超聲波在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用

超聲波在壓力容器焊縫檢測中的應(yīng)用

超聲清洗機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的消毒損傷方法之一。它具有靈敏性強(qiáng)、滲透性強(qiáng)、檢驗(yàn)速度快、成本低、設(shè)備方便等優(yōu)點(diǎn)。它對人類沒有傷害，有許多優(yōu)點(diǎn)。超聲波在鋼材內(nèi)部穿透能力很強(qiáng),因此可檢測很厚的鋼板和焊縫;對于平面狀缺陷,盡管有的缺陷很深,只要超聲波直射至缺陷面,均能得到很高的缺陷波。因而超聲波對壓力容器焊縫探傷未焊透和裂紋等危險(xiǎn)性缺陷檢測靈敏度很高,具有實(shí)用意義。檢測中作好缺陷和偽缺陷的判別具有重要意義。1未熔合反射波的特征檢出缺陷后,應(yīng)在不同的方向?qū)ζ溥M(jìn)行探測。從不同方向探測,缺陷回波高度顯著不同,在垂直于缺陷方向探測,缺陷回波高;在平行于缺陷方向探測,缺陷回波低,甚至無缺陷回波。一般來說裂紋等屬于這種缺陷,這類缺陷回波高度較大、波幅寬、會出現(xiàn)多峰。探頭平移時(shí),反射波連續(xù)出現(xiàn),波幅有變動;探頭轉(zhuǎn)動時(shí),波峰有上下錯(cuò)動現(xiàn)象。從不同方向探測,缺陷回波無明顯變化。一般包括氣孔(單個(gè)氣孔和密集氣孔)和點(diǎn)狀夾渣。氣孔和點(diǎn)狀夾渣的缺陷回波高度低,波形較穩(wěn)定,從各方向探測,反射波高大致相同,但稍一移動探頭就消失。但兩者也有所不同,其原因主要是其內(nèi)含物聲阻抗的不同。氣孔內(nèi)含氣體,聲阻抗小,反射率更高,波形陡直尖銳;而金屬夾渣或非金屬夾渣的聲阻抗大,反射波要低一些,且夾渣面粗糙,波形寬,呈鋸齒形;密集氣孔為一簇反射波,其波高隨氣孔的大小而不同,當(dāng)探頭作定點(diǎn)轉(zhuǎn)動時(shí),會出現(xiàn)此起彼落的現(xiàn)象。這種缺陷反射波一般出現(xiàn)在一次與二次波的前邊。當(dāng)探頭在焊縫兩側(cè)探傷時(shí),一般都能發(fā)現(xiàn),在探頭移到出現(xiàn)最高反射信號處固定時(shí),適當(dāng)降低儀器靈敏度。用手指沾油輕輕敲打焊縫邊緣咬邊處,觀察反射信號是否有明顯跳動現(xiàn)象,若信號跳動,則證明是咬邊反射信號。一般裂紋的回波高度較大,波幅寬,會出現(xiàn)多峰。探頭平移時(shí),反射波連續(xù)出現(xiàn),波幅有變動;探頭轉(zhuǎn)動時(shí),波峰有上下錯(cuò)動現(xiàn)象。另外,裂紋也易出現(xiàn)在焊縫熱影響區(qū),而且裂紋多垂直于焊縫,探測時(shí),應(yīng)在平行于焊縫方向掃查。如果有裂紋,超聲波能直射至裂紋,便于發(fā)現(xiàn)。這種缺陷是由于焊縫金屬沒有添到接頭根部而形成。分布在焊根部位,兩端較鈍,有一定長度,屬于平面狀缺陷。當(dāng)探頭平移時(shí),未焊透反射波波形穩(wěn)定;從焊縫兩側(cè)探傷,均能得到大致相同的反射波幅。熔焊時(shí),焊道與母材之間或焊道與焊道之間未完全熔化結(jié)合的部分就叫未熔合。當(dāng)超聲波垂直入射到其表面時(shí),回波高度大。但如果探傷方法和折射角選擇不當(dāng),就有可能漏檢。未熔合反射波的特征是:探頭平移時(shí),波形較穩(wěn)定;兩側(cè)探測時(shí),反射波幅不同,有時(shí)只能從一側(cè)探到。2錯(cuò)誤波的識別焊縫超聲波探傷中,熒光屏上除了出現(xiàn)缺陷回波以外,還會出現(xiàn)偽缺陷波,它并非由焊縫中缺陷造成且類型較多。