化工化肥裝置小徑管超聲波檢測專用工藝方法及技術的應用探討

劉秀生

一、概述技術應用的背景

小徑管是工業生產中的常用特種設備壓力管道，它被廣泛用于石油、化工、化肥、冶金等工業領域，壓力管道不僅數量大且在不斷增加，管道設備類別復雜，易發生事故，且事故危害性極大。這就對壓力管道的設計、制造、材料、現場組裝（監造）、焊接、加工結構、檢驗檢測、維護修理、改造、監督、使用管理及運行狀況等諸多環節提出了較高的要求。針對這一問題，如何保證特種設備壓力管道（小徑管）的安全經濟運行，是我們所要深入思考的問題。

小徑管超聲波檢測專用工藝方法及技術應用是對小徑管其對接接頭進行非破壞無損檢測，常用的工藝方法為射線檢測和超聲波檢測。射線檢測時，采用雙壁雙投影橢圓成像，此時為了提高透照的寬容度，往往采用較高的射線能量。因此，這種情況下，缺陷的檢出率低，特別是危害嚴重的裂紋缺陷時常發生漏檢。此外，很多小徑管在安裝、改造、維修、檢驗檢測過程中，管子密集排列，處于檢測位置困難，給射線檢測帶來很大的難度。而采用超聲波檢測，不僅檢測速度快，檢測成本低，而且由于超聲波檢測的固有特點，對面積型缺陷（裂紋、未熔合）較為敏感，檢測靈敏度高，檢測的可靠性大大提高。但是由于小徑管其管壁曲率大，聲波耦合困難，其反射面聲能損失較大，壁厚薄，探頭的前沿長度對檢測的影響大，因而，對小徑管對接接頭中的危害性缺陷較難判定，影響了超聲波在小徑管檢測中的技術應用。

二、小徑管超聲波檢測條件的選擇存在一定難度

(一)壁厚和焊縫寬度影響

小徑管管壁薄，焊縫寬，如使用普通斜探頭檢測，因前沿距離長，用一次波探傷時，主聲束掃查不到小徑管焊縫根部，如改用三次波檢測，則因探頭發射的聲束寬，聲束擴散，加之受小徑管曲率大的影響，易造成聲束嚴重散射，使得回波游動范圍大，反射回波雜亂，給缺陷的判定和定位帶來較大的困難，影響檢測的可靠性。

(二)曲率半徑影響

小徑管曲率半徑小，普通探頭檢測接觸面小，曲面耦合損失大；超聲橫波在小徑管內表面反射，發散嚴重，檢測靈敏度低；小徑管壁薄，超聲橫波聲程短，容易在近場區內檢測，對缺陷判定帶來很多困難。

綜上所述，用常規超聲波檢測方法對小徑管焊縫的檢測存在一定難度，必須采用專用的檢側工藝方法、儀器和探頭（特定制）。

三、超聲波檢測專用工藝方法及條件的選擇

(一)檢測儀器

小徑管曲率半徑小、壁薄，超聲波檢測時雜波較多，為了便于判定，要求檢測探傷儀器的主要性能指標除應滿足標準規定的各項要求外，還應具有較高的分辨力和較窄的始脈沖寬度，最好使用數字式超聲波檢測儀。

(二)探頭

1.探頭斜鍥

為了解決小徑管焊縫因壁薄，曲率半徑小、焊縫余高寬等因素對缺陷的判定和定位帶來的困難，需要設計制造短前沿，大折射角的小探頭。探頭設計中，一個關鍵的因素是設計透聲斜鍥。透聲斜鍥在橫波斜探頭中的主要作用是使超聲縱波以一定的角度傾斜入射至被探工件的探測表面，并轉換成所需折射角的橫波，從而達到橫波檢測的目的。由于小徑管專用探頭，折射角大，按聲學折射定律，為了增加折射角，就必須增大斜鍥的折射率。采用縱波聲速較小的聚峰材料制造的斜鍥可以滿足要求。

圖1 探頭與管子接觸面

此外小徑管外表面是曲率半徑較小的圓柱曲面，為了實現較好的聲耦合，一般須將探頭斜鍥加工成與管壁吻合良好的曲面，探頭與小徑管接觸部位的邊緣，其間隙（如圖1 所示）不應大于0.1mm。在加工曲面時，必須嚴格防止探頭斜鍥磨損量過大，致使其曲率半徑小于管曲率半徑情況的出現。

