不銹鋼管道對接焊縫熱裂紋超聲波檢測技術分析

陳志浩 馬楊勇

摘 要：熱裂紋是不銹鋼管道對接焊縫的常見焊接缺陷，該缺陷會導致管道密封性能損傷，在壓力環境下容易形成管道安全威脅，超聲波檢測技術是一種監測不銹鋼管道焊接缺陷的有效手段，應用該技術可以通過分析回波信號快速發現不銹鋼管道對接焊縫處的熱裂紋，以便及時開展對管道的維修維護工作，為管網系統運營安全提供技術保障。

關鍵詞：不銹鋼管道;對接焊縫;熱裂紋;超聲波檢測技術

1 前言

1.1 熱裂紋對不銹鋼管道對接焊縫的影響

不銹鋼管道具有良好的耐酸蝕性能、耐磨損強度和綜合力學性能，在工業生產和危險品輸送中有重要應用。對接焊縫是影響不銹鋼管道結構強度的關鍵節點。焊接熱裂紋是在焊接過程的高溫作用下鋼材內的硫、磷、碳結晶時產生的開裂現象，又稱結晶裂紋，在不銹鋼管道的幾種焊縫缺陷當中，焊接熱裂紋常隱藏在焊縫鋼材內部，肉眼不可見，在顯微鏡下才能觀察到，因此屬于結構隱患，容易誘發其它焊接缺陷，影響不銹鋼管道系統穩定，嚴重時可誘發爆破、泄漏等事故，因此應第一時間予以檢測、維修及排除。

1.2 超聲波檢測技術對管道檢測的意義

超聲波檢測技術在不損壞不銹鋼管道結構材料的前提下，對被檢驗管道對接焊縫的內外部焊接質量進行檢查，主要意義有：①有助于施工方改善不銹鋼管道的焊接工藝，降低熱裂紋缺陷的產生幾率，提高對接焊縫耐腐蝕、高強度的物理特性;②降低檢測成本，與X射線探傷檢測技術相比，超聲波檢測技術用于平滑、連續管道內的靈敏度、效率都有明顯的比較優勢，有較強的經濟性;③技術簡單，靈活性高。超聲波檢測設備儀器構成簡單、容易攜帶，可大規模開展檢驗檢測工作，對人體的危害性非常小，提高不銹鋼管道系統的使用年限;④有助于不銹鋼管網系統完善結構強度，保證系統運行安全性。

2 超聲波檢測技術概述

2.1 超聲波檢測技術工作原理

超聲波屬于物質或能量發生彈性機械振動所產生的聲波，其聲波頻率一般大于2萬赫茲，超聲波的頻率高、能量大，衍射現象與一般聲波相比不明顯，在固、液、氣態介質中傳播的方向性、連續性非常強，當尤其是在均勻介質中的直線傳播過程體現出優良的束射性，在金屬探傷、檢測工作中常常通過回波信息將檢測工件的表面及結構情況。因而超聲波在不銹鋼管道內部傳播時，當對結構性能構成影響的焊縫熱裂紋尺寸大于超聲波波長，在熱裂紋處超聲波會發生影響連續性的反射，通過探傷儀可確定超聲波發生反射的具體位置，因此可以通過超聲波在直線方向的回波幅度變化情況，來反映出在不銹鋼管道對接焊縫中是否存在表面、內部的缺損情況[1]，應用于管道焊接缺陷的超聲波檢測技術主要有脈沖反射法和脈沖透射法兩種。

2.2 超聲波脈沖反射法

超聲波脈沖反射法的原理是利用介質界面變化產生的聲阻抗引發的超聲波反射現象。具體技術主要有散點：①超聲波檢測儀器的探頭同時兼有發射、接收超聲波功能，通過探頭發射高頻負脈沖，傳導入換能器形成超聲波，由探頭發射入管道內部;②探頭接收回波信號，進入換能器轉化為電信號，在探傷儀的可視屏幕上通過基軸坐標系顯示出一次回波、二次回波，通過比較兩次回波的時間軸位置作為管道缺陷判斷依據;③檢測人員根據二次反射回波的大小情況、基軸相對位置等情況來判斷官網缺陷的大小及位置情況，原理如圖。

脈沖反射檢測法靈敏度較高，能夠檢測出只有初始聲壓1%強度的反射聲壓，對于微小的結晶熱裂紋具有較強的適應性和定位精度，在垂直、水平方向上的誤差率低于2%，而且儀器操作簡單方便[2]。但脈沖反射法對于材料要求比較高，具有吸音性能的管道會對超聲波產生衰減作用，對管道壁的厚度也有一定要求，因此超聲波脈沖反射法用于不銹鋼管道系統結構檢驗檢測方面是一種適用性較強的檢測方法。

