小直徑薄壁焊管超聲波和射線檢測對比

王冬林，衛 棟，田新新，李昱坤，雷凌云，巨敬偉

（中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管工程重點實驗室，西安710077）

小直徑薄壁焊管超聲波和射線檢測對比

王冬林，衛 棟，田新新，李昱坤，雷凌云，巨敬偉

（中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管工程重點實驗室，西安710077）

簡要介紹了小直徑薄壁焊管的特點及檢測存在難點。對小直徑薄壁焊管的超聲和射線檢測進行了重點分析，總結了超聲和射線檢測時各重點參數的選擇原則。最后對兩種檢測方法進行了比較。結果表明，射線檢測對體積型缺陷的檢出率較高，而超聲檢測對面積性缺陷的檢出率較高；射線檢測很難精確確定缺陷在工件厚度方向的位置和尺寸，而超聲檢測不存在此問題；射線檢測比超聲檢測更適宜薄壁工件的檢測。

焊管；超聲檢測；射線檢測；靈敏度

1 小直徑薄壁焊管的特點及檢測難點

1.1 焊縫有余高

小直徑薄壁焊管檢測時要求的探傷靈敏度較高，但在較高靈敏度的超聲波檢測中，焊縫余高容易造成雜波、偽缺陷波等，增加了缺陷定性和定位的難度；在射線檢測中，由于存在焊縫余高，雙壁雙影成像法必然會造成較大的透照厚度差和膠片比較大的黑度范圍，如何保證標準中規定的像質指示黑度（最大不能超過30%、最小不能低于15%的黑度值）成為射線檢測的難點，并且由于焊縫余高的存在造成小直徑焊管和補償板不能有效耦合，從而導致射線照相過程中形成大量的散射線，影響成像質量。

1.2 管壁薄、管壁曲率較大、管徑小

在超聲波檢測中，管壁曲率大造成超聲波傳播路徑更加復雜，聲能損失大，經過多次發散、聚集聲壓反射異于常規，使聲能有一定量損失，降低了檢測靈敏度[1]；在射線檢測中，小直徑焊管的直徑遠小于定向射線機的窗口規格，造成散射線及軟射線成像控制困難；容易引起像質計的連續寬度大于小直徑焊管的直徑，造成像質計擺放困難。

1.3 管壁、外徑存在制造公差

在超聲波檢測中，外徑、管壁的制造誤差會造成同一截面管子在壁厚方向上存在偏差，而對于小直徑薄壁焊管來說，壁厚偏差將對缺陷的判定、定位產生較大影響。同理，在射線檢測中，管壁、外徑的制造公差，極易造成底片黑度變化的不均勻，同樣會影響缺陷的判斷。

2 小直徑薄壁焊管超聲波檢測研究

2.1 探頭參數選擇

探頭參數選擇主要包括頻率、折射角、探頭前沿距離、聲束交點等。

2.1.1 頻率

頻率的選擇與被檢測工件的材質、晶粒尺寸和工件厚度等因素有關。由于管壁較薄，結合面小、一次波檢測，聲程較短，因而超聲波能量的衰減可以不予考慮。加之反射雜波多，在這種場合下，提高頻率是較小聲場指向角的唯一途徑[2]。因此，考慮雜波、指向性等因素，頻率選用5 MHz較為適宜。

2.1.2 折射角

折射角的選擇是為保證一次波檢測有足夠大的聲程W、避開近場區以及較大的水平距離P，這樣超聲一次波才能探測到焊縫根部，一般折射角 β宜選取 65°～75°的范圍。

2.1.3 探頭前沿距離

探頭入射點至探頭前沿的距離L0應該是越小越好，這樣可以保證一次波束的檢測能夠涵蓋焊縫根部。對于小直徑薄壁焊管，L0取為4～6 mm較為適宜。

2.1.4 聲束交點

對于小直徑焊管，聲束交點的位置對檢測質量將產生較大影響，從是否能檢測根部缺陷來考慮，通常聲束交點深度t的選擇宜在下式范圍內：

式中：T—被檢測焊管的管壁厚度。

考慮到探頭的移動性，聲束交點的水平距離P宜在下式范圍內：

式中：b—焊縫寬度；

L0—探頭入射點至探頭前沿距離。

綜合以上考慮，在小直徑薄壁焊管的超聲波檢測中，探頭參數宜為：頻率5 MHz，折射角在65°～75°之間， 探頭前沿的距離 L0在 4～6 mm 之間，晶片尺寸為6 mm×6 mm。

