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摘 要 介紹了管道對(duì)接焊縫未焊透自身高度超聲測定方法試驗(yàn)研究過程,提出了用當(dāng)量法測定管道對(duì)接焊縫未焊透自身高度的檢測工藝。
1 前言
??? 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,壓力管道越來越廣泛地應(yīng)用于石油、化工、城市燃?xì)?、電力等行業(yè)中。壓力管道在制造過程中會(huì)產(chǎn)生各種焊接缺陷,主要類型包括未焊透、未熔合、裂紋、氣孔及夾渣等。怎樣解決在建、在用壓力管道焊縫的無損檢測問題,確保壓力管道安全使用,是需迫切解決的課題。
??? 在壓力管道焊接缺陷無損檢測工作中,焊接缺陷的定量分析結(jié)果至關(guān)重要,尤其是對(duì)接焊縫中的未焊透缺陷。在用壓力管道焊縫抽樣無損檢測的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,各類焊接缺陷中未焊透缺陷的出現(xiàn)概率最大。能否用常規(guī)無損檢測技術(shù)較精確的測定未焊透缺陷的高度,直接影響管道未焊透缺陷安全評(píng)定工作的可靠性。本文主要討論小口徑薄壁(4mm≤壁厚≤8mm)壓力管道焊縫根部未焊透缺陷自身高度超聲波測定方法工藝,提出了應(yīng)用不同深度的槽形人工反射體作當(dāng)量比較,測定管道對(duì)接焊縫未焊透缺陷自身高度的方法,并對(duì)實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果和誤差進(jìn)行分析,為測量未焊透缺陷自身高度提供一種工藝方法。
2 超聲檢測工藝分析
??? 是否能用超聲探傷測定小口徑薄壁管的未焊透缺陷,根據(jù)理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,答案是肯定的,關(guān)鍵在于怎樣利用超聲探傷技術(shù),選擇合適的探頭及工藝,提高未焊透高度測定的精度。
2.1 探傷方法的選擇
??? 超聲檢驗(yàn)是常用的無損檢驗(yàn)方法之一,可用于對(duì)材料中缺陷的定位、定量。在定量中,根據(jù)超聲與缺陷間相互作用,派生出多種定量測定方法,且檢測結(jié)果不盡相同。
??? 常用方法之一是當(dāng)量法,所謂當(dāng)量法就是用某一形狀的人工缺陷反射體作為比較對(duì)象,缺陷(未焊透)與人工缺陷反射體反射波高相等時(shí),該人工缺陷的尺寸,即為該缺陷的當(dāng)量尺寸。當(dāng)使反射體有可比性,可選用人工槽模擬未焊透缺陷。
??? 另一方法為直接測深法,用探頭直接測量未焊透頂端的反射波,定出端點(diǎn)的位置,從而測出未焊透的高度。此法的測定精度取決于管子的壁厚、缺陷的大小、以及儀器性能和探頭的類型。對(duì)于小口徑薄壁管,用測深法有相當(dāng)?shù)碾y度。本試驗(yàn)主要選擇了當(dāng)量法。
2.2 探頭對(duì)檢測方法的影響
(1)探頭近場和前沿的影響小口徑薄壁管檢測時(shí),探頭近場往往會(huì)進(jìn)入工件,探頭的前沿影響一次波掃查,為保證檢測的有效性,可采用三次波檢測。
(2)探頭接觸面的影響接觸面為平面的探頭與管道外壁不能很好耦合,導(dǎo)致聲壓透射率下降。把探頭接觸面加工成有一定曲率半徑的圓弧后,會(huì)形成聲束發(fā)散,降低靈敏度。實(shí)際探傷時(shí),探頭可稍作修磨,便于操作。
2.3 實(shí)測時(shí)靈敏度補(bǔ)償