2.3 超聲波脈沖透射法

超聲波脈沖透射法的原理是當不銹鋼管道內部存在破損界面或裂紋時，超聲波在通過該缺陷界面時受到缺陷結構的聲波阻抗作用，產生透射、反射、繞射等現象。具體表現為：①發射超聲波，在另一端的接收器上產生顯示本次透射的聲波能量，在遭遇聲波阻抗作用區域時候可視屏幕上的透射能量降低;②不銹鋼管道對接焊縫存在氣泡、裂紋、未焊透等缺陷時，超聲波發生的到達時間、能量衰減、頻率變化等一系列數據反映了測試區域內管道對接焊縫的聲學參數，并記錄、儲存在檢測儀器中;③通過對接焊縫聲學參數與連續分布管道的參考聲學參數進行比較分析，從而判斷對接焊縫缺陷屬于哪一種缺陷型態，原理如圖。

相比于反射法的單一發射器兼換能器，脈沖透射法需要設置2個發射器兼換能器，分別布置于待測管道、待測區域兩端，因此脈沖透射法更適用于目標相對明確的管道對接焊縫節點。

4 利用脈沖透射法檢測不銹鋼管道對接焊縫熱裂紋的技術工序

4.1 超聲波檢測技術選擇

一般超聲脈沖透射法波檢測技術常根據管網系統常壓、母材厚度分為A、B、C三個等級，絕大多數不銹鋼管道的管壁厚度在0.01～250mm之間，因此可以確定工藝：①本文選例為B級超聲波檢測級別;②對接焊縫處選擇單面雙側作業，檢驗區域寬度為對接焊縫本身以及兩側8mm的一段母材;③對接焊縫接頭余高不需磨平，也不需再對管身母材區域進行探頭查掃檢測。

4.2 檢測前準備工作

超聲脈沖透射法檢測工作開展前應進行一系列準備工作，以保證合理的技術參數，一般情況需開展如下工作：①確定不銹鋼管道的材質規格、焊接工藝、熱處理情況坡口形式，標定待測對接焊縫接頭中心位置;②清理焊接移動區表面，對影響超聲波透射的表面形狀修磨至圓滑，清除焊接飛濺、氧化、銹蝕、污垢;③設定探頭移動跨距，確定探頭移動距離覆蓋整個對接焊縫及熱影響區。④設定探頭掃查速度，不能因為過快而導致采樣過程漏過較細微的熱裂紋，或加裝自動報警裝置以防止速度不合理;⑤檢查探頭覆蓋率，應使探頭發出超聲波束的查掃范圍保持在探頭直徑的15%以上，以對檢測區域的實際情況作更加全面的結果反饋。⑥探頭自身設定與調試，包括選擇合適的耦合劑、探頭頻率、探頭晶片、探頭K值等等，需要針對不銹鋼管道焊接工藝及材質的的質量參數而進行選擇。

4.3 檢測操作與分析

①調節掃描速度，檢測人員通過手動調節，使可視屏幕中基軸上的水平刻度值與超聲波在介質中的傳波過程形成合理比例，在本次檢測過程中水平刻度值應直接與反射體垂直深度成比例;②繪制距離——波幅曲線，根據可視屏幕上的回波高度與距離的變化關系，分析面板曲線上評定線、定量線、判廢線之間的分區;③進行查掃動作，通過控制探頭在作業面上的移動以及方向，檢測裂紋的發生處、深度、方向、長度、形狀等，并計算相關數值;④評定對接焊縫質量級別，進一步根據反射波幅在面板曲線分區的位置關系，對熱裂紋造成的缺陷影響進行分析。

結語：本文對超聲波檢測技術進行了原理分析，解析了兩種可應用于不銹鋼管道缺陷檢測的超聲波檢測技術，認為脈沖透射法對不銹鋼管道對接焊縫熱裂紋的檢測具有較強針對性，并提出了在應用方面實踐性較強的基本工藝工序流程。

參考文獻：

[1]王玥霽.用數字信號處理技術初探超聲回波信號模型[D].大連：大連理工大學，2003：5-6.

[2]中國機械工程學會無損檢測分會.超聲波檢測[M].北京：機械工業出版社，2005：56-60，71-72.