小管径薄壁管焊接接头的超声检测方法

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  摘  要:不管是在电力行业还是在特种设备行业中,小管径薄壁管焊接接头的占比都非常高,此类焊接接头的焊接工艺要求较高,焊接过程控制不当就会产生如裂纹、未熔合、未焊透等的缺陷,而且即使是焊接没问题,在小管径薄壁管运行使用过程中,仍然可能出现新的缺陷,给设备甚至人生安全带来挑战,曾有某电厂因为小管径焊接接头漏水问题,停机维修5d,带来的经济损失不可估量,所以对于此类接头的检测显得尤其重要。本文作者针对小管径薄壁管焊接接头的结构特点,选择了超声检测方法,它是一种用途广泛,使用频率较高而且发展速度较快的一种无损检测方法,本文在超声波仪器、探头、试块、探伤灵敏度的选择以及超声信号等方面进行分析,以便得到最佳的超声检测方法,希望对同行有所帮助。
  关键词:超声检测  小管径薄壁管  缺陷  方法
  中图分类号:TG441.7                         文献标识码:A                    文章编号:1674-098X(2020)10(a)-0067-04
  Abstract: Whether it is in the power industry and special equipment industry, small diameter thin wall pipe welding joint of proportion is very high, the welding joints of welding technology demand is higher, improper control of welding process can produce such as cracks, incomplete fusion, lack of penetration and other defects, and even welding is fine, in the process of small diameter thin wall pipe runs using, still new defects may occur, to equipment safety challenge in life, even there was a certain power plant because of small diameter welding joint leakage problem, maintenance downtime for five days, also bring incalculable economic loss. So for this kind of joint detection is especially important. In this paper, the author based on the structural feature of small diameter thin wall pipe welding joint, chose the ultrasonic detection method, it is a wide range of uses, use frequency is higher and faster development of a nondestructive testing method. This paper analyzes the selection of ultrasonic instrument, probe, test block, flaw detection sensitivity and ultrasonic signal, in order to get the best ultrasonic detection method, hoping to be helpful to the peer.
  Key Words: Ultrasonic testing; Thin walled tube with small diameter; Defect;Method
  超聲检测是五大常规无损检测技术之一[1],在特种设备行业中通常指用来缺陷的检测和材料厚度的测量,比如管道焊缝的超声检测。它是一种用途广泛,使用频率较高而且发展速度较快的一种无损检测方法。超声检测有很多优点,比如,超声波方向性好、可以定向发射、超声波能量高、穿透力强、检测方便等。当进行超声检测时,超声探头发射超声波进入工件,工件中的超声波遇到缺陷(比如气孔、裂纹等)时发生反射,探头又接收超声波,显示在超声仪荧光屏上,根据反射波幅的大小、形态和位置,判断质量等级[2]。
