摘 要 介绍了管道对接焊缝未焊透自身高度超声测定方法试验研究过程,提出了用当量法测定管道对接焊缝未焊透自身高度的检测工艺。
1 前言
随着我国国民经济的高速发展,压力管道越来越广泛地应用于石油、化工、城市燃气、电力等行业中。压力管道在制造过程中会产生各种焊接缺陷,主要类型包括未焊透、未熔合、裂纹、气孔及夹渣等。怎样解决在建、在用压力管道焊缝的无损检测问题,确保压力管道安全使用,是需迫切解决的课题。
在压力管道焊接缺陷无损检测工作中,焊接缺陷的定量分析结果至关重要,尤其是对接焊缝中的未焊透缺陷。在用压力管道焊缝抽样无损检测的统计分析结果表明,各类焊接缺陷中未焊透缺陷的出现概率最大。能否用常规无损检测技术较精确的测定未焊透缺陷的高度,直接影响管道未焊透缺陷安全评定工作的可靠性。本文主要讨论小口径薄壁(4mm≤壁厚≤8mm)压力管道焊缝根部未焊透缺陷自身高度超声波测定方法工艺,提出了应用不同深度的槽形人工反射体作当量比较,测定管道对接焊缝未焊透缺陷自身高度的方法,并对实物试验结果和误差进行分析,为测量未焊透缺陷自身高度提供一种工艺方法。
2 超声检测工艺分析
是否能用超声探伤测定小口径薄壁管的未焊透缺陷,根据理论分析及实验结果,答案是肯定的,关键在于怎样利用超声探伤技术,选择合适的探头及工艺,提高未焊透高度测定的精度。
2.1 探伤方法的选择
超声检验是常用的无损检验方法之一,可用于对材料中缺陷的定位、定量。在定量中,根据超声与缺陷间相互作用,派生出多种定量测定方法,且检测结果不尽相同。
常用方法之一是当量法,所谓当量法就是用某一形状的人工缺陷反射体作为比较对象,缺陷(未焊透)与人工缺陷反射体反射波高相等时,该人工缺陷的尺寸,即为该缺陷的当量尺寸。当使反射体有可比性,可选用人工槽模拟未焊透缺陷。
另一方法为直接测深法,用探头直接测量未焊透顶端的反射波,定出端点的位置,从而测出未焊透的高度。此法的测定精度取决于管子的壁厚、缺陷的大小、以及仪器性能和探头的类型。对于小口径薄壁管,用测深法有相当的难度。本试验主要选择了当量法。
2.2 探头对检测方法的影响
(1)探头近场和前沿的影响小口径薄壁管检测时,探头近场往往会进入工件,探头的前沿影响一次波扫查,为保证检测的有效性,可采用三次波检测。
(2)探头接触面的影响接触面为平面的探头与管道外壁不能很好耦合,导致声压透射率下降。把探头接触面加工成有一定曲率半径的圆弧后,会形成声束发散,降低灵敏度。实际探伤时,探头可稍作修磨,便于操作。
2.3 实测时灵敏度补偿
应用对比试块的人工反射体作当量比较,来测定管道焊缝未焊透缺陷时,为保证缺陷定量的准确性,必须考虑对比试块与被检管道表面状态和材质的差异,在检测时给予补偿。
反射波波幅的主要影响因素包括工件探测面的粗糙度、工件内表面的状态(包括腐蚀、积垢、表面粗糙度等)、耦合状况和材料的材质衰减等。由以上原因造成的声能损失的大小可采用串列双探头法实测,在探伤时给予补偿。当然,也可以制作实物对比试块来解决补偿问题。
以上是小口径薄壁管环缝未焊透超声检测法工艺选择时必须考虑的因素。这些因素既反映了超声波检测方法本身的特点,又考虑了被检管道的特点。
3 试验过程和结果分析
根据前面的分析讨论,进行了以下几项实验研究工作,并分析了实验结果。
3.1 平板未焊透类缺陷检测试验
利用加工有不同深度线切割槽的平板试块(见图1),制作不同探头的槽深—波幅曲线,来讨论不同深度的未焊透类缺陷的反射特性和不同探头对未焊透类缺陷的反应。表1为所选典型探头特征表,图2为典型探头的槽深与波幅(dB)关系曲线。
关系曲线分析:
当槽深较小时,探头声束能覆盖槽深,反射声波的波幅随槽深的增加而增加,反射声波反映了槽深的当量;当波束不能覆盖槽深时,相当于端角反射,波幅变化不大,不能准确反映槽深当量。用当量法检测未焊透时,如未焊透深度小于关系曲线转折点的深度则可用槽深—波幅曲线做内插估计未焊透深度;如槽深大于转折点的深度时,当量法灵敏度低。一般制造标准给出的薄壁件对接焊缝坡口的钝边值在1～2mm左右。由图2可见,深度2.5mm以下的切割槽,反射波幅存在明显的差异,可用当量法检测。
不同探头在对同一槽深缺陷检测时,所反映的dB读数大小不同。在选择探头时,应尽量选择dB数大的探头,以留有足够的灵敏度余量,保证测量的精度。
3.2 管子环向未焊透类缺陷的检测试验
利用加工有不同深度槽的管子对比试块(见图3,管子试样尺寸为á76×4),使用与平板试块相同的检测工艺,可以制作出管子试件的槽深与波幅的关系曲线,见图4。图中选择了1号、2号和3号探头。
数据及关系曲线结果分析
对不同探头,槽深—波幅曲线的特征基本与平板测试相同,不同探头的槽深—波幅曲线因探头而异,探头的动态范围大有利于提高当量法未焊透(或人工槽)测深的可靠性。但平板与管子也存在不同处,主要体现在管径大小和槽宽上。根据理论分析,管径越小,散射越大,波幅低;宽槽的反射波幅比窄槽的反射波幅低(尤其对浅槽),但差值不大,这一规律与宽槽的散射有关(浅槽较大)。
此外,试验发现,晶片尺寸较大,发射强度较大的探头对不同深度的宽槽反应不灵敏,这种探头不适用于用当量法测定未焊透缺陷自身高,在探头选择时应引起重视。
3.3 管子试样实测
选择带有未焊透的实物管子进行实际测试,通过与对比试块的槽深—波幅曲线比较,用插入法确定管子的未焊透高度,实测时必须考虑补偿。
实物管子试件尺寸为á76×4,在试件的焊缝上选择四点(A,B,C,D四点,周长四等分)测定未焊透波幅值,插值于1号、2号和3号探头槽深—波幅关系的拟合曲线,求出所测四点未焊透自身高的估算值。表2列出了试件解剖后的未焊透实际深度与估算值的误差。
从实际测试结果分析,最大绝对误差0.7mm,最小误差0,平均误差0.3mm。由于未焊透本身尺寸较小,加上超声波探伤精度影响因素众多,超声法测定焊缝未焊透自身高度存在一定误差。
4 误差分析及讨论
测试误差来自以下几个方面:
(1)焊缝加强高焊缝加强高的存在,使一次波探伤无法进行,只能采用三次波探伤。三次波声场特性较复杂,给波形分析带来了一定的困难,两次反射后声束扩散,灵敏度较低。
(2)管道曲率半径小口径管道的曲率半径较小,声束从管外壁入射到内壁产生的反射波声束由于曲率原因会产生发散,导致声能损失。此外,管道外壁的圆弧面,直接影响平面型探头与管道外壁的耦合。
(3)未焊透的端角反射当声束辐射至未焊透下端时,会产生端角反射,如入射声束的入射角选择不当,会产生声压反射率相当低的情况。另外端角的存在,会使反射波最大值的位置不一定出现在顶角位置,而产生最高波延迟或提前的现象,影响定位。
(4)未焊透的形状未焊透上端的形状不象人工槽,在焊接过程中产生的未焊透,形状很不规则,实际未焊透缺陷的这一特征,给以反射当量为比较依据的当量法测试带来了误差。
(5)管子内外表面状态管子内外表面状态影响表面补偿的大小,影响插值估算的结果。
(6)探头性能的影响探头的种类、入射角大小、晶片大小、频率和接触面形状等原因影响当量法的精度。
(7)槽深—波幅曲线拟合误差的影响拟合曲线的类型,影响插值估算的精度。
5 结论
1)由试验可见可以使用槽形人工反射体作当量比较,检测薄壁(4mm≤壁厚≤8mm)压力管道焊缝根部未焊透缺陷的自身高度。
2)用接触法探测管道焊缝,如焊缝有加强高存在,不能用一次波探测,可用三次波探测;探测部位为焊缝两侧100%,或可参照射线探伤底片,找出未焊透影像上黑度最大的焊缝部位,进行两侧检测;定出缺陷波在基准位置(如满刻度80%时)的dB值,加上波幅补偿值,作为缺陷波的实际当量;用插入法在标准对比试块的槽深—波幅拟合曲线上,估算出未焊透缺陷的高度。