2.2 對比試塊

小直徑薄壁焊管超聲檢測所用試塊應選取與被檢工件的規格、材質、熱處理工藝和表面狀況想類似的工件制備[3-5]，試塊中不能有影響人工缺陷正常指示的自然缺陷。比如靈敏度試塊的制作，應從被檢測同類焊管（一般是降級管）中截取一段通過機械加工而制成，先以不允許未焊透深度確定槽深，加工出φ2 mm刻槽，隨后將樣管縱剖成兩半，并在管體內壁鉆φ1.5 mm×2 mm的淺縱孔，具體靈敏度試塊如圖1所示。

圖1 靈敏度試塊示意圖

2.3 檢測方法

2.3.1 掃描速度

為了實現缺陷的準確定位并能良好的分辨出偽缺陷信號，需要采用更快的掃描速度，通常取2︰1為宜。在實際手動檢測過程中，應該控制螺距以確保被檢工件100%的覆蓋率，并且保證實際檢測速度不大于對比試塊的人工缺陷發現的最大速度。

2.3.2 靈敏度

在小直徑薄壁焊管焊縫檢測中，檢測結果的準確性取決于設定的靈敏度。實際調節靈敏度時，需用圖1試塊的淺縱孔和φ2 mm刻槽人為調節，找到淺縱孔和φ2 mm刻槽人工缺陷回波，通過增益調節將一次波最大回波高度調節到基準波高的60%，為了彌補檢測中的動態誤差，應該提高6 dB靈敏度進行檢測，防止發生漏檢。

2.3.3 檢測方式

檢測時，探頭應始終對著焊縫，沿焊縫作鋸齒形移動，并以4°～6°的角度擺動探頭，以便發現各種形狀的缺陷。實際檢測過程中，要保持探頭壓力平穩，移動速度均勻，以保證耦合良好，先以高靈敏度（理論靈敏度+6 dB）粗探一遍，發現缺陷后在焊縫相應位置做好標記，然后用理論靈敏度再仔細查找，以便對缺陷進行定性、定位[6]。

2.3.4 缺陷的定位、定性

由于焊縫內最危險的缺陷，如裂紋、未熔合、未焊透等大都產生在焊縫根部，因此主要采用一次波進行定位，一般根部缺陷不需對深度方向進行準確定位，只需準確定出水平位置即可。超聲檢測缺陷定位如圖2所示，實際檢測中，檢測儀器一般按照聲程1︰n調節橫波掃描速度，假定缺陷波檢測儀顯示水平刻度為τf，一次波檢測時，按圖2所示，可得出缺陷水平距離lf的計算公式

圖2 超聲檢測缺陷定位示意圖

缺陷定量主要用當量法測定，根據工作經驗用已知大小的實際自然缺陷和對比試塊進行比較確定。缺陷性質主要依據各種缺陷對應的超聲波特點進行判定，但要注意偽缺陷波的識別。小直徑薄壁焊管超聲檢測偽缺陷波主要包括根部熔透度、聲束擴散引起的反射波以及一些雜波。實際檢測辨別缺陷時，可根據探頭位置、聲程的不同來識別。

3 小直徑薄壁焊管射線檢測研究

3.1 X射線輻射場與能量的選擇

定向X射線管管軸線與陽極靶的夾角大約為20°，X射線束會形成一個空間錐形發出，不同方位的射線強度有所不同。對空間各方位的X射線強度進行測試，射線強度分布如圖3所示。為了保證底片黑度滿足照相的靈敏度，要求射線管強度不均勻性≤20%。在透照小直徑薄壁焊管焊縫時，應盡量選擇焊縫與X射線管的軸線垂直的射線輻射場，以便得到黑度較均勻的底片。

