管道對接焊縫常見缺陷的危害及其超聲波波形辨別

葛玉雄

摘 要：本文根據壓力管道對接接頭容易產生的外觀和內部缺陷，結合各類缺陷在超聲波顯示中的特點及水平距離和深度，分析各種波形顯示的性質，在實際的檢測過程中加以辨別，從而更加準確地判斷壓力管道對接接頭超聲波檢測的質量等級，為壓力管道的定期檢驗中判定管道安全狀況等級提供科學可靠的依據。

關鍵詞：脈沖反射法超聲波檢測；錯邊；未焊透；未熔合；裂紋；咬邊；距離-波幅曲線；波形辨別

中圖分類號：TG441.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0090-02

1 術語

1.1 壓力管道

是指利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設備，其范圍規定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓），介質為氣體、液化氣體、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體，且公稱直徑大于或者等于50mm的管道。

1.2 超聲波探傷

利用材料及其聲學性能差異對超聲波波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內部缺陷的無損檢測方法。

1.2.1 脈沖反射法（見圖1）

超聲波探頭發射脈沖波到被檢工件內，通過觀察來自內部缺陷或工件底面反射波的情況來對工件進行檢測。

1.2.2 缺陷回波法

根據儀器示波屏上顯示的缺陷波形進行判斷的方法。

2 錯邊的危害及其波形辨別

錯邊：兩個工件在厚度方向上錯開一定位置，可視為焊縫表面缺陷，又可視作裝配成形缺陷。

2.1 在管道對接焊縫中錯邊產生的原因

（1）公稱壁厚不等：組對過程中只能對齊管道外壁，內壁必然錯開一定的位置，通常叫做內錯邊。（2）組對時兩個管子中軸線未重合：這種錯邊形式可以從改善焊接工藝上加以控制。（3）橢圓度：由于對接的兩個管子橢圓度的不同，必然產生厚度方向上的錯位，這種錯邊形式比較難以控制，當管徑較大時更為嚴重，驗貨的時候要多加關注。

2.2 錯邊的危害

（1）在焊縫處產生附加彎曲應力；（2）在錯邊處產生應力集中；（3）降低了承載能力；（4）影響焊縫外形美觀和尺寸精度。

2.3 超聲波探傷中內錯邊波形辨別

現場檢驗過程中發現，壓力管道錯邊的形式多為內錯邊。

進行單面雙側掃查時（見圖2），在薄壁側掃查面上，幾乎無波形顯示；在厚壁側掃查面上，沿管子周向上整圈都有波形顯示，反射波基本位于距離-波幅曲線（DAC曲線）Ⅲ區以上，且波高較高，深度從薄壁公稱壁厚到厚壁公稱壁厚上都有，水平距離位于厚壁邊緣一側。

波形特點：由于錯口面的凹凸不確定性，反射波的波峰上有小峰，探頭左右移動時波幅的高度變化不大，波形比較單一、變化不復雜。

3 未焊透的危害及其波形辨別

3.1 管道對接接頭中未焊透產生的原因及其防止

（1）所產生的相關原因。1）在進行焊接的過程之中，焊接電流并沒有達到預期的目標，電流不夠大；2）在進行焊接的過程之中，坡口和間隙的尺寸并沒有達到預期的目標，呈現不合理形態；3）在進行焊接的過程之中，磁吹偏會對其造成很大的影響力度；4）在進行焊接的過程之中，焊條偏心度并沒有達到預期的目標，沒有維持在一個平衡點；5）在進行焊接的過程之中，層間及焊根清理工作不具備有效性，導致其不符合相應的標準及規范。（2）防止：為了能夠使未焊透得以基本防止，就要將比較大的電流運用到其中，另一個層面為了能夠使磁偏吹得以防止，就要將交替電流代替相應的直流，從而真正意義上的使用較大電流使未焊透得以基本防止。

3.2 未焊透的危害

（1）使焊縫的有效截面積得到了更大程度上的降低，接頭強度也逐漸地呈現下降的趨勢；（2）焊縫的疲勞強度得到更大程度上的降低基本是由于引起的應力集中，同時其危害性非常嚴重；（3）焊縫破壞的重要原因就是未焊透非常容易出現裂紋源。

