錐體與筒體非常規對接焊縫超聲波檢測的缺陷定位

付軍德 杜亞強

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院）

本實例為厚壁容器，高度危害，工作壓力大，采用材質鋼材， 為了減緩焊接過程中的冷卻速度，焊接工藝要求內外壁預熱溫度在150℃左右，實際焊接中用天然氣火焰加熱，不能保證預熱溫度均勻，局部散熱快，特別是后熱時間較長，加熱區域及溫度的均勻性較差，焊縫熱影響區是焊接接頭的薄弱環節， 在焊接冷卻過快的情況下，焊接坡口附近和熱影響區很容易產生裂紋缺陷。

某煤化工裝置兩臺Ⅲ類容器直徑3 800mm，厚 度120/130mm， 介 質H2、CO、CO2、H2O、H2S 等（有毒、易燃），設計溫度455℃，工作溫度不高于435℃，設計壓力7.15MPa，工作壓力6.50MPa，材料SA387Gr11CL2。 該容器材料的熱容量大，難免會在焊縫中產生很大的內應力；錐體與筒體對接焊縫的坡口開口角度較小， 焊工施焊的難度加大，在焊接中容易產生焊接缺陷；加工面很難保證完全平整，也易產生缺陷。 因此，加工制造過程中焊接工藝要求很高，缺陷返修工藝復雜，而通過超聲波檢測缺陷的定位尤為關鍵。

1 錐體與筒體的對接焊縫

容器內壁堆焊工藝中，因超聲波檢測技術要求，錐體與筒體對接焊縫（編號為10B）兩側預留360mm區間不進行堆焊處理，超聲波檢測技術等級B級，Ⅰ級合格。 坡口形式如圖1所示，采用機加工而成。

圖1 10B焊縫坡口截面

焊縫采用埋弧自動焊焊接， 位置為平焊，清根方式為碳弧氣刨+打磨， 焊接預熱溫度不低于150℃，測溫點距焊縫中心50～100mm，層間溫度保持在150～250℃， 焊接電流490～520A， 焊接電壓28～32V，焊接速度不小于23m/h，后熱溫度在350～400℃，后熱時間為4h，最后冷卻，探傷合格后整體進行熱處理。

2 超聲波探傷工藝

10B焊縫的超聲波探傷與平板對接焊縫探傷有差異，存在厚度差，探傷采用RT、UT、MT 和PT 4種檢測方法。 UT探傷之前對焊縫及熱影響區做MT檢測，確認影響UT檢測的表面缺陷均已清除。制定UT檢測作業指導書時，采用K1、K2雙面雙側進行檢測，另增加2.5P13×13K2.5探頭，對近表面的缺陷進行輔助檢測［1］。 因坡口型式和厚度差對檢測產生較大干擾，近表面斜探頭探傷存在較大的死區， 故采用2.5Pφ14直探頭對圓滑過渡焊縫區進行檢測［2］，主要是考慮到此處的應力比較集中，可能引起拉裂，探傷在焊后24h后進行，探頭移動區不小于360mm，其表面粗糙度Ra≤6.3μm，檢測面上探頭布置如圖2所示，檢測參數見表1。

圖2 檢測面上探頭布置示意圖

表1 探頭及其檢測參數

超聲波探傷工藝的技術要求：

a. K1探頭要求掃查到全體積，K2探頭要求掃查到距探測面不小于90mm （2/3的厚度），K2.5探頭要求掃查距探測面30mm即可， 直探頭檢測參照管座角焊縫調校靈敏度；

b. 掃查靈敏度增益6dB， 錐體側檢測時需記錄水平與垂直距離；

c. 在焊縫上要進行橫向缺陷檢測，靈敏度均提高6dB；

d. 按照NB/T 47013.3—2015標準綜合評級。

3 缺陷位置的判斷

如圖3所示，探頭于錐體外側檢測到缺陷時，探頭折射角為β。

圖3 錐體外側缺陷定位示意圖

根據三角函數定理可知:

缺陷的垂直深度為：

式中 d——儀器上讀取的缺陷深度；

H——缺陷距垂直方向B點的距離；

h——焊縫弧頂切線與錐體之間的距離，經測量為5mm。

缺陷的實際深度即缺陷距焊縫表面的距離H減去高出焊縫表面的長度，高出部分可在實際檢測中測得。

如圖4所示，探頭于錐體內側檢測到缺陷時，缺陷反射點為C，探傷儀顯示深度為d，探頭折射角為β，已知筒體與錐體夾角為150°，那么缺陷反射點C處作垂線與內側筒體交于A點的夾角為60°，即AC=d+h，過A點作平行于錐面的平行線交于探頭前端D點，在直角ΔABC中：

