承壓鋼管熱影響區(qū)超聲波檢測(cè)回波信號(hào)探討

任文浩　梁　寧

（1.江蘇省海韻機(jī)械制造有限公司，江蘇揚(yáng)州　225261；2.揚(yáng)州巨鑫石油鋼管有限公司，江蘇揚(yáng)州　225002）

承壓鋼管熱影響區(qū)超聲波檢測(cè)回波信號(hào)探討

任文浩1梁寧2

（1.江蘇省海韻機(jī)械制造有限公司，江蘇揚(yáng)州225261；2.揚(yáng)州巨鑫石油鋼管有限公司，江蘇揚(yáng)州225002）

承壓鋼管一般采用雙面埋弧焊接，在對(duì)鋼管焊縫進(jìn)行超聲（橫波）檢測(cè)時(shí)熱影響區(qū)不時(shí)出現(xiàn)回波信號(hào)報(bào)警問(wèn)題，對(duì)超聲檢測(cè)人員的判定帶來(lái)嚴(yán)重的干擾和影響。在對(duì)承壓焊接鋼管焊縫超聲檢測(cè)時(shí)，一般要求要用斜探頭在焊縫單面雙側(cè)或雙面雙側(cè)的母材表面上使用一次、二次聲程掃查整個(gè)焊縫截面，以便于檢出焊縫中各個(gè)方向的缺陷。本文探討由于超聲波經(jīng)過(guò)的熱影響區(qū)區(qū)域缺陷信號(hào)和非缺陷信號(hào)引起超聲（橫波）報(bào)警的問(wèn)題。

承壓鋼管熱影響區(qū)超聲檢測(cè)回波信號(hào)

1　相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定焊縫檢測(cè)寬度區(qū)域

JB/T4730.3-2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：超聲檢測(cè)區(qū)的寬度應(yīng)是焊縫本身，再加上焊縫兩側(cè)各相當(dāng)于母材厚度30%的一段區(qū)域，這個(gè)區(qū)域最小為5mm，最大為10mm。

GB/T11345-2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：超聲檢測(cè)區(qū)的寬度應(yīng)是焊縫和焊縫兩側(cè)至少10mm寬母材或熱影響區(qū)寬度（取二者大值）的內(nèi)部區(qū)域。

API 5L（45版）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：超聲設(shè)備應(yīng)能檢驗(yàn)到焊縫全壁厚及焊縫兩側(cè)相鄰1.6mm（1/16in）寬度的母材。

2　回波信號(hào)分析

（1）鋼管熱影響區(qū)母材存在不同程度的夾雜物等問(wèn)題。我們檢測(cè)某規(guī)格的鋼管，發(fā)現(xiàn)深度在14到16mm左右，水平距離定位在焊趾邊靠母材約2～3mm處有強(qiáng)烈反射波出現(xiàn)，缺陷信號(hào)呈斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)，超基準(zhǔn)波幅10dB，探頭移到焊縫對(duì)側(cè)則缺陷波反射很低或較難探測(cè)到。

（2）少部分的反射信號(hào)是由于焊縫與母材交界處的焊角反射波及變形波產(chǎn)生，需準(zhǔn)確調(diào)整超聲設(shè)備儀器，判定回波產(chǎn)生的位置。如圖1所示，當(dāng)橫波聲束入射到探頭對(duì)側(cè)焊縫下表面的某些部位時(shí)（如下圖3雙面埋弧自動(dòng)焊鋼管內(nèi)焊縫），其反射橫波S＇和反射縱波L＇垂直入射至上表面的某些特殊部位時(shí)，再垂直反射沿原路返回，形成變形橫波和變形縱波，與第一次底波（焊角反射波）一起，在熒光屏上顯示，形狀像“山”字形（圖2）。

（3）母材的層狀撕裂缺陷。我們?cè)趯?duì)某城市天然氣管道鋼管焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分熱影響區(qū)母材始終存在一個(gè)微弱的回波信號(hào)，最大當(dāng)量高出定量線10dB；波幅較寬，探頭轉(zhuǎn)角時(shí)波幅有明顯的變化；探頭稍微平移，回波立即消失，再平移，回波又出現(xiàn)，回波位于深度方向13～15mm和水平位置靠近焊縫邊緣處。在進(jìn)行金相檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在母材的中間層碳、硫、磷、錳等元素明顯偏高，存在嚴(yán)重的偏析，正是因?yàn)槟覆拇嬖趪?yán)重的偏析，在高溫和焊接應(yīng)力的作用下，最終開(kāi)裂形成了層狀撕裂。