  小管径薄壁管焊接接头广泛应用于各行各业,它一般采用全氩弧焊,主要的缺陷分为裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合等,这些缺陷如果不能及时被发现和处理,会严重危害系统的正常稳定运行,特别裂纹、未焊透、未熔合等平面型缺陷,在各行业中一般都是不允许存在的。鉴于此类管道的半径小管壁薄的特点,利用普通的超声波检测方法检测起来具有一定难度,小径管的外表面曲率大,普通探头难以耦合好,而在管道内表面,超声波反射发散严重,杂波多,信号分辨率差,所以研究此类焊缝的超声检测就有了特殊性和必要性。下面就此类检测在超声波仪器,探头,试块,基准灵敏度的选择以及信号分析等方面进行分析,以便得到最佳的超声检测方法。
  1  超声检测仪的选择
  在DL/T679-1999标准中,小管径薄壁管是指直径在60mm、厚度6mm以下的管道。因为小径薄壁管焊接接头在进行超声检测时往往产生很多杂波,所以为在杂波中甄别出缺陷,通常在选取超声检测仪时往往选择较高分辨率和较窄始脉冲宽度的仪器,此外超声波仪器工作频率范围至少应为1~10MHz,垂直线性误差不超过5%,水平线性误差不超过2%,同时为了便于信号的分析和处理,要选择能使超声波信号储存纪录的超声波检测仪。由于很多小径管的所处的位置空间有限,在保证上述条件的前提下选择小而轻便的仪器。基于此,进行小管径薄壁管超声检测时建议选择A型显示脉冲反射式数字检测仪,比如CTS-4020、9006-PLUS(如图1)等可满足上述要求。   2  探头
  超声探头的选择是超声检测系统中最重要的一环,探头种类成千上万,选择何种探头直接影响检测结果。当超声波倾斜入射到异质界面时,比如焊缝中的裂纹,其焊缝材料和空气形成了异质界面,会在上面产生超声波反射现象,根据反射回来的波在判断缺陷的位置和严重程度,超声波检测焊接探头接头原理见图2。由于小管径薄壁管外壁曲率较大,而普通的常规探头接触面为平面,因此检测时探头与小管径薄壁管不能完全吻合,探头所发射的超声波就不能完全折射到管子里,超声波在管子外表面就会产生散射。这样超声波的能量会降低很多,影响了检测的准确度。为了实现与小径管的完全吻合,探头的接触面应依照不同管径加工成与管外壁吻合良好的曲面,而且要使用晶片尺寸小的探头来实施。小管径薄壁管的超声波检测推荐的是小晶片、短前沿、高频率、大K值的探头,下面我们主要从以下几方面考虑。
  2.1 探头K值选择
  所谓探头K值,是指探头角度的正切值,比如45°探头的K值为1,60°探头的K值为1.73,选用大K值,即探头角度越大,超声波的声程会相应增长,而且近场区干扰减少,便于缺陷的检出,但是探头的K值也不能太大,超过4后超声的声束变得不集中,能量下降。根据计算和经验,一般在检测小管径薄壁管焊接接头时选用K为2.5或3.5的探头为宜。
  2.2 探头近场长度选择
  由于探头近场区内声压会出现极大值和极小值,所以不能在近场区内进行缺陷的探测,尤其是薄壁管焊缝中,缺陷的定位和定量尤其重要,必须在调整仪器时利用远场区进行检测,尽量使一次波的扫描范围在1.6至3倍的近场区。
  2.3 探头频率选择
  由半扩散角公式Ф=arcsin(k·r/D)可知(如果探头为方形晶片,则k=1;探头为圆形晶片,则k=1.22;r为超声波波长,D为探头直径),当晶片尺寸不变,频率增大时,r变小,半扩散角值Ф变小,即探头声束指向性较好,分辨力变高。所以在实际检测小管径薄壁管焊缝时通常是在保证检测灵敏度等前提下,适度提高频率。
  2.4 探头前沿选择
  探头的入射点距离探头前段的距离成为探头前沿,小径管超声波检测时,由于内壁反射发散较为严重,使用二次波时,灵敏度往往比一次波低,为了尽可能增加一次波在焊缝中的检测面积,特别是当焊缝具有余高时,探头的前沿应尽可能小,一般应加工在5mm以内为宜。
  2.5 探头晶片尺寸选择
  一般情况下,被检部件规格越大,厚度越厚,使用的探头晶片应能越大,目的是保证超声波有足够的穿透力,当检测小管径薄壁管时,为了减少發散和减小近场区,探头的晶片尺寸不能太大,而且要求晶片装配过程中精度要高,建议使用为5mm×5mm或5mm×6mm晶片的探头。
  2.6 探头晶片使用材料的选择
  超声波探头中的晶片具有正压电效应和逆压电效应,分别用来接收超声波和发射超声波,晶片使用的材料有很多种,市场上造价也各不相同,建议使用压电应变常数和压电电压常数高的材料,比如PZT和硫酸锂等,这样加工成的探头灵敏度也很高。
  3  试块
  3.1 标准试块
  标准试块是由权威机构部门设计制造的,其特性与制作要求有专门的标准要求,其用于仪器探头系统性测试校准和设备测试,比如仪器的垂直线性和水平线性测试、线性校准、探头的角度测试等。常用的标准试块有CSK-IA试块等,如图3所示。
  3.2 参考试块试块