圖4 錐體內側缺陷定位示意圖

在AD線上量AB的長度，B點即是缺陷在水平方向的位置。 經B點作垂線交焊縫表面于E點，EC即是缺陷距焊縫表面的深度（H）值，在直角ΔEFC中：

因CF為儀器上顯示的缺陷深度， 故B點位置在焊縫中心線左側時：

B點位置在焊縫中心線右側時：

4 超聲波檢測結果

按作業指導書對兩臺容器10B焊縫進行檢測，發現超標缺陷（表2），被測焊縫近表面及其內部均存在缺陷（圖5、6）。

表2 10B焊縫探傷結果

圖5 K2探頭檢測焊縫內部缺陷靜態波形

圖6 K2.5探頭檢測焊縫近表面缺陷靜態波形

由圖5可見，回波動態波形顯示尖銳回波，探頭前后左右掃查時，一開始波幅平滑的由零上升到峰值，探頭繼續移動，波幅基本不變，探頭轉動和環繞掃查時，回波迅速下降，環繞掃查時回波變化不規則，缺陷顯示存在自身高度，左右移動時可測出其指示長度，可分析為線性缺陷（如裂紋或未溶合）［3］。由圖6可見，焊縫近表面超標缺陷波形波根較寬，波形有分叉，探頭移動時，回波幅度顯示不規則的起伏態，但波高很高，做環繞掃查時回波變化不規則， 可分析為平面狀缺陷（如裂紋或未溶合）。 圖7是42-43區缺陷射線底片顯示圖像，為嚴重的裂紋。

圖7 射線底片反映的嚴重裂紋缺陷影像

由于缺陷最高點均已超過判廢線，在探頭移動過程中波高起伏變化均在定量線上，因此在測長時可采用半波高法或6dB法［4］，測長時要準確找到回波最高點，調節至基準波高，以此為起始點，如缺陷有多個波高，先要找到缺陷的左右端點且兩個端點的波高要位于定量線上或Ⅱ區及以上，此時將缺陷端點的波高調到基準波高，然后用半波高法或6dB法確定缺陷的指示長度。

5 缺陷的返修

根據表2缺陷記錄情況， 列出在錐體側探傷檢測時缺陷水平方向定位對照表（表3）。

表3 錐體側缺陷定位

由表3可見，1#容器26-27區為錐體外側探頭K1探得缺陷區域，在水平方向可確定缺陷截面寬度為F截面7.0mm，刨除時深度為101.0mm，為返修方便， 一般從外側引線到內測刨除缺陷挖至40mm左右即可清除缺陷；1#容器42-43區為錐體外側探頭K2.5探得的缺陷區域，缺陷截面寬度為F截面3.6mm；2#容器16-17區為錐體內側探頭K2探得的缺陷區域，顯示屏顯示水平距離為71.0mm（圖4中DA的長度），測得h=21.0mm，AB=35.2mm，處于焊縫中心線右側，則H=53.0/62.0mm，可以看出不論在錐體外側還是內側掃查時，均存在探傷盲區， 增加不同類型的探頭可有效彌補漏檢，使檢測盲區盡量縮小，筒體與錐體的夾角影響著缺陷水平位置和深度的確定。

經刨開缺陷部位焊縫，刨至預定深度時缺陷明顯可見，刨除缺陷時在水平位置的定位明顯要比在錐體側容易，缺陷清除起來也較容易，方便焊工操作， 避免了清挖時對焊縫附近母材的損傷，提高返修可行性；觀察裂紋，總體走向較直，很少彎曲，無分叉，尖端有的尖銳，有的鈍而寬；但缺陷實際長度要比預檢測出的長度短，這是因為手工誤差和探傷中沒有進行必要的修正造成的，誤差一般在10mm左右。

6 結束語

從實際檢測的兩臺設備來看，不在同一平面的兩板對接焊縫，超聲波在斜面檢測發現缺陷的情形為： 探頭置于筒體外側檢測時缺陷定位前移， 探頭置于筒體內側檢測時缺陷定位后移；采取多角度探頭檢測為宜，缺陷的實際深度大于檢測深度。

采用K1探頭發現的缺陷數量比采用K2、K2.5探頭發現的多， 且對同一缺陷測長時，K1探頭測得的缺陷長度要比其他探頭測得的長。 因此，在檢測厚壁容器時，除用K2、K2.5探頭檢測外，必須要增加K1探頭檢測，才不會造成缺陷的漏檢。 另外， 對該焊縫進行雙面雙側檢測時，K2.5探頭在筒體外側檢測到近表面超標缺陷，主要是因為焊縫寬度大，K2探頭檢測不到近表面的缺陷， 也容易造成缺陷漏檢。 因而，采用大角度探頭在厚壁容器探傷中也是必要的。