2.1頭靈敏度調(diào)節(jié)過高在不接探頭的情況下,由于儀器性能不良,探頭靈敏度調(diào)節(jié)過高時(shí),熒光屏上出現(xiàn)單峰或者多峰的波形。接上探頭工作時(shí),此波形在熒光屏上位置固定不變,降低靈敏度后,此波消失。2.2由焊接表面溝產(chǎn)生的反射波當(dāng)超聲波掃查到多道焊縫表面形成的一道道溝槽時(shí),會引起溝槽反射。這種波一般出現(xiàn)在一,二次波處或稍偏后位置,波形特點(diǎn)為不強(qiáng)烈,遲鈍。2.3上下層焊縫錯(cuò)位板材在加工坡口時(shí),上下刨得不對稱或焊接時(shí)焊偏會造成上下層焊縫錯(cuò)位。由于焊縫上下焊偏,在一側(cè)探傷時(shí),焊角反射波很像焊縫內(nèi)缺陷,當(dāng)移到另一側(cè)探傷時(shí),一次波前沒有反射波。2.4反射回波的誤判對接焊縫超聲波探傷時(shí),探頭下擴(kuò)散聲束在焊縫表面的反射回波很容易被誤判為缺陷。通過采用不同角度探頭進(jìn)行探傷試驗(yàn),弄清了這種假缺陷回波產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)。3試驗(yàn)證實(shí)3.1回波的位置和回波幅在厚板環(huán)縫超聲波探傷(B級)時(shí),常發(fā)現(xiàn)距背面3～8mm深度范圍內(nèi)的熔合線附近有不同長度連續(xù)的超標(biāo)反射回波,有時(shí)甚至在焊縫全長都有此反射波。以某60mm厚管節(jié)為例,其焊縫結(jié)構(gòu)如圖1所示。使用折射角β=60°的探頭和數(shù)字式增益型探傷儀探傷,其回波指示位置見表1,波幅均處在DAC曲線Ⅱ區(qū),也有個(gè)別點(diǎn)達(dá)到Ⅲ區(qū)。對于這種反射波,按照常規(guī)的判斷很容易被評定為未熔合或母材中的缺陷,當(dāng)拍打背面焊縫區(qū)時(shí)波幅變化不明顯。然而砂輪打磨背面焊縫時(shí)可見波幅逐漸降低直至消失。這說明該反射波是來自于背縫的焊縫表面。這種現(xiàn)象極易導(dǎo)致誤判,造成不必要的返修。為此,作者進(jìn)行了一些試驗(yàn),分析這種反射波產(chǎn)生的原因。3.2回波深度分析試驗(yàn)1選取圖1所示并經(jīng)探傷確認(rèn)鋼板中無缺陷。在鋼板背面模仿實(shí)際焊縫余高進(jìn)行堆焊。采用不同角度探頭進(jìn)行探傷,發(fā)現(xiàn)了類似的回波,其回波指示位置見表2。從表2可見,用前三種折射角的探頭,儀器指示深度均<60mm。按常規(guī),應(yīng)判為鋼板中有缺陷,但實(shí)際鋼板堆焊前經(jīng)探傷并無缺陷。試驗(yàn)2由于試驗(yàn)1的焊縫表面形狀有隨機(jī)性,所以又制作了形狀準(zhǔn)確的對比試塊(圖2)。左下40°斜面為刨床加工。測試結(jié)果見表3。從表3中可以看出,用前三種探頭探測對比試塊同樣存在偽缺陷波,即儀器指示深度均<60mm,而且反射回波幅度更高。由此可見,用66°,63°及55.5°探頭探傷時(shí),試驗(yàn)1,2中的下部焊縫表面和40°斜面均不利于軸線聲束反射,故看不到軸線聲束的反射波,看到的是擴(kuò)散聲束的回波(見圖1探頭聲束)。所以雖然反射面深度>60mm,而儀器指示深度卻反而<60mm。但當(dāng)使用45°探頭時(shí),由于試驗(yàn)2的40°斜面與軸線聲束接近垂直,所以有較強(qiáng)的軸線聲束反射波(DAC-8dB),指示深度也>60mm;而試驗(yàn)1的焊縫表面反射條件不如40°斜面,但仍能得到軸線聲束的反射回波,只是相對45°斜面其回波能量較低(多在DAC曲線Ⅰ區(qū)),儀器指示深度也是>60mm。