??? 應(yīng)用對(duì)比試塊的人工反射體作當(dāng)量比較,來測定管道焊縫未焊透缺陷時(shí),為保證缺陷定量的準(zhǔn)確性,必須考慮對(duì)比試塊與被檢管道表面狀態(tài)和材質(zhì)的差異,在檢測時(shí)給予補(bǔ)償。
??? 反射波波幅的主要影響因素包括工件探測面的粗糙度、工件內(nèi)表面的狀態(tài)(包括腐蝕、積垢、表面粗糙度等)、耦合狀況和材料的材質(zhì)衰減等。由以上原因造成的聲能損失的大小可采用串列雙探頭法實(shí)測,在探傷時(shí)給予補(bǔ)償。當(dāng)然,也可以制作實(shí)物對(duì)比試塊來解決補(bǔ)償問題。
??? 以上是小口徑薄壁管環(huán)縫未焊透超聲檢測法工藝選擇時(shí)必須考慮的因素。這些因素既反映了超聲波檢測方法本身的特點(diǎn),又考慮了被檢管道的特點(diǎn)。
3 試驗(yàn)過程和結(jié)果分析
??? 根據(jù)前面的分析討論,進(jìn)行了以下幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究工作,并分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
3.1 平板未焊透類缺陷檢測試驗(yàn)
利用加工有不同深度線切割槽的平板試塊(見圖1),制作不同探頭的槽深—波幅曲線,來討論不同深度的未焊透類缺陷的反射特性和不同探頭對(duì)未焊透類缺陷的反應(yīng)。表1為所選典型探頭特征表,圖2為典型探頭的槽深與波幅(dB)關(guān)系曲線。
關(guān)系曲線分析:
當(dāng)槽深較小時(shí),探頭聲束能覆蓋槽深,反射聲波的波幅隨槽深的增加而增加,反射聲波反映了槽深的當(dāng)量;當(dāng)波束不能覆蓋槽深時(shí),相當(dāng)于端角反射,波幅變化不大,不能準(zhǔn)確反映槽深當(dāng)量。用當(dāng)量法檢測未焊透時(shí),如未焊透深度小于關(guān)系曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的深度則可用槽深—波幅曲線做內(nèi)插估計(jì)未焊透深度;如槽深大于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的深度時(shí),當(dāng)量法靈敏度低。一般制造標(biāo)準(zhǔn)給出的薄壁件對(duì)接焊縫坡口的鈍邊值在1～2mm左右。由圖2可見,深度2.5mm以下的切割槽,反射波幅存在明顯的差異,可用當(dāng)量法檢測。
??? 不同探頭在對(duì)同一槽深缺陷檢測時(shí),所反映的dB讀數(shù)大小不同。在選擇探頭時(shí),應(yīng)盡量選擇dB數(shù)大的探頭,以留有足夠的靈敏度余量,保證測量的精度。
3.2 管子環(huán)向未焊透類缺陷的檢測試驗(yàn)
利用加工有不同深度槽的管子對(duì)比試塊(見圖3,管子試樣尺寸為á76×4),使用與平板試塊相同的檢測工藝,可以制作出管子試件的槽深與波幅的關(guān)系曲線,見圖4。圖中選擇了1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)探頭。
數(shù)據(jù)及關(guān)系曲線結(jié)果分析
??? 對(duì)不同探頭,槽深—波幅曲線的特征基本與平板測試相同,不同探頭的槽深—波幅曲線因探頭而異,探頭的動(dòng)態(tài)范圍大有利于提高當(dāng)量法未焊透(或人工槽)測深的可靠性。但平板與管子也存在不同處,主要體現(xiàn)在管徑大小和槽寬上。根據(jù)理論分析,管徑越小,散射越大,波幅低;寬槽的反射波幅比窄槽的反射波幅低(尤其對(duì)淺槽),但差值不大,這一規(guī)律與寬槽的散射有關(guān)(淺槽較大)。
