淺析小徑管對接焊接接頭中影響超聲檢測缺陷檢出率的因素及控制方法

鹿劍++唐飛陽亮

摘 要：壓力管道是重要的工業設施，其質量對于整個裝置乃至社會的安全非常重要。尤其是壓力管道的焊接質量是影響管道質量的極其重要的因素。工業上常利用超聲波替代射線進行檢測。該文介紹了小徑管對接焊接接頭在超聲檢測中遇到的一些問題，并提出了解決方法。

關鍵詞：壓力管道 超聲檢測 小徑管

中圖分類號：TG441.7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（c）-0101-02

壓力管道其主要作用是輸送介質，除了常見的石油、天然氣外，還有工業用氣體。沒壓力管道的存在，裝置和設備就無法正常運行。與其他特種設備相比壓力管道有以下幾方面的特點。

（1）管道是相對固定的。比如：埋地管道埋于地下，管道一般不會發生位移。

（2）輸送的連續性。管道一旦建成、投產，一般情況下應連續運行。

（3）在役運行的管道隊地面建筑或區域長期構成威脅，尤其是天然氣、煤氣等易燃氣體管道，威脅程度更大。

通過上述分析，說明壓力管道的質量對于整個裝置乃至社會的安全是非常重要的。在整個管道系統中，必然會使用焊接來實現長距離傳輸以及傳輸方向的改變。焊接接頭的存在會導致應力集中和應力腐蝕的問題。因此壓力管道的焊接質量是影響管道質量的極其重要的因素。

在過去，管道焊接接頭的質量主要采用射線方法進行檢測，但是由于安裝過程中管子有時密集排列，導致射線檢測無法實施。為此人們利用超聲波進行檢測，相比射線檢測，超聲檢測，是一種綠色檢測手段，具有無輻射污染、檢測速度快的特點。在射線檢測無法實施的情況下可以對管道焊接接頭進行檢測。

對于大直徑厚壁管對接焊縫，其超聲波檢測方法與平板對接焊縫無多大區別，而小直徑薄壁對接焊縫的超聲波檢測就有其特殊性。導致小徑管超聲檢測缺陷的檢出率較低。

1 小徑管對接焊縫超聲波檢測的影響因素

1.1 接觸面的耦合不好與幾何散射

小徑管的曲率較大，一般探頭楔塊為平面，使得探頭與管子的接觸面就變小，在探頭與管子沒有接觸良好的部位，晶片發出的超聲波在管子外表面就會產生散射、折射和反射。此時超聲波探頭所發射的聲波就不能完全進入工件中，從而導致聲場強度大大降低，影響了探傷靈敏度，造成小缺陷的漏檢和大缺陷評級的錯誤。

1.2 管子內壁的散射

鋼管內表面為凸面，超聲波在凸面折射會發生散射現象。內表面的散射現象和超聲能量迅速衰減，回波雜亂，給缺陷的判定和定位帶來困難，同時降低了檢測靈敏度，易導致缺陷漏檢。

1.3 壁厚和焊縫寬度的影響

小徑管由于結構特點，它管壁薄、焊縫寬。使得一次波的主聲束不易掃查到焊縫根部部位，如圖1所示。

若采用三次波檢測根部缺陷，由于聲程變長會造成靈敏度降低，雜波信號多。加之內表面的散射現象，導致檢測效果不盡人意。

2 小徑管對接焊縫超聲波檢測探頭的優選

2.1 探頭晶片尺寸的選擇

現場觀察發現，晶片尺寸越大，則探頭就越大，越易發生探頭接觸不良時發生的波形轉換。所以為了避免這種現象的發生，應該選擇較小的晶片尺寸。

但是，過小的晶片會增加工業制作的難度，提高成本。而且過小的晶片尺寸還會造成聲場強度的降低。與此同時，由于鋼管內表面為凸面，超聲波在凸面折射會發生散射現象，聲束越寬散射現象越明顯。

根據聲波的半擴散角理論公式（式中λ為超聲波的波長；為晶片尺寸）也可以看出，要想得到較窄的波束寬度，應該選擇較大的晶片尺寸。

通過對目前市場上常見晶片尺寸超聲探頭的對比試驗我們發現6 mm2×6 mm2的晶片尺寸的檢測效果最好。

2.2 探頭前沿長度的選擇

探頭前沿是指超聲探頭發射的超聲進入被檢工件的入射點距離探頭前面的距離。探頭前沿的存在會造成壓電晶片無法靠近焊縫邊緣，直接影響超聲檢測一次波的覆蓋范圍，如圖2所示。

