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1、超声波检测对直缝埋弧焊钢管的质量控制汪超 马立立 张航南京巨龙钢管有限公司 邮编：210061摘要:在双面埋弧焊钢管焊缝超声检测中，如何鉴定、判别回波超标是个关键问题。通过分析双面埋弧焊钢管焊缝实际超声波检测的特点，包括超声回波信号的偏析、夹杂、裂纹和母材分层等引起超声缺陷信号或非缺陷信号和钢管曲率半径对缺陷定位的影响，总结出耦合剂反射波、焊缝表面焊痕反射波、焊缝上下错位引起的反射波以及焊缝余高或咬边形成的非缺陷波四种伪缺陷波的成因和鉴别方法，提高伪缺陷波判别的准确性, 为直缝埋弧焊钢管实际超声波检测提供了新的思路和方向。关键词：回波 曲率半径 缺陷 伪缺陷 准确性Quality Contro
2、l Of LSAW Steel PipeBy Ultrasonic TestingSummary: Identify and determine excessive wave is the key problem in welding seam ultrasonic inspection of double-submerged arc-welded steel pipe. This paper analyzed the characteristic of practical welding seam ultrasonic inspection of double-submerged arc-w
3、elded steel pipe, which including defective signal or non-defective signal caused by segregation of ultrasonic echo, inclusion, crack and lamination and the curvature radius influence to defect location, and then get the cause and discrimination method of false defect wave formed by four ways, which
4、 are couplant reflected wave, surface weld mark reflected wave, welding dislocation reflected wave and welding seam reinforcement or undercuts defect wave, and thus further improving the discriminated accuracy of the false defect wave，offering new idea and orientation for LSAW.Keyword: Echo Wave; Cu
5、rvature Radius; Defect; False Defect; Accuracy0 引言超声波检测是质量控制的重要手段，也是质量管理体系的一个重要支持过程，在直缝埋弧焊钢管形成过程中起到对上道工序质量把关和对下道工序预防的双重作用。目前，在双面埋弧焊缝超声检测时经常出现回波超标问题，此问题已成为阻碍正确判断缺陷因素之一，给超声检测人员的判定带来严重的干扰和影响，进而影响生产进程。本文通过实践所观察到的现象进行分析，对超声回波信号和缺陷定位提出了一些观点。1 回波信号分析焊接接头由焊缝及热影响区两部分组成。焊接熔池从高温冷却到常温，期间经历一次结晶和二次结晶。二次结晶不仅仅发生在焊缝
6、，也发生在靠近焊缝的金属区域，该区域在焊接过程中受到不同程度加热，在不同温度下停留一段时间后又以不同速度冷却下来，最终获得各不相同的组织和机械性能，称为热影响区。根据组织特征可将热影响区划分为熔合区，过热粗晶区，相变重结晶区和不完全重结晶区四个小区。其中熔合区和过热粗晶区组织晶粒大，塑性低，是产生裂纹，局部脆性破坏发源地，是焊接接头的薄弱环节。所以热影响区缺陷(欠)问题不同于焊缝中的缺陷,处理起来较为复杂,对钢管质量影响较大。根据对超声报警超出验收标准的部位取样进行热酸蚀等理化分析和碳弧气刨及胶片拍片,得出下列结论: （1）钢管热影响区母材存在不同程度的夹杂物等问题我们采用API 5L(44版