圖3 X射線輻射強度分布圖

X射線機的管電壓可以調節，管電壓越高，對應的射線能量越大，X射線的穿透力也越強，散射比n也較小；但是，過高的射線能量容易造成射線照相的靈敏度下降，因此，從靈敏度角度考慮，應在保證足夠穿透力的前提下，選擇能量較低的X射線[7]。一般X射線能量對應的透檢最大厚度見表1，鑒于小直徑薄壁焊管透照厚度的要求以及一般選用高靈敏度法進行射線檢測，選擇200 kV的X射線。

表1 一般X射線能量所能透檢的最大厚度

3.2 焦距的選擇

焦距的選擇會影響射線檢測的靈敏度，這種影響是通過幾何不清晰度來體現的。結合小直徑薄壁焊管雙壁雙影透照方式的實際情況、幾何不清晰度公式（4）以及焦距公式（5），可以得出焦距的計算公式（6）。

式中：F—射線源至膠片的距離，mm；

f—射線源至工件表面的距離，mm；

b—工件厚度(管徑D+焊縫余高h)，mm；

d—射線源焦點尺寸，mm；

Ug—幾何不清晰度，mm。

JB/T 4730.2—2005明確規定了幾何不清晰度Ug的最大值和透照距離f的最小值，由公式（6）可以看出，當要得到焦距最小值時，應該將透照距離f取最小值、幾何不清晰度Ug取最大值。最小焦距與透照距離成正相關關系、與幾何不清晰度成負相關關系。實際檢測中，為了保證有足夠的均勻強度透照場，較大的有效透照長度，一般采用的焦距比最小焦距要大很多。根據現場經驗，小直徑薄壁焊管射線檢測時，為了保證清晰度和檢驗效率，一般采用F≥10倍管徑，取700～800 mm之間。

3.3 透照方式的選擇

GB/T 12605—2008規定了小直徑薄壁焊管D≤76 mm時采取雙壁雙影法；76 mm＜D≤89 mm時采用雙壁單影法[8]；JB/T 4730.2—2005規定，對外徑D0≤100 mm的小直徑焊管環向對接焊接接頭采用雙壁雙影透照布置，當同時滿足下列兩條件時應采用傾斜透照方式橢圓成像：①壁厚T≤8 mm；②焊縫寬度g≤D0/4。橢圓成像時，應控制影像的開口寬度在1倍焊縫寬度左右。不滿足上述條件或橢圓成像有困難時可采用垂直透照方式重疊成像[9]。由標準可知，小直徑薄壁焊管射線透照方式有雙壁雙影和雙壁單影兩種。

雙壁雙影透照方式是指射線源焦點與焊縫中心偏離一定距離，膠片放在另一側焊縫表面上，使得環焊縫在底片上影像呈橢圓顯示的一種透照方法。橢圓影像的開口寬度一般約等于焊縫寬度，采用雙壁雙影透照方式可以將環焊縫上下半圓的影像分開，便于底片的評定和對缺陷的精確定位返修。該透照方式在大多數時候僅需較少的透照次數，降低了成本，提高了檢測效率。

在檢查根部裂紋和未焊透等面狀缺陷，或者橢圓成像有難度時，才會選擇垂直透照方式，以獲得重疊影像。垂直透照方式也是雙壁雙影透照。橢圓顯示有困難是指：射線方向難以調整至橢圓顯示或發現根部面狀缺陷有困難時的情況等[10]。采用垂直透照方式檢測到缺陷時，由于影像重疊，不能分辨缺陷是處于射源側或膠片側，故只能返回對焊縫進行整體返修。

3.4 曝光參數的選擇

曝光參數要依據曝光曲線來選擇，曝光量對成像的顆粒度、信噪比及對比度影響較大。當射線強度、曝光時間或焦距任一參數改變時，可以通過互易定律、平方反比定律和曝光因子對其他參數進行修正。

