高壓加熱器管板與封頭環縫的超聲波檢測

屠林楊

摘 要：高加管板與封頭環縫由于結構區別于一般的縱環縫，對于超聲波探傷來說，無法實現標準對于厚板要求的兩面四側一次波掃查的規定。本文主要從探頭的選擇，探頭掃查的位置來說明如何最大限度的來實現對焊縫的探傷。以及在封頭曲面探測時的一些修正，由于結構原因產生的偽缺陷波的識別，和一些常見缺陷回波定性問題的討論。

關鍵詞：超聲波探傷；封頭與管板；缺陷定性

1 管板與封頭環縫的結構

管板與封頭環縫的結構如下圖（1）所示，管板材料為20MnMo，封頭材料為16Mng，厚度120mm。焊接方式為單面氬弧焊打底，再手工電弧焊，然后自動焊蓋面。焊接難度大，工藝控制復雜。而由于幾何形狀不一樣，在超聲波探傷時斜探頭不能雙面四側，這樣就有可能會造成漏檢。這就需要更有效的方法來檢測焊縫內部，以確保高加安全運行。

2 可能產生的缺陷取向分析與探頭K值選擇

打底焊時，參數如果控制不當，電流太小或運條速度過快，可能會導致未焊透缺陷的產生。手工焊時，可能因為加熱不當，清渣不及時等原因產生裂紋夾渣等缺陷。埋弧自動焊焊接的多層多道焊，焊接深度約100mm，有可能會產生不同深度，不同方向的缺陷，以及在坡口位置可能產生連續的未熔合。在選擇探頭K至時，根據厚度以及經驗，宜選擇K1與K2的組合，以達到掃查根部和近表缺陷的目的。且不同折射角也可以減小缺陷方向對于缺陷檢出率的影響。同時，K1對于檢測根部未焊透具有較高的靈敏度，因為K1時，端角反射較為明顯。在探頭種類的選擇上，宜選擇高阻尼窄脈沖的探頭，以得到較高的分辨率。

3 掃查范圍

掃查面的確定因能更有利于發現缺陷和最大限度的掃查到焊縫，避免聲束死角的存在。因此我們將探頭位置布置在如圖1所示的①②③④⑤的位置，為能更有利于近表面缺陷的檢出，應將焊縫余高磨平，在②③⑤封頭內外表面掃查時，探頭應橫穿過焊縫。在位置⑤雖然移動區不足，但這個位置的掃查能彌補在①位置由于由于臺階而無法掃到焊縫近表面的缺陷的問題。在①這個位置掃查時，由于厚度差，儀器的顯示深度與實際深度不同，實際深度為顯示深度減去厚度差。位置④為橫向掃查，因為橫向缺陷多為裂紋，而裂紋往往只能在一個方向發現，因此應進行正反兩個方向的掃查。

4 曲面探測

在焊縫②③側周向掃查時，由于封頭為球形，因此在給缺陷定位時，應進行曲率修正，否則可能因為深度水平的誤差，無法成功返修掉缺陷，造成多次返修，影響焊縫的力學性能，也影響了生產的進度。

表1和表2能清楚的反映出內外掃查時，缺陷在不同深度時的誤差：

由上表1表2可以比較直觀的發現，厚度在100左右時，水平誤差在10mm左右，深度誤差在5mm左右。因此無論是對于缺陷的定位還是缺陷的判斷，曲率修正都是非常重要的。若不進行修正，根部缺陷往往會被操作人員誤判斷是地面反射波，而造成缺陷的漏檢。

5 缺陷類型及產生的原因與危害

缺陷類型：焊縫缺陷主要有氣孔，夾雜，未熔合，未焊透，裂紋。

5.1 氣孔

氣孔是指焊接時，熔池中的氣體未在金屬凝固前逸出，殘存于焊縫之中所形成的空穴，其氣體可能是熔池從外界吸收的，也可能是焊接冶金過程中反應生成的。

產生的原因主要原因：母材或填充金屬表面有銹、油污等，焊條或焊劑未烘干會增加氣孔量。焊接線能量過小，熔池冷卻速度大，都不利于氣體逸出。焊縫金屬脫氧不足也會增加氣孔。

危害：氣孔減小了焊縫的有效面積，使焊縫疏松，從而降低了接頭的強度，降低塑性，還會引起泄漏。氣孔也是引起應力集中的因素。氫氣孔還可能促成冷裂紋。

5.2 夾渣

夾渣是指焊后熔渣殘存在焊縫中的現象。

夾渣產生的原因：坡口尺寸不合理；破口有污物；多層焊時層間清渣不徹底；焊接線能量小；焊縫散熱太快，液態金屬凝固過快；焊條藥皮，焊劑化學成分不合理，熔點過高，反應不完全，脫渣性不好；烏極性氣體保護焊時，焊條搬動不正確，不利于熔渣上浮。