3.3 超聲波探傷中根部未焊透波形辨別

未焊透在焊接缺陷中形式多為根部未焊透。

未焊透一旦形成，無論探頭放那一側進行掃查（見圖3），都有很強的端角反射波，探頭移動時波形較穩定；轉動和擺動探頭時，波形消失較快；焊縫兩側探測的水平距離有一定間隙，約為對口間隙；深度位于焊縫底部1-2mm左右。

波形特點：波形單一，反射波幅度大，探頭平移時，波形較穩定。

4 未熔合的危害及其波形辨別

對于未熔合來說，它主要是指對金屬進行全面性、系統性、有效性的焊縫，但是在其過程之中并沒有完全的熔化結合在一起。從其不同的部位層面可以分為以下三個方面，分別是：坡口未熔合、層間未熔合和根部未熔合。

4.1 管道對接接頭中未熔合產生的原因及其防止

（1）產生的原因。1）在進行焊接的過程之中，電流量不夠高；2）在進行焊接的過程之中，速度并沒有達到預期的目標，速度不夠慢；3）在進行焊接的過程之中，所采取的焊接角度不是非常正確；4）在進行焊接的過程之中，弧偏吹現象出現在了其中，對整體焊接產生了不良影響。（2）防止。將比較大的焊接電流真正意義上的運用到其中，采用系統性、有效性、正確性的焊接方式，并且對清潔坡口位置的工作予以更大的關注力度。

4.2 未熔合的危害

對于未熔合的危害來說，它的核心本質內容就是面積型缺陷，同時為了能夠更大程度上的減少承載截面面積，就應該將坡口未熔合和根部未熔合真正意義上的運用到其中，并且其與裂紋的危害性相互比較，我們不難看出，危害性并不是十分的高。

4.3 超聲波探傷中未熔合波形辨別

對于根部未熔合反射波探測時，在缺陷側有一個波幅較高的反射波，有時在非缺陷側反射波幅更明顯，（但是隨著未熔合面與入射聲束角度的不同，有時反射波幅較小、甚至無反射信號，這是因為缺陷的指向性聲束反射角無法傳播到探頭）應進行準確的測厚分析，對缺陷進行深度定位，根部未熔合多出現在水平固定的仰焊位置、垂直固定的上坡口位置、焊接接頭的根部位置。

如圖4所示，掃查焊縫的兩側，A側的為二次聲程反射波，B側的為一次聲程反射波，通常情況下只要把探頭角度變換一下，只要聲束的入射角很合適，B側的反射波幅高于A側，且他們的深度在定位上基本一致。

波形的特征：形狀單一，平穩且尖銳。

5 裂紋的危害及其波形辨別

裂紋的產生是金屬原子在結合時遭到破壞并且在新的界面上形成縫隙，由于發生條件和時機不同分為下面幾種：熱裂紋、冷裂紋（別名延遲裂紋）、層間撕裂、再生裂紋，冷裂紋是壓力管道試驗檢查過程中的主要項目。

5.1 冷裂紋形成機理和防止措施

（1）冷裂紋的特征。1）焊接過后一段產生，并且溫度低；2）發生在焊縫區和熱影響區域；3）有沿晶開裂，穿晶開裂或者二者混合；4）脆斷成為構件破壞主要原因。（2）產生機理。1）金屬的塑性儲備被脆硬組織減小；2）焊縫受拉是焊接殘余應力引起的；3）的原子太氫大多存在于金屬接頭區域；4）冷裂紋（氫制裂紋）的產生是含氫量和拉應力引起的。（3）防止措施。1）采用低氫型堿性焊條，嚴格烘干；2）選擇適宜的焊接規范，保證預熱溫度符合要求，并后續加熱保證層間溫度不低于預熱溫度；3）優化焊接的先后順序，減少焊接的變形和應力；4）及時對焊后的構件做消氫熱處理。

5.2 裂紋的危害

裂紋是面積型缺陷的一種，它的危害在于大量減少承載面積，并且在裂紋端部形成應力集中的缺口，破壞性極大，尤其是冷裂縫，由于自身延遲性和快速脆斷性特點帶來的危害經常是不可估量的，世界上絕大多數的鍋爐壓力容器和管道的脆性破壞是裂紋引起的，只有少數是選材不當和設計不合理的原因造成的。

5.3 超聲波探傷中裂紋波形辨別

裂紋在焊縫中雖不常見，但它是一種最危險的缺陷，它多產生于根部的熔合線附近，探測時反射波強烈，因裂紋表面曲折，沒有光滑的界面，反射波波腳較寬，且波峰常出現多峰現象。探頭平行移動時，波峰此起彼伏，擺動或轉動探頭時，波峰下降很快，波形沒有未焊透波形穩定，從焊口兩側探測時，波形有較好的相似性，缺陷波在水平線上的位置基本一致。

