焊接接頭超聲波檢測中變形波分析

摘 要：目前在特種設備生產和定期檢驗過程中，超聲檢測和射線檢測是常用方法，在定期檢驗過程中，由于設備結構位置所限，超聲檢測應用尤其普遍。影響超聲檢測結果的因素較多，如焊接接頭的坡口形式、檢測面的打磨情況、焊縫余高是否磨平等。在焊縫余高未磨平的情況下，在進行超聲檢測時，容易出現除切線反射波外的變形波，對檢測結果的判定造成干擾。因此在超聲檢測過程中，是否能準確識別變形波，是得出正確檢測結果的關鍵。現通過實際探傷實例，對變形波產生的原因、特點及判別方法進行探討。

關鍵詞：壓力容器；超聲波檢測；變形波

中圖分類號：TH49" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0063-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.015

0" " 引言

在特種設備無損檢測過程中，缺陷的正確識別和判定是對無損檢測人員能力的基本要求，更是特種設備安全運行的重要保障。當檢測人員無法正確識別缺陷時，可能會造成生產的延期甚至發生嚴重的特種設備事故，危及人民生命及財產安全。在檢測過程中，檢測人員若將偽缺陷判定為缺陷，一般不會造成特種設備安全事故，但是在清除判定的“缺陷”及返修的過程中，有可能產生新的“缺陷”，輕則增加生產單位的時間成本，重則造成設備嚴重損傷，乃至報廢。

1" " 變形波實例

2018年4月，對宿州市碭山縣一臺液化石油氣儲罐進行定期檢驗，該壓力容器筒體材質為Q345R，名義厚度18 mm，坡口形式為X形坡口，焊接接頭采用埋弧焊焊接。現場采用超聲波探傷，其中筒體兩條環焊縫在焊縫右側掃查時出現多處異常反射信號，反射面位置在焊接接頭左側熱影響區、深度距上表面11 mm處，在焊縫左側掃查過程中則未發現異常信號。為明確反射信號產生的原因，檢驗人員根據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》[1]進行追加檢測，在提高檢測比例的同時，更換超聲波探頭（現場使用K2.5，更換為K1.0）對標記焊縫進行掃查，掃查過程中未發現異常反射信號。為確保檢測結果的準確性，又采用X射線依標準對該標記焊縫進行透照，檢測結果同樣未發現異常（圖1）。對焊縫雙面余高進行磨平處理，再次進行掃查，異常信號消失。

2" " 變形波產生機理及在示波屏上出現的位置

2.1" " 橫波斜入射的波形轉換及反射、折射

在焊接接頭的超聲檢測中一般使用橫波（下文所述入射波均為橫波），橫波在兩個不同介質的分界面上會產生反射和折射，超聲檢測即通過接收到的反射波來判斷被檢物件中有無缺陷。但是在橫波入射時產生的反射波和折射波中，除了橫波外，還有縱波存在（圖2），即本文討論的變形波。

反射波和折射波的反射和折射路徑符合反射、折射定律：

式中：cL1、cS1分別為入射介質中縱、橫波聲速；cL2、cS2分別為被檢介質中縱、橫波聲速；αS為橫波入射角度；αL′、αS′分別為入射介質中縱、橫波反射角度；βL、βS分別為被檢介質中縱、橫波折射角度。

因為聲速在鋼材中縱波聲速cL1約為橫波聲速cS1的1.8倍，由式（1）可知，αL′＞αS，當αS增加時，αL′隨之增加，當αS增加到某一特定角度時，αL′=90°。這時所對應的橫波入射角αS稱為第三臨界角αⅢ。

當αS≥αⅢ時，在第一介質中只有反射橫波，沒有反射縱波，即橫波全反射。

當αS＜αⅢ時，在第一介質中既有反射橫波，又有反射縱波。

2.2" " 焊縫中的變形波

當聲波到達焊接接頭對側表面時，若存在可以使αS＜αⅢ的特殊部位，那么在反射聲波中就既存在反射橫波S′，又存在變形反射縱波L′，如圖3所示。

焊縫中產生變形縱波以后，由于反射角度的原因，并不一定能被檢測探頭接收從而在顯示屏上出現，只有在某些特定位置或形狀（如圓滑過渡的焊縫融合線、某些焊縫余高或焊瘤處）可以讓折射縱波與兩相分界面垂直，此時折射縱波會由于反射，產生新的反射縱波和變形反射橫波，并且兩種反射波都會沿原路徑返回，從而被超聲波探頭接收并在顯示屏上顯示出來，形成所謂的變形波（圖4和圖5）。

