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—第一介质中的声速
C2—第二介质中的声速
α—第一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。这样超声波的强度就大大降低，影响了探伤灵敏度。
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。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缺陷定位的影响
由于几何反射信号的存在，在探伤中定位方法的选取就很重要。为了定位的准确，必须在调整仪器时利用远场区进行定位。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，可以满足远场定位的要求。
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。
3.1.2仪器
仪器最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定位法调节扫描基线，并用10㎜深的孔进行校准。（也可采用声程定位法进行调节）
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。石油天然气行业的 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定位，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。
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，对根部缺陷用定位法扫查。
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。
4.1.3焊缝内表面引起的反射信号
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，水平定位时多在焊缝中心。
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。
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。就是垫圈间隙波和未焊透缺陷波的比较。
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。水平定位时，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。
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，水平定位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定位的准确程度。坡口未熔合水平定位多在靠近探头侧，几何反射波水平定位多在远离探头侧。
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。