7、)标准，在用2.5P8X12K2探头检测1016X21mm规格的钢管，发现深度在14到18mm左右，水平距离定位在焊趾边靠母材约25mm处有强烈反射波出现,缺陷信号断断续续出现。超基准波幅（1.6mm竖通孔100%波高）10dB,探头移到焊缝对侧则缺陷波反射很低或较难探测到。同时缺陷波根较宽, 波峰为毛粗，主峰边上有小峰，根部带有小波，探头移动时，波形变化明显，从各个方向探测，反射波幅不相同，呈现出夹杂反射波特征。该信号出现在热影响区的母材区域，按照API 5L(44版)标准，PSL2的钢管母材不许补焊。为慎重起见，我们抽取超过基准波幅10dB以上且连续长度超过10mm的多处反射波位置进行细颗
8、粒胶片拍片,发现部分反射波位置在内焊趾轮廓线处有点状夹杂, 夹杂按API 5L（44版）标准评定合格。根据超声波和X射线探伤确定缺陷的横断面部位截取试样进行热酸腐蚀，发现熔合线靠母材侧有孔洞和夹杂物，该夹杂物符合ASTM E45标准要求。腐蚀试样见图1和图2 图1 试样中发现的腐蚀孔洞 图2 试样中发现的B类夹杂物（2）焊角回波及变形波少部分的反射信号是由于焊缝与母材交界处的焊角回波及变形波产生,因此需准确调整超声仪器，判定回波产生的位置。当横波声束入射到探头对侧焊缝下表面的某些部位时(图3)，其反射横波S和反射纵波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，形成变形横波和变形纵波
9、，与第一次底波一起，在荧光屏上显示，形状象“山”字形（图4）。内坡口变形波的传播和波形，在示波屏上有些变形波正好在二次波探测的范围内，往往可能被误判为二次波发现的缺陷。识别方法是：变形波在很大范围内，甚至在整个焊道的周围上都有。因此可将探头平行于焊缝移动以审 图3 横波探伤时产生的变形波 图4自动焊中的山字波视鉴别。焊角反射波可作如下判别（图5和图6）： 图5 图6图5：探头A若没有缺陷就没有焊角反射波，探头B有焊角反射波。图6：探头在C位置时有焊角反射波，在D位置时无焊角反射波。（3）焊趾裂纹用于油气输送的直缝埋弧焊管，一般均需冷扩径。在冷扩径后，焊管在焊趾或热影响区部位可能会出现裂纹，产生
10、的原因可能是多方面的。API 5L(44版)规定，冷扩径管焊缝要求无损检验应在冷扩径后进行。超声检测裂纹反射波信号特征：反射率高，当探测方向有利时反射波高度较大，波形较宽，探头平行移动时，反射波连续出现，波幅有变动，探头摆动时，波峰有上下错动现象，多峰波交替出现最大值，摆动角度较大。部分超声反射波形判定为裂纹缺陷信号的，经过取样金相实验证实裂纹的存在。如下图7、8所示 图7 焊趾裂纹图 图8趾裂纹波形图（4）偏析回波我们在对材质为X70，厚度为21mm的钢结构钢管焊缝探伤中，发现一条焊缝在板厚一半深处左右，有一反射信号出现。当反射波出现时，波型特征似微小裂纹波型，反射位置偏向焊缝坡口边沿母材侧
11、，沿焊缝长度方向，断断续续出现。在其反射波的位置上，切取试样进行分析，磨制金相观察面后经抛光盐酸煮沸观察，未发现裂纹等缺陷，在超声波探伤一侧母材区域发现有一个弧形亮白区，经测定，弧形亮白区超声衰减系数大于其它部位，说明弧形亮白区的晶粒结构粗大，对超声传播产生很大影响。显微组织观察发现弧形亮白区为与母材色泽不同的部位呈严重带状分布的组织，这是因为成份偏析所造成的一种粗晶粒组织。晶粒粗对传播的影响很大，所以横波探伤时，在弧形亮白区位置，会产生回波信号。根据探伤中遇到的情况，初步判断为金属元素偏析的超声回波信号。根据波型特征方面看，偏析的回波信号波幅低而稳定，波峰尖锐，陡峭，波根狭窄；从波型特征方面
12、分析，探头移动到回波信号位置，反射波幅不高，缺陷深度出现在板材厚度的中间，偏向焊缝边沿，当探头垂直于焊缝前后移动时，反射波很快消失，相似于板材夹层对焊缝边沿的影响，探头平行于焊缝移动时，反射波稳定，可以移动一定距离，后慢慢消失。此类波型，很容易误判为裂纹缺陷波。部分超基准波幅按API 5L验收则不合格。因回波在母材区域，按API5L PSL2要求母材不许返修，重新对该母材区域进行直探头检测，和钢板探伤时的反射信号一样（图9），另对反射信号最高的部位取样作金相实验，看到母材有断续的分层(图10)。 图9 母材分层的超声直探头A扫描信号 图10 母材的分层（金相试样）2 曲率半径对缺陷定位的影响及