夾渣的危害：點狀夾渣的危害與氣孔相似，帶有尖角的夾渣會產生尖端應力集中，尖端還會發展為裂紋源，危險較大。

5.3 未焊透

未焊透是指母材金屬未熔化，焊縫金屬沒有進入接頭根部的現象。

產生的原因：焊接電流小，熔深淺；破口間隙尺寸不合理，鈍邊太大；磁片吹影響；焊條偏心度太大；層間及焊根清理不良。

危害：減小焊縫的有效截面積，削弱了焊縫。其次，未焊透引起應力集中嚴重降低焊縫的疲勞強度。未焊透可能成為裂紋源。

5.4 未熔合

未熔合是指焊縫金屬與母材金屬，或焊縫金屬之間未熔化結合在一起的缺陷。

產生的原因：焊接電流過小；焊接速度過快；焊接角度不對；產生了弧偏吹現象；焊接處于下坡焊接位置，母材熔化時已被鐵水覆蓋；母材表面有污物或氧化物影響熔敷金屬與母材的熔化結合等。

危害：為熔合是一種面積型缺陷。破口未熔合和根部未熔合會使承載截面積明顯變小，使應力集中變的比較嚴重，其危害性僅次于裂紋。

5.5 裂紋

裂紋是指金屬原子的結合遭到破壞，形成新的界面而產生的縫隙。

產生的原因：合金元素和雜質的影響，碳元素以及硫、磷等雜質元素的增加，會使結晶裂紋的產生機會增多；冷卻速度增大，會增加結晶裂紋的出現機會；焊接應力過大，使金屬受拉，出現結晶裂紋。

危害：裂紋是焊接缺陷中危害最大的一種，；裂紋是一種面積型缺陷，減少了焊縫的承載面積，使應力高度集中，很容易擴展導致破壞。

6 超聲波缺陷回波性質的判斷

超聲波探傷對于缺陷的定性，目前還是比較困難，往往依賴于個人經驗，而準確的定性，更有利于排除危害性缺陷。經過多年的實踐操作與實際返修出的缺陷觀察以及射線底片的觀察，并通過理論聯系實際，對缺陷性質的判斷大致總結出如下經驗：

6.1 裂紋

反射回波大，波幅比較寬，斜探頭平移回波連續出現，波幅降至80%，轉動探頭時波峰上下錯動。斜探頭在橫向掃查時發現時，反射回波只從一側出現。 因為裂紋一般鋸齒形，導致了探頭轉動時，會出現波峰錯動的現象。同時裂紋又是面積型缺陷，當一側聲束與其垂直時，則另一側的聲束往往與其面平行或夾角很小，反射波無法被探頭接受，因此一次波掃查時也往往只能在單側發現。

6.2 未熔合

①側反射回波較大，斜探頭平移回波較穩定。

②側反射回波小或沒有。未熔合多為坡口未熔合，其一面平直，因此平移時回波穩定，也只能在缺陷的另一側掃查時才有明顯回波。

6.3 未焊透

斜探頭平移回波較穩定。①②側反射回波相近。因為未焊透兩側都是平直的，且深度相同，因此回波比較穩定，兩側掃查時波高也相近。這類缺陷在管板與封頭環縫中很少見。

6.4 夾雜

反射回波較小，主峰邊上有些小峰，斜探頭平移回波變化較大，①②側反射回波不相同。波幅降至80%，斜探頭轉角時波幅有跳動現象。夾雜為體積型缺陷，且形狀不規則，對于聲束沒有很好的反射面，因此反射回波往往較小，平移時回波變化較大，一般兩側都可以掃查到，但回波高度不一。

6.5 氣孔與密集氣孔

斜探頭轉動時波幅消失快，四側掃查時反射回波基本相同，一般為氣孔，由于氣孔一般為圓形，因此，單個氣孔的最大特點是各個方向都能發現，且回波高度差不多。反射回波寬，波幅不高，斜探頭轉動時波幅此起彼伏，多個方向都能發現，一般為密集氣孔。由于多個氣孔的存在，而單個氣孔在各個方向都能發現，因此密集氣孔在探頭轉動時波幅會此起彼伏。

6.6 偽缺陷波

在探傷管板與封頭環縫時，在管板①側掃查往往會出現一個反射回波，波幅比較小，且在根部。該回波是（圖示意部位）倒角位置的結構反射回波。往往整條連續出現，可以通過在內側（圖示意部位）位置用耦合劑拍打的方法來確定是否為偽缺陷波。若反射回波波幅出現跳動，則可判定為偽缺陷波，否則應是缺陷回波。

7 總結

目前實踐證明，采用上訴方法 來對高加管板與封頭環縫進行超聲波探傷，可以有效的檢出缺陷，通過對射線探傷的比較，兩者有較好的吻合度，且超聲波探傷靈敏度高于射線探傷，超聲波往往能更好的發現焊縫中的點狀缺陷以及裂紋，而這在射線底片上常常不能顯示。