3.5 缺陷的定位、定性

橢圓成像會對影像進行畸變、重疊、放大，有時的設置會使缺陷相對位置改變，因此要充分考慮幾何投影關系才能對缺陷進行準確定位。實際評片時，可以根據經驗判定出某些缺陷的位置，如V形坡口的管道焊口容易出現內凹缺陷、根部未焊透等。

射線評片定性要根據各種缺陷形成原因及各種缺陷在底片上呈現的特點來進行判定。如裂紋和未熔合的區別為：未熔合影像其中一邊很平整，而裂紋兩邊均為鋸齒狀；未熔合和未焊透的區別為：未焊透影響兩邊均很平整，并且影像寬度恰好為鈍邊的間隙寬度，未熔合影像無固定寬度，并且只有一邊平整；除了判定出缺陷的種類，還要注意試件的外觀形狀、操作誤差、工藝等因素引起的偽缺陷的影響。

4 小直徑薄壁焊管超聲和射線檢測比較

（1）射線對體積型缺陷的檢出率較高，而超聲對面積性缺陷的檢出率較高。射線檢測能有效的檢查出氣孔、縮孔、夾渣等體積型缺陷，而對于裂紋、未熔合等面積型缺陷，由于受多種因素（如缺陷形態、透照幾何條件等）的影響，檢出較為困難。而超聲檢測正好相反。小直徑薄壁焊管超聲和射線檢測方法與缺陷類型的適應性說明見表2。

表2 小直徑薄壁焊管檢測方法與缺陷的適應性

（2）射線檢測很難精確確定缺陷在工件厚度方向的位置和尺寸，而超聲檢測不存在此問題。

（3）射線檢測比超聲檢測更適宜薄壁工件的檢測，超聲檢測薄壁管焊縫時，探傷管子容易在上下表面產生回波對真實缺陷造成干擾，影響對缺陷的評定。此外，超聲檢測還存在盲區等問題影響分辨率；而用射線檢測薄壁工件可以采取較低能量，可以減少散射線對照相影像的影像，獲得清晰的影像。

5 結語

小直徑薄壁焊管由于其固有的特點，如焊縫余高，管壁薄、管壁曲率較大、管徑小以及管壁、外徑存在一定的制造公差等，使得在對其焊縫進行無損檢測時存在一定的難點。超聲和射線是兩種不同的無損檢測方法，因而對不同類型缺陷的檢測率也不同，射線對體積型缺陷的檢出率較高，而超聲對面積性缺陷的檢出率較高。因此，在實際檢測中，要針對不同的缺陷類型，選用不同的檢測方法，以提高檢測的準確性。

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［7］葉永魁.特殊位置小徑管的射線探傷[J].無損檢測，2006， 28(04)： 220-221.

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［9］JB/T 4730—2005，承壓設備無損檢測[S].

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Comparison Between Ultrasonic and Radiographic Detection of Small Size Thin Wall Thickness Welded Pipe

WANG Donglin，WEI Dong，TIAN Xinxin，LI Yukun，LEI Lingyun，JU Jingwei
(Key Laboratory of Oil Pipeline Project,CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

In this article,it briefly introduced the characteristics and the testing difficulties of the small diameter thin wall thickness welded pipe,then analyzed two detection methods,the ultrasonic and radiographic detection,and summarized the choice of the key parameters for ultrasonic and radiographic detection.Finally,two kinds of detection methods are compared;the results indicated that the detection rate of radiographic test is higher for volume type defect,and the detection rate of ultrasonic test is higher for area defects;it is very difficult to accurately determine the position and size of defects in workpiece thickness direction for radiographic detection,this problem did not exist in ultrasonic test.Radiographic detection is more suitable for thin wall thickness workpiece.

welded pipe;ultrasonic detection;radiographic detection;sensitivity

TE973.6

B

1001－3938（2015）05-0057-05

王冬林（1985—），男，陜西西安人，工程師，主要從事石油管材的質量監督與檢驗工作。

2015-01-20

謝淑霞