈍邊非常淺"從焊縫兩側(cè)掃查時,反射波幅有可能相差較大。在非缺陷側(cè)探測時,信號可能很弱,甚至無信號,改用較小角度探頭檢測時缺陷信號則易于發(fā)現(xiàn)。因此,從單面單側(cè)掃查時,應(yīng)選擇2種不同角度的探頭進(jìn)行檢測。如有可能,選擇Kl斜探頭對根部缺陷進(jìn)行檢測,具有良好的檢測靈敏度。 反射波與底波位置的間距與未焊透的深度成正比,未焊透深度大則回波幅度高,反之則回波幅度低。探頭作擺動或轉(zhuǎn)動時,波形消失很快。判斷是否未焊透的關(guān)鍵是看回波的位置,未焊透的反射波最高峰在底波略前一些的位置,沒有底波出現(xiàn)&

19、quot;未焊透回波位置見圖6。深度較大的未焊透一次波和二次波均可以發(fā)現(xiàn),有時二次波的當(dāng)量幅值還會高于一次波的當(dāng)量幅值。6.3 未熔合 管道焊縫的未熔合多為根部鈍邊未熔合,少部分為坡口未熔合"鈍邊未熔合在焊縫的根部,坡口未熔合在焊縫坡口熔合線部位"未熔合反射波的特征是:在焊縫兩側(cè)探測時,反射波幅不同,大部分未熔合只能從一側(cè)探到"較大尺寸的未熔合,探頭平移時波形較穩(wěn)定。 (l) 根部未熔合 根部未熔合反射波出現(xiàn)時, 一般有一側(cè)可以同時看到底面反射波。而未焊透兩側(cè)均沒有底面反射波。判斷是否未熔合,要結(jié)合回波深度、水平距離和是否有底波來綜合判斷。根部未熔合回波示意見圖7

20、。(2) 坡口未熔合 坡口未熔合多在厚壁焊縫和自動焊焊接時產(chǎn)生,具有一定的長度,成連續(xù)狀或斷續(xù)狀。其動態(tài)波形為探頭平行于焊縫移動時,特征包絡(luò)線比較平穩(wěn)(連續(xù)狀)或有緩慢的起伏(斷續(xù)); 探頭前后移動時,特征包絡(luò)線與氣孔差不多;探頭作擺動或轉(zhuǎn)動時,波形消失很快"其聲程特點為如圖8,從缺陷側(cè)探測,二次波信號強,一次波信號弱甚至沒有;從非缺陷側(cè)探測,情況相反。6.4 根部內(nèi)凹 內(nèi)凹一般產(chǎn)生在固定焊口的仰焊部位。其在熒光屏上的波形為深度較大且邊緣較陡峭的內(nèi)凹其危害性與回波幅度均與未焊透相似,易于檢測,應(yīng)按未焊透處理。深度較淺、且平緩過渡的內(nèi)凹一般回波較低或不易發(fā)現(xiàn),這類內(nèi)凹對焊縫強度影響不大

21、。其動態(tài)波形為特征包絡(luò)線的變化比較平緩,無明顯的鋸齒形,有內(nèi)凹缺陷時無底波出現(xiàn)。其聲程特點為從兩側(cè)探測,聲程反射點相隔一定距離,其距離約等于對口間隙加2一4mm。6.5 裂紋 裂紋多產(chǎn)生于焊縫根部或外表面,一般是由于焊接材料用錯!強行組對或焊接工藝不當(dāng)所致。一般裂紋的回波高度較大、波幅寬、有多峰出現(xiàn)。探頭平移時反射波連續(xù)出現(xiàn),波幅有變動,探頭轉(zhuǎn)動時,波峰有上下錯動現(xiàn)象。表面和近表面微小裂紋反射面小、反射波與表面雜波混雜在一起不易區(qū)分,橫向裂紋垂直于焊縫,當(dāng)管徑較小時,探頭不能平行于焊縫掃查,因此標(biāo)準(zhǔn)要求增加表面檢測來補充超聲檢測方法的不足。6.6 根部錯邊 直管、彎頭、三通以及大小頭等,由于加

22、工精度的原因,其對接端口往往存在一定程度的橢圓或不等壁厚,組對時局部可能會出現(xiàn)錯邊,輕微的錯邊在焊接時易焊至均勻過渡,嚴(yán)重的錯邊則會在內(nèi)表面形成焊縫錯邊。這種錯邊從一側(cè)探測時,信號較強,而從另一側(cè)探測時,沒有信號波,如圖9所示。等壁厚錯邊一般從外表可以看出"不等壁厚錯邊可以在檢測前測厚時發(fā)現(xiàn)"要注意錯邊與單側(cè)未焊透的區(qū)別。6.7 根部焊瘤 根部焊瘤表面比較光滑,從焊縫兩側(cè)掃查,其反射回波相差不大,且均在底波位置之后出現(xiàn),焊瘤部位一般只有焊瘤反射波,沒有底波"焊瘤回波示意見圖10(a)所示。焊瘤回波的判斷,焊瘤的反射回波一般都很強, 且最高峰在根部之后2一3mm左右

23、的位置,大焊瘤也可能到達(dá)根部之后5一6mm 的位置。操作時,前后移動探頭,從根部之前就開始有回波;隨著探頭緩慢后移,波峰逐漸增高,屏幕指示深度位置增加,超過根部位置2一3mm 后出現(xiàn)最高峰;之后,再后移探頭前后移動時熒光探頭,波峰開始下降,在最高峰之前沒有峰值出現(xiàn), 這就是焊瘤回波的典型特征"焊瘤回波包絡(luò)示意見圖10(b)所示。 6.8 氣孔和點狀夾渣等點狀缺陷 氣孔與夾渣均在焊縫內(nèi)部,一次波檢測時,其反射波位于始波與底波之間,二次波檢測時其反射波位于底波與上表面反射波之間。 (1) 單個氣孔與點狀夾渣回波特征 其回波在熒光屏上的波形尖銳、陡峭、清晰、波根較窄,如圖11所示。(2)密

24、集氣孔回波特征 密集氣孔回波在熒光屏上同時出現(xiàn)數(shù)個波，往往有一個較高的波，旁邊簇?fù)碇舾蓚€小波,波形清晰(圖12)。其動態(tài)波形為不管探頭作怎樣的移動,波形總是此起彼伏。(3)條狀夾渣回波牲 探頭前后移動時熒光屏上的波形與點狀夾渣類似,只是左右移動時缺陷有一定的長度"其動態(tài)波形為探頭平行于缺陷長度方向移動時,在缺陷長度范圍內(nèi)有缺陷波;探頭作擺動時,波形消失很快。6.9 兩種典型的偽缺陷信號 擴散聲束在根部的反射偽缺陷回波 在實際工作中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在接近下表面之前有強烈的反射波"從反射波出現(xiàn)的位置分析,反射點應(yīng)在焊縫內(nèi),但長度較長,有時全焊縫連續(xù)，如圖13所示。但是,用射線復(fù)測時焊縫質(zhì)量良好。產(chǎn)生此偽缺陷回波的原因為:探頭發(fā)出波束是擴散的(如圖14所示),下擴散波較中心主波束的折射角略小,即K 值略小,當(dāng)探頭移動時,下擴散聲束在C 點與下表面形成接近垂直的角度,反射波強烈&qu