如圖5所示在焊縫兩側探測，水平定位時一次聲程位置均有反射波出現，反射波可能是尖銳的，或有多峰。通過缺陷的準確定位（埋藏深度、水平距離），可以判定缺陷在焊縫中存在。

波形特點：波形單一，波幅寬，反射波高度較大，呈鋸齒狀，有多峰，探頭移動時，時起時伏。

6 咬邊的危害及其波形辨別

咬邊：沿著焊趾，在母材部分形成凹陷或溝槽。

6.1 管道對接接頭中咬邊產生的原因及其防止

（1）產生的原因。1）電弧熱量天高，即電流過大，運條速度較小；2）焊條與工件角度不正確，擺動不合理；3）電弧過長，焊接次序不合理；4）直流焊時電弧的磁偏吹。（2）防止。矯正操作姿勢，選用合理的規范，采用正確的運條方式。

6.2 咬邊的危害

造成母材結構截面積的減小，破壞構件的承載能力，在某些區域形成應力集中進而發展成為裂紋的根源。

6.3 超聲波探傷中咬邊波形辨別

一般情況下，如果單面焊雙面成型構件的焊口出現咬邊，一次聲程波的前端部位會出現缺陷反射波，如果缺陷聲波波幅很小，可以觀察到焊縫一側到焊縫根部的附加反射波。缺陷的定位基本一致時，證明探頭在焊縫二側探查，因為手工電弧焊出現咬邊時特征為不連續過渡，所以探頭平行焊縫移動時波幅會出現起伏變動。

如圖6所示，此處波形特點為反射波會出現在帶有缺陷的焊縫二側，在A側還能觀察到構件咬邊的反射波和底波。探頭前后移動時只能夠顯示出很小的垂直方向尺寸。咬邊反射波的包絡波形兩側各不相同。有時在焊縫的一側反射波幅很小、甚至沒有反射信號，原因是入射角度和缺陷具有指向性。

7 識別與判定方法的驗證

通過將解剖驗證工作運用到日常實際工作中去，我們不難看出，在焊接工藝評定的過程中，無論是哪一處部位，還是哪一種缺陷，都應該對其予以更高的關注力度，并且系統性、全面性、有效性的對比，相同部位但是存在著同性質的缺陷，這是我們工作的重點內容，同時為了能夠使射線復檢以及缺陷返修工作得到更好更快的進行，就要注重多臺大型機組焊口超聲波檢測工作，從而使各種反射波形分析的要點能夠得到更準確有效的展現。

通過日常實際識別以及判定方法的應用，我們應該對大徑管焊口根部的缺陷類型進行深層次的分析以及探究，從而使定性目的得到有效的確定以及達到，同時大量的反射波出現在焊縫根部，為了能夠使所得到的結果以及內容呈現全面性、系統性、有效性，就應該注重缺陷波的各式各樣的特征，同時在探測工作過程之前要將焊接接頭坡口型式、焊接工藝、方法特點、熱處理狀態等放置在核心關鍵地位，并進行綜合性、系統性、全面性的分析以及判定，從而使判定結果呈現準確化。

8 結語

脈沖反射法超聲波檢測中，超聲波對缺陷的顯示并不直觀、探傷技術難度大、容易受主觀因素影響，且某些缺陷波形信號相類似，水平距離和深度相近，需要富有經驗的檢測人員才能辨別缺陷種類；在多年檢測實踐的基礎上，本文給出了如何辨別缺陷波形信號的基本方法，以及在判斷缺陷性質時需要考慮的其他因素。希望對新從事超聲波探傷的人員有所幫助，對本文的不足之處請多批評指正。

參考文獻

[1] 特種設備目錄2014[Z].

[2] 《承壓設備無損檢測》NBT47013.3-2015[Z].

[3] 中國機械工程學會無損檢測分會.超聲波檢測[M].機械工業出版社，2000.

[4] 趙忠祥，陳芝瑞，劉凱，等.焊縫錯邊問題的分析研究[J].科技視界，2013（35）：332-333.

[5] 徐輝.關于焊縫對口錯邊量的探討[J].武漢輕工設計，2002（2）：10-13.