單面焊對接環(huán)焊縫中由錯邊引起的根部超聲回波特征

閆留青

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海洋石油平臺在建造過程中會使用大量桿弦拉筋和隔水套管等桿件，此種結構中所涉及的環(huán)焊縫往往要求使用規(guī)范API RP 2X進行100%的超聲檢測，以確定焊縫中有無缺陷。拉筋和隔水套管預制焊縫超聲檢測長度在整個平臺結構的占比較大，約占平臺超聲檢測長度的1/5。由于拉筋和隔水套管的管徑較小(大部分管徑不大于914 mm)，桿件長度比較長(一般大于10 m)。這種類型的環(huán)焊縫焊接只能采用單面焊接的形式，先用氣體保護焊或手工電弧焊進行根部打底，然后采用埋弧焊接的方法進行填充和蓋面。

由于規(guī)范API SPEC 2B所允許的徑向偏差(最大9.5 mm)和不圓度(最大12.7 mm)較大的特點,因此由錯邊引起的根部超聲反射回波十分復雜。筆者詳細分析了由錯邊引起的根部超聲反射回波的幾種常見類型。

1 錯邊引起的根部超聲反射回波的幾種常見類型

錯邊主要由管徑不圓或焊縫兩側母材壁厚不相等引起，對于厚壁管，規(guī)范允許的不圓度的值比較大，進而會影響焊接管道的質量。在這種情況下, 管道焊接接頭錯邊的現(xiàn)象就有可能發(fā)生。

由于環(huán)焊縫錯邊的嚴重程度是沿圓周變化的，因此錯邊引起的根部輪廓也是變化的。當橫波聲束入射到根部焊縫下表面時，有時會產(chǎn)生變型波，當變型波被儀器接收到時，有可能被誤判為缺陷。筆者總結了幾種常見的錯邊情形，并對其超聲反射回波進行了分析。

1.1 正常錯邊

正常錯邊檢測方法如圖1所示，在檢測過程中, 錯邊內表面低的一側根部反射波幅比較高, 另一側反射波幅有明顯的不同或沒有反射波，水平距離x1和x2的定位點相互交叉, 反射波在顯示屏出現(xiàn)位置偏向焊縫中心線對側。另外，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。包絡波形范圍較寬, 波形比較單一。

圖1 正常錯邊檢測方法

1.2 錯邊輪廓變型波

變型波的產(chǎn)生原理如圖2所示，當橫波聲束入射到根部焊縫下表面，且根部焊縫下表面的形狀使as小于鋼的第三臨界角33.2°時[1]，焊縫中既會出現(xiàn)反射橫波S′, 又會出現(xiàn)變型反射縱波L′。

圖2 變型波的產(chǎn)生原理示意

在錯邊根部余高部位產(chǎn)生變型的縱波，大多數(shù)情況下并不能被儀器接收，只有當變型后的縱波能夠原路返回根部余高部位，再經(jīng)過一次波型轉換后，變型的橫波沿原路徑返回，才能被儀器接收。變型縱波顯示如圖3所示。

圖3 變型縱波顯示

1.3 直角頓邊單邊未熔合

直角頓邊單邊未熔合檢測方法如圖4所示,對于有直角端角的情形，應該避免用60°探頭去評判。用45°的探頭最好，靈敏度比較高。但有時焊縫蓋面比較寬，影響了45°探頭的使用，這時可以用70°探頭替代。

圖4 直角頓邊單邊未熔合檢測方法示意

直角頓邊單邊未熔合的檢測方法為：焊縫一側的波形單一, 反射波幅大, 探頭平移時, 波形較穩(wěn)定, 反射波動態(tài)包絡面大且比較規(guī)范，轉動或擺動探頭時, 波形消失較快,深度定位等于母材厚度，具有端角反射的特征；在焊縫另一側有反射波顯示, 其水平x2定位位置過中心線偏對側，深度定位略小于母材厚度,在根部一次波出現(xiàn)的位置偏左一些。

1.4 非直角頓邊單邊未熔合

當根部頓邊不是按直角加工時，根部頓邊未熔合產(chǎn)生的反射面就不會有端角反射，但頓邊坡口面不和探頭聲束垂直，造成定位偏差。

圖5 非直角頓邊單邊未熔合引起的定位誤判示意

非直角頓邊單邊未熔合引起的定位誤判如圖5所示，頓邊與母材內表面的夾角θ=77°，用標稱角度為70°的探頭進行根部掃查，此時既沒有端角反射，也沒有主聲束為70°的反射波，這時70°探頭產(chǎn)生的上擴散某角度聲束反而與頓邊坡口面垂直，顯示波幅較高。當此時的缺陷定位仍用70°計算時，就會造成定位偏差，把原本根部的不連續(xù)給錯誤定位在焊縫非根部區(qū)域，從而造成不連續(xù)的定位誤判。

2 錯邊焊縫的超聲檢測注意事項

通過上述分析，對于錯邊焊縫的超聲檢測應該做好以下幾點。

(1) 在焊接前，應了解焊縫組對情況，在錯邊嚴重區(qū)域做好相關記錄(如：錯邊大小，根部間隙，根部頓邊角度等參數(shù))，為后續(xù)的波形分析提供參考依據(jù)。

(2) 對超聲檢測過程中的錯邊輪廓變型波進行分析，可以較好地了解焊縫的根部成型情況(比如根部輪廓的走向，根部余高的大小等)， 有助于根部缺陷的辨別。

(3) 對于直角頓邊坡口焊縫的根部檢測，可以用45°或70°角度探頭掃查焊縫根部，通過觀察有無端角反射波進行缺陷的辨別。

(4) 對于非直角頓邊坡口焊縫的根部檢驗，可能不會有端角反射現(xiàn)象，但要注意頓邊坡口面和探頭聲束的不垂直造成的定位偏差。

3 結語

海洋石油平臺單面焊卷管焊縫的根部超聲波回波類型十分復雜，對錯邊引起的根部超聲反射回波進行分析，有助于根部缺陷的辨別，對于保障海洋石油平臺鋼結構的焊接質量具有重要意義。