  参考试块用于探头灵敏度曲线制作和基准灵敏度的确定[3],要采用与被检管件同等厚度且相同材质的材料进行试块加工,特别是试块上的刻伤位置、大小、数量等一定要符合相关行业标准,当材料中检测出缺陷时,就需要跟这些试块中的已知反射体进行比较。
  4  仪器的调整
  4.1 仪器扫描速度的调节
  仪器的扫描速度直接影响到缺陷定位是否准备,当进行小管径薄壁管焊缝超声检测时,建议使用声程法进行调节,方法是利用标准试块CSK-IA的R50mm和R100mm的圆弧面进行校准,前后移动探头,找到这两个波的最大幅值位置,按仪器上的校准键仪器便可自动进行调节。
  4.2 基准灵敏度设置
  基准灵敏度的设置尤其重要,关系到缺陷的定量、定位等,其设置方法较多,但对于手动类超声检测,建议采用距离-幅度曲线方法:找到参考试块上各孔的最大回波,连接这些不同高度的回波,形成距离-幅度曲线,把其中波幅最高的点定为超声仪满屏高度的80%左右,此时灵敏度为基准灵敏度。
  5  检测实施
  采用耦合剂CG-08(也可使用机油或者浆糊),将探头放在被检部件上,采用锯齿型扫查,探头前后移动距离要保证三次波能扫查到焊缝根部。探头移动速率不得大于100mm/s,当探头移动时,探头的每次路径至少必须重迭探头晶片尺寸的15%,另外扫查时至少应在基准灵敏度基础上增益6dB。
  6  波形分析
  超声波在传播过程中会发生多次反射与折射,遇到不同介质的界面还会发生波形转换[4]。除了缺陷反射波外,检测仪器上通常还会有一些结构反射波信号(比如焊缝根部信号、焊缝余高信号等)、波形转换的信号、有时候环境干扰会出现噪声信号,这些波会干扰检验人员对缺陷的判断,因此正确区分缺陷波和非缺陷波,并能对缺陷波做出正确判定是超声波检测中至关重要的一步。下面就各类信号进行分析,以帮助甄别缺陷信号。
  6.1 焊缝根部的信号
  焊缝根部因为和管道内表面母材面不平,所以进行检测时一般会有反射信号,这些信号的位置一般存在于小管径整圈,显示位置一般很固定,波跟较宽。
  6.2 焊缝内表面或者余高反射的信号
  焊缝余高信号一般是在使用二次波时出现,在超声波仪器上的显位置一般较固定,用手轻轻触摸焊缝余高时,这些波会跳动。此外,二次波在上表面容易产生变形波,到达下表面产生回波被探头接收,或者一次波在下表面产生变形纵波。因此在薄壁管对接焊缝检测时一定要分清几何反射波的位置,特别是在二次波观察区这些几何反射波出现较多。   6.3 缺陷回波
  在发现缺陷并对其定性时,要注意区分几种常见缺陷的回波特性。裂纹的显示特征是波形比较尖锐,经常出现在焊缝根部或者焊缝热影响区,探头前后移动时,波幅会迅速降低,如果判定为裂纹类危害性缺陷,根据标准要求一般为不合格焊缝,需要进行消缺处理[5]。未熔合的位置经常出现在焊缝坡口,方向性较强,探头可能只在一侧发现该类型缺陷。未焊透的信号多会出现在一次底波之前,信号幅值很高,水平定位多出现在焊缝中心线。超声波对单个气孔和夹渣缺陷检测不敏感,对于密集型气孔或夹渣反射波多呈现锯齿状,且波根较宽。
  7  信号判定原则
  超声检测的目的是将所得到的信号加以分析并判定是否缺陷信号,以便及时处理。超声检测人员在对小径管薄壁焊缝进行检测时通常遵循的原则如下。
  缺陷性质是根据缺陷信号回波的静态和动态波形特征以及缺陷分布状态,结合材料特点和制造工艺,通过前后、左右、转角、环绕的扫查方式进行综合分析和判断的[6]。本着保守的原则,当发现疑似显示时,如果不能判断是否为缺陷显示,可以通过射线检测等其他无损检测方法进行综合评判。如果在一次底波前出现了反射信号,则一般判定为缺陷反射信号。如果未看到一次波反射信号,只有在一二次回波之间看到一反射信号,可判定为缺陷反射信号。如果有一次波反射波,在一次波之后還有一反射波,且定位时在远离探头一侧,这个波可能就是几何反射波或变型波。另外需要注意的是,并不是所有的缺陷都需要记录或者处理,具体的缺陷记录和验收标准各行各业均有不同的要求。
  8  结语
  针对小管径薄壁管焊缝常规超声较难实施的特点,对超声波仪器选择、探头选择、实施要求和信号分析等各方面提出了优化意见。随着各行各业对焊接质量和设备安全的要求越来越高,需要检测者将所学的理论知识与实际相结合,多实践、多摸索、勤总结,只有这样才能对实际检测中出现的各种波形作出正确判断,避免因误判、漏判导致的事故发生。现在国内数字式超声波检测仪和高性能超声波探头正高速发展,对缺陷的定位和定量也愈加准确,使得对小径管的超声波检测从试验走向实用,如果再结合人工模拟缺陷试块,对缺陷的判定会更加准确。
  参考文献
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  [4] 张祥林,孙丽君,刘钊,等.薄板栅格翼焊缝的相控阵超声检测参数研究[J].无损探伤,2018(2):6-11.
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