2.探頭壓電晶片

探頭斜鍥加工成曲面后，探頭邊緣聲束會產生散射，晶片尺寸越大，散射越嚴重。為了減少這種散射的不利影響，同時為了減小探頭前沿長度，壓電晶片尺寸不宜太大，而且要求晶片裝配過程中精度要高。目前小徑管焊縫探傷中，平面單晶斜探頭晶片尺寸一般為5×5、5×6 或6×6。

3.探頭頻率

探頭晶片尺寸小，超聲橫波指向性就變差。小徑管壁薄，反射雜波多，為了改善探頭指向性，提高探傷分辨力和探傷靈敏度，一般應采用較高的探測頻率如5MHz。

4.探頭橫波折射角（K 值）

焊縫橫波探傷中，探頭折射角的選擇，主要取決于探傷時所用的探傷方法、聲程范圍和被檢工件的厚度。一般以一次波和二次波檢測為好。這樣可以減少橫波聲束在管內、外壁的折轉次數，從而減少聲能損失。對小徑管焊縫探傷而言，還需考慮焊縫余高寬度對探頭移動范圍的限制。采用一次波和二次波進行檢測，能夠簡化檢測方法和工藝，使得根部及附近區域的缺陷易于發現和準確判斷，也可發現焊縫中的其他缺陷。

對小徑管焊縫，要想利用一、二次波檢測，就須選用較大折射角的探頭，使橫波聲束能掃查到整個焊縫截面。同時選用大折射角探頭，還可增加橫波在壁薄管中的聲程，避免在近場區內探傷對缺陷定位定量誤差大的不利因素。

圖2 掃查范圍

在《承壓設備無損檢測》NB/T47013.3-2015 超聲波檢測不能滿足小徑管實際工作檢驗檢測需求的情況下，引入電力行業（系統）規程DL/T820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》，選用的橫波斜探頭應滿足直射波掃查到焊接接頭1/4 以上壁厚范圍(如圖2 所示)。對于壁厚一定的小徑管，有三種解決辦法：一是減小焊縫的寬度；二是減小探頭前沿長度；三是增大探頭折射角。但是探頭折射角不能無限增大，因為聲束擴散作用，當縱波入射角超過一定值后，縱波聲束前緣可能已經超過第二臨界角，因而在第二介質中產生變形表面波，會干擾對缺陷的正確判定。一般折射角在65 ～75°之間，推薦的折射角如下表：

管壁厚度（mm） 4 ～8 ＞8 ～14探頭折射角（°） 75 ～70 70 ～65

5.探頭前沿長度

小徑管焊縫超聲波探傷中，由于內壁是凸圓柱曲面，因此超聲反射發射嚴重，所以二次波探傷靈敏度明顯低于一次波。為了盡可能增加一次波在焊縫中的掃查面積，保證一次波聲束能掃查到焊縫下部占壁厚1/4 的范圍，這就要求探頭有一定的移動區域。因此應盡量縮短探頭前沿距離。為了減小前沿長度，一方面應減小壓電晶片尺寸，另一方面還應使壓電晶片在斜鍥中盡量前移。這樣對探頭制作工藝就增加了難度，需要從透聲斜鍥的材料、形狀和尺寸上做出合理的設計。規程中規定，前沿長度L ≤5mm。

6.探頭表面波的控制

小徑管專用探頭由于折射角度大，如果處理不好，很容易產生表面波，而這種表面波的反射將會干擾對缺陷的判定，因此必須對表面波加以控制。

(三)試塊

采用DL/T820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》推薦的小徑管專用試塊。

小徑管專用試塊雖然可以用來調節檢測靈敏度，但由于小徑管的曲率、壁厚以及內、外壁表面的粗糙度變化等因素，造成聲束散射。若僅以小徑管專用試塊Φ2mm 橫通孔為基準來調節探傷靈敏度，將會導致定量誤差大，甚至造成誤判或漏檢。為了對缺陷進行準確定量，保證探傷準確，應在探傷前利用靈敏度補償試塊對被探管內、外壁表面聲能損失進行測定，以便對檢測探傷靈敏度進行補償。

小徑管對接焊縫中，根部缺陷是比較常見而且又危險的缺陷，為了對焊縫根部的未焊透、內凹等缺陷的判斷和定量，可以設計制作根部缺陷當量對比試塊。

四、儀器調整

所用儀器為數字式超聲波檢測儀，探頭為5P5×5K3，探頭前沿為5mm。執行DL/T820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》標準，在小徑管專用試塊上調整儀器，掃描速度為深度1：1 調節，選擇掃查靈敏度。