13、修正根据超声波探伤原理，对曲率半径为R的工件，若仪器显示的缺陷深度为d/2（d为显示屏的读数），实际的缺陷深度为H，可以推导出下列公式 （1）当k=2，R=508时，d与H的对应关系如表1所示表1d/2 Hd/2 Hd/2 Hd/2 H5 510 914 1318 168 812 1116 1420 18可以看出，缺陷的实际深度H比探伤仪显示的深度d/2要小，并且两者的差值随d/2值的增大而增大。若直接以d/2定位，将会导致定位错误，造成缺陷的漏检和误判，应根据表1或公式（1）求出实际的缺陷深度。3 提高伪缺陷波判别准确性的方法在钢管焊缝超声探伤中，因为钢管焊接的工艺特点，示波屏上常常除始波和
14、缺陷波外，还会出现一些由其它原因引起的伪缺陷回波，这些伪缺陷波干扰了对缺陷波的正确判别。以下就是生产中出现的四种伪缺陷波的成因和鉴别方法。（1）耦合剂反射波理论上要求耦合层厚度为半径长的整数倍。耦合剂稠度太大，流动性不好；耦合层厚度太厚，容易堆积在探头前部，从压电晶片反射的纵波有一部分转换成表面波，造成反射信号，用手轻轻抹掉探头前部的耦合剂，该波即会消失。（2）焊缝表面焊痕反射波这种反射波在钢管现场对接焊缝中出现较多，由于钢管长度偏差，加上多层结构的累积误差，使部分钢管柱对接时焊缝宽度过大，多道施焊使焊缝表面形成一道道焊痕（图11）。当超声波扫查到焊痕时，会引起焊痕反射，该反射波信号不强烈，迟
15、钝，一般出现在一、二次底波稍偏后位置。识别方法是将探头固定不动，用手沾耦合剂轻轻拍打焊痕处，该波则出现轻轻跳动。 图11 图12 （3）焊缝上下错位引起的反射波这种反射波主要出现在钢管现场对接焊缝检测中，是由于钢管上下对接时，轴线偏差引起的。图12所示焊缝上下焊偏，在（A侧）探伤时，有缺陷反射波出现，如果将探头移动另一侧（B侧）同位置处探伤，在一次波前没有反射波，或测得的反射波的水平距离在母材上，说明该波是由于焊缝上下错位引起。（4）焊缝余高或咬边形成的非缺陷波当焊缝过高或咬边，很容易形成边角反射，影响判别。判别方法是精确计算声程距离，根据显示屏显示的数据，确定缺陷的深度，或水平位置来判别是否
16、为缺陷波；用手沾耦合剂轻轻拍打焊缝两侧，如反射波信号出现跳动，则说明该反射波是因为焊缝余高而造成的边角反射，并非缺陷波；利用手动电磨对焊缝余高或疤痕进行打磨后再进行检测，若此时反射波消失，则该反射波是非缺陷波。4 结论该实践表明，超声探伤是钢管焊缝无损检测的有效手段之一。为保证钢管质量和理顺生产过程，对回波超标信号问题的钢管一般按下列方式处理：（1）超声反射信号超标，根据回波波形等判断为缺陷且符合补焊要求的严格按补焊规程补焊，补焊后按原超声标准进行复探。（2）综合运用各种无损检测方法和破坏性方法相结合。对于钢管热影响区反射信号超标，不能准确判断缺陷性质，可采用射线拍片进行确认，为弄清缺陷性质，
17、在管端的可取样分析。（3）判断为可能由于焊趾或变形波而引起的反射信号，需准确调整好超声仪器，进行精确定位，或用砂轮机对反射信号区域进行仔细打磨，打磨后再进行超声波复验，可发现反射信号消失，则可判断为焊趾反射或变形波。（4）判断为表面或近表面缺陷（欠），用砂轮机进行仔细修磨，修磨后再进行超声波复验，并进行磁粉检验和测厚，确保缺陷彻底消除。（5）缺陷（欠）位于管端或靠近管端，不符合补焊要求或切除含有缺陷（欠）管段后仍满足交货长度要求的钢管，可进行切除处理。（6）钢管的曲率半径对缺陷定位判别有一定影响，当对钢管纵向焊缝进行检测时，应进行曲率修正，以提高缺陷定位判别的准确性。探伤前应了解工件焊接工艺和焊接方式，根据具体的焊缝工件结构表面状况，焊接现场等情况对检测结果进行分析，确定是缺陷还是伪缺陷，减少误判。参考文献：1胡天明 超声探伤【M】武汉：武汉测绘科技大学出版社，1994.2超声探伤编写组 超声波探伤【M】北京：劳动人事出版社，1989.3张文钺著金属熔焊原理及工艺北京，机械工业出版社，1981年.4API 5L:2007,管线钢管规范第44版.5ASTM E273 焊接钢管焊接区超声波检验标准作法.6ASTME114 接触式超声波纵波脉冲回波检验标准作法.11