焊管的偏析與超聲檢測研究

甘正紅，邢艷亮，周 帥，蘇繼權

（1.江蘇德創制管有限公司，江蘇 興化 225700；2.唐山市特種設備監督檢驗所，河北 唐山063000；3.湖南勝利湘鋼鋼管有限公司，湖南 湘潭411101）

焊管的偏析與超聲檢測研究

甘正紅1，邢艷亮2，周 帥3，蘇繼權1

（1.江蘇德創制管有限公司，江蘇 興化 225700；2.唐山市特種設備監督檢驗所，河北 唐山063000；3.湖南勝利湘鋼鋼管有限公司，湖南 湘潭411101）

針對焊管焊縫超聲檢測過程中，在熱影響區的中心部位沿焊縫的長度方向出現的異常回波信號，且補焊返修后重新檢測時回波仍然存在的問題，通過對該信號部位取樣進行理化試驗，找到了產生異常回波信號的原因。結果表明，焊縫熔合線及熱影響區母材存在的偏析是產生異常回波出現的原因。分析了焊管偏析的種類和形成原因，對偏析回波信號的超聲檢測識別進行了分析研究，說明超聲檢測結合理化試驗可以判斷焊管嚴重偏析的存在。

焊管；焊縫；偏析；超聲檢測

焊管因其自身優越的性能，應用范圍幾乎涉及所有結構領域，包括高層建筑、橋梁、體育場館、海洋平臺結構、特高壓輸變電鋼管塔等。該類焊管所用管材主要為Q345B、DH36、S355及具有Z向性能的結構鋼板，其厚度一般為20～50 mm[1-2]，更厚的也有達到80 mm的。這類焊管焊縫都需要進行超聲波檢測，檢測時一般執行 GB/T 11345—2013和 AWS D1.1/D1.1M等標準。

1 超聲檢測回波信號的分析

由于某些冶金不連續會產生非相關信號，所以不是所有超聲反射信號都表示缺陷，這些反射信號包括熱影響區中的平面偏析，這種偏析在制造后會反映出來[3]。按照GB/T 11345—2013標準，對材質Q345B、厚度32 mm的建筑鋼結構鋼管的焊縫進行檢測，評定等級為B級，靈敏度設定采用3 mm的橫孔技術，評定顯示依據GB/T 29712—2013標準，發現部分焊縫在板厚一半深度左右，沿焊縫長度方向，有連續或斷續的反射回波出現，顯示長度判為不合格。因為反射波位置偏向焊縫坡口邊沿母材側，通過波形辨別，初步判斷為坡口邊緣的未熔合類缺陷回波，回波在焊縫中的位置模擬及回波信號指示如圖1所示。遂后對該焊縫進行補焊返修，返修后再按照原標準要求對補焊區域重新進行復檢，仍然存在反射回波。考慮到焊接工藝比較成熟，在焊縫中產生如此連續間斷性未熔合缺陷的可能性不大，于是選取一處重新進行氣刨，在碳弧氣刨過程中，仔細觀察，肉眼未發現任何缺陷，二次補焊后超聲復檢，其反射波仍然存在。排除了焊接工藝和返修產生新缺陷的可能，為了找到回波產生的原因，在其反射波的位置上，切取試樣進行分析，磨制金相觀察面后經拋光鹽酸煮沸后低倍觀察，未發現裂紋和坡口未熔合等缺陷，但在超聲檢測一側母材厚度中心區域時很直觀的呈現了中心偏析的形態和分布，板厚中心呈現一定寬度的黑點和黑帶區域，靠近熔合線處，經測定，該區域超聲衰減系數大于其它部位，說明該區域晶粒結構粗大，對超聲波傳播產生了較大的影響。同時對該區域進行光譜測試，發現該區域的S和P等的含量比其它區域高，并且非金屬夾雜物也多，進行硫印試驗，在板厚中心呈現聚集的棕色小點，定性表明連鑄鋼板中心存在硫化物的偏聚，存在富硫帶，但焊縫中間部位沒有宏觀硫化物分布[4]，該區域的宏觀低倍照片及硫印試驗照片如圖2所示。由于板厚中心碳化物、硫化物和夾雜物的偏聚，且分布極不均勻，在熱酸侵蝕下被腐蝕、熔解或脫落，就直接呈現了圖2（a）的低倍形貌，從硫印和低倍形貌的這些特點，定性地反映了連鑄鋼板板厚截面存在成分和組織的偏析，尤其在板厚中心的偏析是最為嚴重的。