五、缺陷波型分析

對于Φ60×7 的水冷壁管子對接接頭，使用手工氬弧焊打底、手工焊蓋面的焊接工藝，常見的焊接缺陷有：未焊透、未熔合、裂紋、夾渣和氣孔等。檢測時，要注意區分焊縫根部成形不良或焊縫錯邊以及變形波等偽缺陷。各種典型缺陷的估判方法如下：

(一)根部未焊透

小徑管根部未焊透垂直于內表面，超聲波探傷時，其反射類似于端角反射，因此回波較強，從焊縫兩側檢測均能探出，且位于焊縫中心或靠近探頭一側，沿焊縫方向回波有一定的游動范圍。

(二)未熔合

未熔合就是焊縫金屬和母材沒有熔合在一起，多出現在接頭的坡口面上。小徑管接頭采用V 型坡口，所以檢測時，由于坡口面的角度的關系，用一次波很難檢測探測到，一般用二次波容易檢出，其位置在焊縫中心靠近探頭一側。

(三)夾渣和氣孔(圓形)

可能出現在焊縫的任何位置，一般信號較弱，兩側檢測均能發現。

(四)裂紋

裂紋的判斷比較復雜，要結合缺陷波型，焊接材料，人為經驗等綜合判定。

六、小徑管超聲波檢測技術應用的啟發

一條壓力管道從參數確定到投入正常使用，要通過設計、選材、制造、現場組裝（監造）、焊接、加工結構、檢驗檢測、維護修理、改造、監督、使用管理及運行狀況等上述諸多環節及相關部門的各類工程技術人員的共同努力才能實現。特種設備壓力管道超聲波檢驗檢測（專用工藝方法和技術應用）本身不是壓力管道安全質量的形成、變化過程，而是對這種形成、變化過程或對其現狀、發展趨勢的檢查、診斷、判斷和有效控制。眾所周知，壓力管道產品的安全使用不但取決于合理的設計結構、選材、制造和正確的使用管理，更主要的是要保證制造焊接質量優良。由于小徑管在生產工藝裝置中的廣泛使用，其焊接質量關系到整個裝置特種設備壓力容器、壓力管道的安全經濟運行。對其焊接質量的內部檢驗檢測主要依據《承壓設備無損檢測》NB/T47013.3-2015，其超聲波檢測專用工藝方法及技術應用不能全復蓋和滿足小徑管實際工作檢驗檢測需求。從本化工、化肥行業實際出發，故結合電力行業（系統特點）引入規程，DL/T820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》和《火力發電廠焊接接頭相控陣超聲檢測技術規程》DL/T1718-2017，是我們所要借簽深入探討和研究的問題。

中鹽安徽紅四方股份有限公司生產中心壓力容器監測站，在熱電、合成氨、乙二醇裝置安裝制造、現場組裝（監造）、焊接監督檢查、改造、維護修理、檢驗檢測、使用管理等過程中對小徑管焊接質量的超聲波檢測抽查，就采用了上述小徑管超聲波檢測專用工藝方法的技術應用，該工藝是確保焊接質量的重要手段。

七、結論

隨著數字式超聲波檢測儀和高性能超聲波探頭的開發和研發，對缺陷的定位和定量愈加準確。使得對小徑管的超聲波檢測從試驗摸索走向技術成熟的應用過程，而且相比較射線檢測眾多的優點，由于超聲波檢測小徑管發展迅速，如果再結合人工模擬缺陷試塊，對缺陷的判定會更加準確。目前企業正在進行在用重要工業管道缺陷返修工作，通過產學研合作開展相悾陣檢測技術課題研究，通過小徑管的超聲波檢測技術應用篩選，把已檢出判定存在隱患的缺陷問題，同相悾陣檢測技術結合分析，可以做到萬無一失，小徑管超聲波檢測專用工藝方法的技術應用得到驗證，可以確保特種設備在用壓力管道焊接質量及安全經濟穩定運行。解決了安裝和生產過程中改造修理的檢測技術難題與問題，并取得明顯經濟效益和社會效益。更主要的是消除了安全生產隱患，確保了設備壓力管道能安全經濟運行，同時也為中鹽安徽紅四方股份有限公司經濟持續穩定發展起到了很好的創新和借簽作用。