所以較小的探頭前沿能有效地提高一次波覆蓋范圍，而一次波在超聲檢測中十分重要。這是因為，雖然一次波無法覆蓋的范圍可以通過二次波乃至三次波進行檢測，但是由于超聲波傾斜入射在不同介質的時候會發生波形轉換，多種波形的同時存在，會在超聲檢測儀上顯示為多個信號，增加操作人員對缺陷信號判讀的困難；同時由于傳播距離的增加超聲波會發生衰減和擴散，導致超聲波能量的減少，缺陷回波降低，這些都不利于超聲檢測和發現缺陷。

由于制造工業技術的原因，探頭前沿是無法消除的，但是國內目前的探頭生產廠家已經可以將探頭前沿的最小值控制在5 mm左右，因為在小徑管對接焊接接頭超聲檢測時，應嚴格控制這一探頭參數。

2.3 探頭K值大小的選擇

在小徑管對接焊接接頭超聲檢測中，一般用一次、二次波檢測效果最好。這是因減少了超聲波在管子內、外壁的反射次數，從而減少聲能的損失。與此同時還減少了多次反射造成的波形轉換。

所以選擇合理的K值，利用一、二次波進行檢測，使橫波聲束能掃查到整個焊縫截面，避免缺陷漏檢，提高缺陷的檢出率。

如圖3所示，用圖中右側探頭進行檢測，圖中的陰影部分超聲波就無法覆蓋，造成缺陷漏檢。由圖分析可知，K 值越大，超聲一次波的覆蓋范圍越大。但在實際工作中K3探頭的檢測效果并不如人意，這是因為聲束存在半擴散角的原因。

鋼中橫波聲速Cs=3 230 m/s，有機玻璃中縱波聲速CL=2 730 m/s，當探頭K值等于3時，如圖4所示。

由于半擴散角的存在，超聲波聲束存在一個上聲束邊緣和下聲束邊緣，通常超聲探頭所表明的K值是聲束中心的數值，通過計算我們得到上聲束邊緣的K上值和下聲束邊緣的K下值。

由此可見，超聲波聲束上邊緣K值遠大于3，會產生嚴重的表面波，干擾對缺陷的正確判定，從而導致缺陷檢出率的降低。因此在檢測工作中應選擇K值為2.5的探頭。

2.4 探頭頻率的選擇

小徑管的壁厚一般在3～6 mm，在頻率選擇時可不考慮聲場的衰減。為了提高分辨率，應選擇頻率較高的探頭，如，7.5 MHz的超聲探頭。

3 現場檢測應用

2015年11月筆者應委托方要求對某電廠1#爐爐管對接焊接接頭進行質量抽檢。工件規格為Φ60×5 mm；選擇DL-1型小管焊縫專用試塊進行儀器-探頭調校；探頭參數：6 mm×6 mm，K2.5，前沿4 mm，頻率7.5 MHz。

現場共檢測48道對接焊接接頭，為了保證能夠完成橫波三次波掃查，要求對接焊接接頭兩側進行打磨處理，打磨寬度50 mm。檢測過程中特別注意觀察一次波對對接焊接接頭根部的掃查。

檢測過程中發現6道對接焊接接頭存在超標缺陷，現場進行射線檢測復驗，同時進行打磨處理。通過3種方法的相互驗證，我們采用的這種小晶片尺寸、小前沿、較大K值、高頻率的探頭進行小徑管超聲檢測效果較好，可以解決小徑管超聲檢測中遇到的問題，提高缺陷的檢出率，進行工業應用。

4 新檢測技術的替代應用

隨著近幾年計算機技術的發展，超聲相控陣技檢測技術的工業應用范圍越來越廣、效果越來越好，目前配備工件模擬成像，小徑管專用探頭和專用掃查器的相控陣檢測儀在小徑管對接焊接接頭的檢測工作中已經廣泛應用，并能夠獲得較高的缺陷檢出率。

參考文獻

[1] 陳豫杰，熊芳斌.淺談小徑管超聲波探傷[J].中國新技術新產品，2011（13）：5.