圖1 回波在焊縫中的位置模擬及回波信號指示

圖2 偏析的宏觀低倍照片及硫印試驗照片

2 偏析的產生及其影響

2.1 焊管母材的偏析

由于鋼鑄坯凝固過程中選分結晶的作用，樹枝晶的液體中會富集溶質元素，凝固時富集了溶質液體的流動導致了區域溶質元素分布的不均勻性，把這種化學成分的不均勻性叫做宏觀偏析或低倍偏析，主要表現為中心分布的不均勻性，即中心偏析，板坯橫斷面中C、S和P的含量在中心有明顯的升高，呈正偏析。中心偏析有兩種形成機構，即鼓肚偏析和凝固偏析[5]。鋼板軋制焊接后超聲檢測分別表現為長條缺陷和點密缺陷。

2.2 焊縫的偏析

焊接熔池的結晶過程也是一種不平衡的結晶過程，在焊接熔池一次結晶過程中，由于冷卻速度快，已凝固的焊縫金屬中化學成分來不及擴散，造成合金元素的分布不均勻，產生焊縫偏析現象。

焊縫偏析又可分為顯微偏析、區域偏析和層狀偏析3種。

顯微偏析是指熔池一次結晶時，最先結晶的結晶中心金屬最純，后結晶部分含其他合金元素和雜質略高，最后結晶的部分，即結晶的外端和前緣所含其他合金元素和雜質最高，在一個柱狀晶粒內部和晶粒之間的化學成分分布不均勻的現象。

區域偏析是指熔池一次結晶時，由于柱狀晶的不斷長大和推移，會把雜質 “趕”向熔池中心，使熔池中心的雜質含量比其他部位多的這種現象。焊縫的斷面形狀對區域偏析的分布影響最大，如厚壁焊管和其他結構件，采用窄間隙焊接，這樣窄而深的焊縫，各柱狀晶的交界在其焊縫的中心，焊縫中心就會聚集較多的雜質。

層狀偏析是指熔池在一次結晶的過程中，要不斷的放出結晶潛熱，當結晶潛熱達到一定數值時，熔池的結晶就會出現暫時的停頓現象，以后隨著熔池的散熱，結晶又重新開始，形成周期性的結晶，伴隨著出現結晶前沿液體金屬中雜質濃度的周期波動，產生周期性的偏析的現象。

在焊縫的邊界處熔合區，會出現更為明顯的成分不均勻，即焊縫的偏析，以熔合區最為嚴重。熔合區處于焊縫和母材的交界之處，在熔合區，固液界面附近的溶質濃度的分布與該元素在固液相中的擴散系數和分布系數有關。在焊接條件下，熔合區中元素的擴散轉移是非常激烈的，特別是S、P、C、B、O和 N等。采用放射性同位素（S35）研究熔合區硫的分布如圖3所示。由圖3可見，硫在熔合區的分布是呈跳躍式的[6]。由于熔合區存在嚴重的化學成分不均勻性，與此同時，還存在著物理的不均勻性，因此，其組織和性能也是不均勻的[7]。

圖3 采用放射性同位素（S35）研究的熔合區S的分布圖

熔合區是母材與熔池的界面，熔點 （Tm）溫度下由于S和P等雜質在固相中的平衡含量遠低于液相，造成近界面部位母材中的 S和P向焊縫中轉移，在界面前沿的液相中形成雜質元素富集層，隨后快速凝固在熔合區，導致熔合區的偏析。

熔合區的化學成分不均勻程度還與焊接規范有關，大的焊接線能量會使不均勻程度加劇，因此，對于偏析嚴重的母材，焊接時采用比較小的焊接線能量能減少熔合區的偏析。

2.3 偏析的影響

（1）某種元素偏析嚴重時容易產生粗細晶粒極不均勻的條帶組織，當超聲聲束橫向穿過時，這種層狀組織必然會對超聲波的轉播特性產生很大的影響[8]。

（2）偏析嚴重時會引起鋼板橫向塑性和韌性的明顯下降，導致彎曲試驗在熔合區出現裂紋，這是由于熔合區存在嚴重偏析，其組織均勻性較差，因而熔合區成為整個焊接接頭的薄弱部位。彎曲時，拉伸面上有裂紋出現，所以這些嚴重偏析可能是導致彎曲斷裂的主要原因[9]。

（3）嚴重偏析還導致耐酸氣管線鋼管氫致裂紋的出現。

3 偏析回波的識別

母材被反復加熱 （焊接或氣刨）、冷卻后由于熱脹冷縮作用，母材中心偏析和夾雜物與母材金屬逐漸脫離，并在熔合線處構成了反射條件，從而使反射回波被探頭接收產生信號指示。鋼材中心偏析和夾雜來源于鋼的冶煉和澆注過程。鋼板軋制完成后，存在于中心的夾雜和成分偏析用超聲斜射橫波難以發現，焊接后，在板厚方向上形成一定的拉伸應力，由于母材夾雜和基體結合力小，在焊接應力作用下發生脫離，當進行超聲檢測時，就出現可以探測到的回波信號。較嚴重的組織偏析在某種受力情況下易引起層狀撕裂缺陷或具有分層傾向[10]。