2.3" " 變形波在示波屏上出現的位置

變形縱波在示波屏上出現的位置應在一次底波和二次底波之間，其具體出現位置可以根據實際探傷工件的厚度、探頭K值以及定標方法等通過以下方法確定。

假設實際探傷中工件的厚度為T，探頭折射角為βS，按深度1：1定標。變形縱波的聲程為厚度T，相當于橫波的聲程S=T×，則變形縱波在示波屏上的具體位置應為：

若考慮焊縫的余高，設焊縫上表面余高為t1，下表面余高為t2，則上式應為：

本次檢測過程中，實際探測工件厚度為17 mm，上下焊縫余高均在1.5 mm左右，若為變形波則其位置應為：

超聲波檢測儀顯示的波形深度為距離上表面11 mm，預設工件厚度為17 mm，則顯示數據Th=

2T-T′=11.44 mm。可見，超聲波示波器上的位置與變形波可能出現的位置相差不大。

2.4" " 實際檢測中常見對接接頭出現變形波的可能性分析

2.4.1" " 焊接接頭余高較大且呈半圓形

余高比較大且呈半圓形的焊接接頭，橫波傾斜入射時，會在下表面形成反射橫波及變形反射縱波，但是由于上表面余高呈半圓形，其變形縱波在上表面再次反射時，反射縱波不能按照原路徑返回，而是按照與變形縱波分布在法線兩側且角度相等的方向傳播，故不能在示波屏上顯示，如圖6所示。變形縱波只有在正好垂直入射到熔合線的情況下，才有可能出現在示波屏上，如圖7所示，但這種情況概率比較低。因此，這種結構對接接頭較難在示波屏上形成變形波。

2.4.2" " 余高較低的半橢圓形對接接頭

這種焊縫余高邊緣較為陡直，上部較為平緩，近似半橢圓形。橫波傾斜入射時同樣會形成反射橫波及變形縱波，變形縱波入射上部較為平緩的部位時反射回來，如圖8所示，在示波屏上出現變形波。或者變形縱波入射到上表面熔合線處，也會在示波屏上出現變形波。

2.4.3" " 余高磨平的對接接頭

焊縫余高磨平時，對于上下表面平行的工件而言，焊縫底部橫波入射角αS與探頭的折射角βS相等，如圖9所示。對于鋼材質而言，第三臨界角αⅢ約為33.2°。而工業超聲波探傷用探頭基本為K1、K2、K2.5等常規探頭，其折射角度大于αⅢ，因此在工件中只有反射橫波，無變形縱波，即橫波全反射，也就不存在變形波。

3" " 結論及建議

根據上述分析，此次液化石油氣儲罐定期檢驗過程中，超聲波檢測發現的異常回波應為焊縫余高未磨平導致的入射橫波在焊縫中傳播時產生波形轉換，從而造成的偽缺陷回波。

在現場檢測過程中，當被檢測焊接接頭符合NB/T 47013.3—2023《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》[2]中應將焊縫余高磨平的條件時，應按規范將焊縫余高磨平，若現場實際情況不符合該條件或不允許將焊縫余高磨平，則應在檢測前通過理論計算預估是否會出現變形波，通過以下幾種方法對檢測中出現的“缺陷波”進行準確判斷，避免將偽缺陷判定為缺陷，保證檢測結果的正確性。

1）位置計算。根據上述公式及實際探傷工件和所用探頭，可計算出變形波在示波屏上的位置，若實際反射波在示波屏的位置與計算位置相同或相差不大，則有可能是變形波，反之則不是。

2）增加不同K值的探頭檢測。當現場采用某種K值探頭檢測時，若發現疑似變形波，應更換不同K值探頭重新進行檢測，若反射信號仍在同一位置出現，則為缺陷波。若此波消失或反射信號重新出現在此探頭變形波的計算位置附近，則應為變形波。

3）觀察波形。若反射信號在一次底波后、二次底波前且呈典型的“山”字形，那么，此信號應該是變形波的特例“山”形波。

[參考文獻]

[1] 固定式壓力容器安全技術監察規程：TSG 21—2016[S].

[2] 承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測：NB/T 47013.3—2023[S].

收稿日期：2024-10-21

作者簡介：李雙（1988—），男，安徽宿州人，工程師，從事鍋爐、壓力容器檢驗工作。