（4）焊趾裂紋和熱影響區(qū)裂紋。用于油氣輸送的直縫埋弧焊管需冷擴(kuò)徑，在冷擴(kuò)徑后，焊管在焊趾或熱影響區(qū)部位可能會(huì)出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生的原因可能是多方面的。超聲檢測(cè)裂紋反射波信號(hào)特征：反射率高，當(dāng)探測(cè)方向有利時(shí)回波高度較大，波形較寬，會(huì)出現(xiàn)多峰，探頭平行移動(dòng)時(shí)，反射波連續(xù)出現(xiàn)，波幅有變動(dòng)，探頭擺動(dòng)時(shí)，波峰有上下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，多峰波交替出現(xiàn)最大值，擺動(dòng)角度較大。部分超聲反射波動(dòng)態(tài)和靜態(tài)波形判定為裂紋缺陷信號(hào)的，經(jīng)過(guò)取樣分析證實(shí)裂紋的存在。

（5）母材分層。我們?cè)趯?duì)鋼管焊縫探傷時(shí)，在掃查聲束經(jīng)過(guò)的焊趾邊至熱影響區(qū)母材區(qū)域10mm范圍內(nèi)有斷續(xù)的反射回波出現(xiàn)。動(dòng)態(tài)波型特征方面分析，探頭移動(dòng)到回波信號(hào)位置，反射波幅不高，缺陷深度出現(xiàn)在板材厚度的中間，偏向焊縫邊沿，當(dāng)探頭垂直于焊縫前后移動(dòng)時(shí)，反射波很快消失。對(duì)反射信號(hào)最高的部位取樣作理化腐蝕分析，看到母材有斷續(xù)的分層。

圖1　橫波探傷時(shí)產(chǎn)生的變形波

圖2　自動(dòng)焊中的山字波

（6）偏析。我們?cè)趯?duì)某城市承壓管道鋼管焊縫探傷中，發(fā)現(xiàn)某一焊縫在板厚一半深處左右，有一反射信號(hào)出現(xiàn)。當(dāng)反射波出現(xiàn)時(shí)，波型特征似微小裂紋波型，反射波位置偏向焊縫坡口邊沿母材側(cè)，沿焊縫長(zhǎng)度方向，斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)。切取試樣進(jìn)行金相腐蝕后觀察，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，在超聲波探傷一側(cè)母材區(qū)域發(fā)現(xiàn)有一個(gè)弧形亮白區(qū)，經(jīng)測(cè)定，弧形亮白區(qū)超聲衰減系數(shù)大于其它部位，說(shuō)明弧形亮白區(qū)的晶粒結(jié)構(gòu)粗大，對(duì)超聲傳播產(chǎn)生很大影響。顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)弧形亮白區(qū)為與母材色澤不同的部位呈嚴(yán)重帶狀分布的組織，這是因?yàn)槌煞萜鏊斐傻囊环N粗晶粒組織。

（7）母材重皮。重皮是在金屬表面，通常只有一端與基體金屬相連的極薄的金屬長(zhǎng)條。在超聲斜探頭探傷過(guò)程中，當(dāng)聲束掃查經(jīng)過(guò)的重皮翹起或張開(kāi)部位，會(huì)出現(xiàn)尖銳的反射信號(hào)。深度大都定位在近表面1至2mm左右，且肉眼可見(jiàn)，較易判斷。

3　回波信號(hào)處理

（1）超聲反射信號(hào)超標(biāo)，根據(jù)回波波形等判斷為缺陷且符合補(bǔ)焊要求的嚴(yán)格按補(bǔ)焊規(guī)程補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后按原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)探。（2）判斷為可能由于焊角或變形波而引起的反射信號(hào)，需準(zhǔn)確調(diào)整好超聲儀器，進(jìn)行精確定位，或用砂輪機(jī)對(duì)反射信號(hào)區(qū)域進(jìn)行仔細(xì)打磨，打磨后再進(jìn)行超聲波復(fù)驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)反射信號(hào)消失，則可判斷為焊角反射或變形波。（3）判斷為表面或近表面缺陷（欠），如重皮，需先標(biāo)識(shí)，然后用砂輪機(jī)進(jìn)行仔細(xì)修磨，修磨后再進(jìn)行超聲波復(fù)驗(yàn)，并進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)和測(cè)厚，確保缺陷徹底消除。（4）對(duì)原材料鋼板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)用直探頭對(duì)板邊50毫米進(jìn)行100%檢測(cè)，以便檢測(cè)是否有影響斜探頭檢測(cè)結(jié)果缺欠。（5）缺陷（欠）位于管端或靠近管端，不符合補(bǔ)焊要求的鋼管，可進(jìn)行切除處理。（5）整根鋼管判廢隔離。

［1］API SPEC 5L：2012，管線鋼管規(guī)范第45版［S］.

［2］GB/T11345，鋼焊縫手工超聲探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí).

［3］王曉雷，主編.《承壓類特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)相關(guān)知識(shí)》.2013版.