焊縫的熱影響區及周邊母材存在偏析，嚴重干擾焊縫的超聲檢測和缺陷回波的判斷，甚至會產生誤判。成分均勻性差，晶粒間和晶界兩側聲速和聲阻抗差異程度較大，對超聲波傳播的影響很大，所以超聲橫波檢測時，在偏析區域會產生回波信號。根據超聲檢測出現的回波情況，識別金屬元素偏析的超聲回波信號，首先根據靜態波型特征方面看，偏析的回波信號波幅低而穩定，波峰尖銳、陡峭，波幅根部狹窄；其次從動態波形特征方面分析，探頭移動到回波信號位置，反射波幅不高，缺陷深度出現在板材厚度的中間，偏向焊縫邊沿，當探頭垂直于焊縫前后移動時，反射波很快消失，相似于板材夾層對焊縫邊沿的影響，探頭平行于焊縫移動時，反射波穩定，可以移動一定距離，后慢慢消失。此類波形很容易誤判為坡口面的未熔合及裂紋缺陷波[4]。

識別偏析回波信號的步驟為：按采用的相關檢測標準和檢測工藝，查閱焊接坡口加工圖，繪制反射回波的輪廓圖，解釋反射回波所在焊縫區域位置；綜合運用其他無損檢測方法和破壞性檢測技術來判定回波信號（如文獻[10]采用TOFD技術加磁粉檢測、上文中采用理化性能試驗等）。

4 結 論

（1）常規超聲斜射橫波結合理化試驗可以檢測出焊管較嚴重的中心偏析。

（2）焊管焊縫超聲檢測熱影響區產生的回波信號可能由母材存在偏析以及焊縫熔合區的偏析引起，非焊接缺陷回波信號，與焊縫焊接本身質量無關。

（3）焊縫熔合區域的母材若存在較嚴重的偏析和夾雜物，就會對焊接產生一定的影響，甚至會進一步導致母材的層狀撕裂，嚴重影響焊管的實物質量。因此需要盡量控制母材的偏析和夾雜物程度，焊接時盡量采用較低的焊接線能量。

[1]甘正紅，方曉東，蘇繼權.鋼焊縫超聲檢測新舊標準對比分析[J].焊管，2015，38（7）：51-57.

[2]林明焰.淺談GB/T 29712—2013焊縫無損檢測 超聲檢測驗收等級的理解[J].科技研究，2014（24）：211-212.

[3]李衍.ME規范案例和焊縫超聲檢測新規定[J].無損檢測， 2005（2）： 100-104.

[4]鄭暉，林樹青.超聲檢測[M].第2版.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[5]王新華.鋼鐵冶金-煉鋼學 [M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]張文鉞.金屬熔焊原理及工藝（上冊）[M].北京：機械工業出版社，1980.

[7]陳平昌，朱元妹，李贊.材料成型原理[M].北京：機械工業出版社，2001.

[8]潘建華，謝寶琛.高溫合金的聲傳播特性[J].航空工程與維修，1994（7）： 8-10.

[9]吳群，王岳.焊縫超聲波串列掃查探傷方法中的幾個問題[J].撫順石油學院學報， 1998， 18（1）： 44-46.

[10]張軍雷.無損檢測對母材中心偏析綜合檢測結果淺析[J].技術與市場， 2013（10）：57-58.

Research on Segregation and Ultrasonic Testing of Welded Pipe

GAN Zhenghong1， XING Yanliang2， ZHOU Shuai3，SU Jiquan1
（1.Jiangsu Dechuang Manufacturing Pipe Co.,Ltd.,Xinghua 225700,Jiangsu,China；2.Tangshan Special Equipment Supervision and Inspection Institute,Tangshan 063000,Hebei,China；3.Hunan Shengli Xianggang Steel Pipe Co.,Ltd.,Xiangtan 411101,Hunan,China）

During ultrasonic testing process of welded pipe weld,the abnormal echo signal appear in the center of HAZ along the length direction of the weld,and the signal still exist after repair welding.Through the physical and chemical test for the sampling signal part,it found the reason caused abnormal echo signal.The results showed that the segregation existed in weld fusion line and HAZ base metal is the reason caused abnormal echo signal.It analyzed the forming reason and type of welded pipe segregation,investigated the ultrasonic testing identification for segregation echo signal,and indicated that ultrasonic testing combining with the physical and chemical experiments can judge the existence of the welded pipe serious segregation.

welded pipe;weld;segregation;ultrasonic testing

TE973.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.008

甘正紅（1973—），男，總工程師，高級工程師，持有中國無損檢測學會和國家質量監督檢驗檢疫總局RT、UT、MT、PT高級證書，主要從事鋼管質量、技術管理工作。

2015-10-30

修改稿收稿日期：2015-12-14

謝淑霞