??? 此外,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),晶片尺寸較大,發(fā)射強(qiáng)度較大的探頭對(duì)不同深度的寬槽反應(yīng)不靈敏,這種探頭不適用于用當(dāng)量法測定未焊透缺陷自身高,在探頭選擇時(shí)應(yīng)引起重視。
3.3 管子試樣實(shí)測
??? 選擇帶有未焊透的實(shí)物管子進(jìn)行實(shí)際測試,通過與對(duì)比試塊的槽深—波幅曲線比較,用插入法確定管子的未焊透高度,實(shí)測時(shí)必須考慮補(bǔ)償。
??? 實(shí)物管子試件尺寸為á76×4,在試件的焊縫上選擇四點(diǎn)(A,B,C,D四點(diǎn),周長四等分)測定未焊透波幅值,插值于1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)探頭槽深—波幅關(guān)系的擬合曲線,求出所測四點(diǎn)未焊透自身高的估算值。表2列出了試件解剖后的未焊透實(shí)際深度與估算值的誤差。
從實(shí)際測試結(jié)果分析,最大絕對(duì)誤差0.7mm,最小誤差0,平均誤差0.3mm。由于未焊透本身尺寸較小,加上超聲波探傷精度影響因素眾多,超聲法測定焊縫未焊透自身高度存在一定誤差。
4 誤差分析及討論
??? 測試誤差來自以下幾個(gè)方面:
(1)焊縫加強(qiáng)高焊縫加強(qiáng)高的存在,使一次波探傷無法進(jìn)行,只能采用三次波探傷。三次波聲場特性較復(fù)雜,給波形分析帶來了一定的困難,兩次反射后聲束擴(kuò)散,靈敏度較低。
(2)管道曲率半徑小口徑管道的曲率半徑較小,聲束從管外壁入射到內(nèi)壁產(chǎn)生的反射波聲束由于曲率原因會(huì)產(chǎn)生發(fā)散,導(dǎo)致聲能損失。此外,管道外壁的圓弧面,直接影響平面型探頭與管道外壁的耦合。
(3)未焊透的端角反射當(dāng)聲束輻射至未焊透下端時(shí),會(huì)產(chǎn)生端角反射,如入射聲束的入射角選擇不當(dāng),會(huì)產(chǎn)生聲壓反射率相當(dāng)?shù)偷那闆r。另外端角的存在,會(huì)使反射波最大值的位置不一定出現(xiàn)在頂角位置,而產(chǎn)生最高波延遲或提前的現(xiàn)象,影響定位。
(4)未焊透的形狀未焊透上端的形狀不象人工槽,在焊接過程中產(chǎn)生的未焊透,形狀很不規(guī)則,實(shí)際未焊透缺陷的這一特征,給以反射當(dāng)量為比較依據(jù)的當(dāng)量法測試帶來了誤差。
(5)管子內(nèi)外表面狀態(tài)管子內(nèi)外表面狀態(tài)影響表面補(bǔ)償?shù)拇笮?影響插值估算的結(jié)果。
(6)探頭性能的影響探頭的種類、入射角大小、晶片大小、頻率和接觸面形狀等原因影響當(dāng)量法的精度。
(7)槽深—波幅曲線擬合誤差的影響擬合曲線的類型,影響插值估算的精度。
5 結(jié)論
1)由試驗(yàn)可見可以使用槽形人工反射體作當(dāng)量比較,檢測薄壁(4mm≤壁厚≤8mm)壓力管道焊縫根部未焊透缺陷的自身高度。
2)用接觸法探測管道焊縫,如焊縫有加強(qiáng)高存在,不能用一次波探測,可用三次波探測;探測部位為焊縫兩側(cè)100%,或可參照射線探傷底片,找出未焊透影像上黑度最大的焊縫部位,進(jìn)行兩側(cè)檢測;定出缺陷波在基準(zhǔn)位置(如滿刻度80%時(shí))的dB值,加上波幅補(bǔ)償值,作為缺陷波的實(shí)際當(dāng)量;用插入法在標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比試塊的槽深—波幅擬合曲線上,估算出未焊透缺陷的高度。