試驗(yàn)3試驗(yàn)1和2都是用一次波對厚板進(jìn)行探傷的試驗(yàn)。為了考察中厚板是否存在此偽缺陷回波,又選擇了厚度為34mm的管節(jié)環(huán)縫(圖3)進(jìn)行了試驗(yàn)。經(jīng)測試,這種產(chǎn)生于焊縫趾部(A點(diǎn)附近)的假缺陷回波,在K2探頭置于B點(diǎn)和C點(diǎn)時(shí)用一,二次波掃查都能發(fā)現(xiàn),這時(shí)二次波掃查時(shí)的指示位置為:聲程指示131.9mm;水平指示118.0mm;深度指示59.09mm;在DAC曲線的Ⅱ區(qū)。焊縫趾部附近經(jīng)打磨后,該回波消失。從試驗(yàn)可見回波有如下特點(diǎn)①探傷儀的回波聲程指示是入射點(diǎn)到焊縫表面反射點(diǎn)的距離。②探傷儀的回波指示位置在工件內(nèi)部焊縫熔合線附近(45°探頭除外)。③探頭折射角越大,回波深度指示越小。④45°折射角探頭儀器的深度指示位置等于或大于板厚。⑤回波幅度與反射面的反射條件有關(guān)。⑥打磨余高后回波幅度變小直到消失。3.3儀器指示的錯(cuò)誤上述試驗(yàn)證實(shí)了假回波的反射面在焊縫表面,但為什么深度指示會遠(yuǎn)小于板厚而不是大于板厚,其原因是聲束是擴(kuò)散的,若反射面只有利于擴(kuò)散角內(nèi)某部分聲束反射時(shí),其所得回波再用軸線聲束計(jì)算,顯然會出現(xiàn)錯(cuò)誤。在此可以借助于RB2對比試塊進(jìn)一步說明(圖4)。MO聲線與?3mm孔交于B,而LO聲線與?3mm孔交于A;MB的水平聲程MF為116.8mm,而LA的水平聲程LE為98.83mm。用三種探頭分別找到試塊中60mm深橫通孔的最高反射波,然后向前移動和向后移動探頭,到波幅降到一半時(shí)(DAC+6dB)記下聲程指示,此時(shí)的儀器指示見表4?，F(xiàn)以63°探頭前移為例進(jìn)行分析,當(dāng)入射點(diǎn)在M時(shí),探頭的軸線聲束(63°)與?3mm孔反射面垂直,回波最高,此時(shí)聲程為圖4中的BM=131.1mm,深度BF=59.56mm,水平距離FM=116.8mm。探頭前移至L時(shí)(波幅下降一半),軸線聲束移為CL,此時(shí)CL在?3mm孔上已無反射面,所以此時(shí)的回波不是軸線聲束的反射,而是下擴(kuò)散角內(nèi)與?3mm孔反射面垂直的某聲束AL的反射波。此時(shí)儀器的指示聲程是AL的真實(shí)聲程113.5mm,但AL的折射角β=arccos60°/(113.5+1.5)=58.55°,實(shí)際深度AE=cos58.55°×113.5=59.22mm,實(shí)際水平距離EL=sin58.55°×113.5=96.83mm。上述計(jì)算結(jié)果顯然與儀器的指示深度和水平距離不同。儀器指示的數(shù)據(jù)是按無反射條件的軸線聲束計(jì)算的,所以是錯(cuò)誤的。其指示深度比A點(diǎn)的實(shí)際深度提高了7.7mm,水平距離前移了4.3mm。換言之,即把A點(diǎn)反射波誤指示為無反射的C點(diǎn)。同樣道理,在實(shí)際焊縫探傷時(shí),若焊縫表面某點(diǎn)不利于軸線聲束反射而只與下擴(kuò)散角范圍內(nèi)某部分聲束相垂直時(shí),則得到較高回波,其聲程也會錯(cuò)誤地被指示為軸線聲束反射的聲程。(1)扁平缺陷(2)缺陷(3)咬邊緣(4)但是，(5)未焊接的瑜普(6)偽缺陷回波機(jī)理實(shí)際上無論探頭角度多大,這種擴(kuò)散聲束在焊縫表面引起的偽缺陷回波現(xiàn)象都可能存在,主要取決于有效反射面的大小、方向、形狀和粗糙度等。為了與變型波區(qū)別,更應(yīng)該稱其為變角回波。4焊縫