小管徑薄壁管對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)“K”值選擇的要求

王玨煒王建德

（1.寧波明峰檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司 寧波 315207）

（2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315207）

小管徑薄壁管對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)“K”值選擇的要求

王玨煒1王建德2

（1.寧波明峰檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司 寧波 315207）

（2.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315207）

薄壁管對(duì)接焊縫的超聲檢測(cè)，其方法和工藝，現(xiàn)已較為成熟，且被廣泛應(yīng)用。但在日常接觸中，卻發(fā)現(xiàn)有人在檢測(cè)時(shí)，其在探頭的選擇和應(yīng)用上較為隨意，尤其是對(duì)管壁為5mm的工件和對(duì)其他薄壁管檢測(cè)時(shí)，竟全用k = 2．0的探頭，這會(huì)引起對(duì)埋藏在焊縫中的缺陷產(chǎn)生誤判和漏檢，并對(duì)特種設(shè)備的安全運(yùn)行造成了事故隱患。這里以超聲原理結(jié)合檢測(cè)實(shí)際，進(jìn)行分析和探討，供同行們參考。

薄壁管 焊縫檢測(cè) “K”值 超聲檢測(cè)

K值選擇應(yīng)考慮的影響因素。探頭 K值的不同，對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷的能力和結(jié)論也斷然不同，即使對(duì)同一工件中的同一缺陷也會(huì)有不同的結(jié)果。為保證檢測(cè)結(jié)果的正確、無誤不漏檢，所以在選用探頭時(shí)，應(yīng)盡量考慮下面幾個(gè)方面的要求。

1 端角反射的影響

超聲波在兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射稱為端角反射，如圖1所示[1]。為檢測(cè)單面焊焊縫根部是否焊透，須考慮端角反射對(duì)其檢測(cè)結(jié)果的影響。如圖2所示[1]，當(dāng)橫波入射時(shí)，在橫波入射角αs= 30°或60°附近，端角反射率最低。當(dāng)αs= 35°～55°時(shí)，端角反射率達(dá)100%。在實(shí)際檢測(cè)中，橫波檢測(cè)焊縫根部未焊透或根部裂紋時(shí)就類似這種情況，當(dāng)橫波入射角αs（等于橫波探頭的折射角）βs= 35°～55°，即K = tanβs= 0.7～1.43時(shí)檢測(cè)根部未焊透靈敏度最高。當(dāng)K<0.7或K≥1.5時(shí)，檢測(cè)靈敏度較低；由圖2還可以看出，當(dāng)橫波入射角αs在0°或90°附近時(shí)，無論是縱波或橫波，其端角反射率在理論上都很高。但如圖3所示，實(shí)際上由于入射波和反射波的聲束之間沿著直角邊界產(chǎn)生干涉，并受波型轉(zhuǎn)換的影響而相互抵消，所以實(shí)際檢測(cè)時(shí)靈敏度并不高。如選擇的K值超出該范圍去檢測(cè)，就容易對(duì)檢測(cè)結(jié)果做出錯(cuò)誤的判斷。因此，當(dāng)檢測(cè)小管徑薄壁管，對(duì)接焊縫單面焊根部未焊透或根部裂紋時(shí)，選用K值時(shí)，應(yīng)根據(jù)《超聲檢測(cè)》等教材資料中，所列舉和提供的條件選擇K=1的探頭為宜[1]。

圖1 墻角反射波形轉(zhuǎn)換

圖2 橫波入射

2 波型轉(zhuǎn)換的影響

不論縱波或橫波，當(dāng)其傾斜入射到工件中遇到（平面狀）缺陷界面時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。如圖3所示。產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換情況和橫波入射角αs有關(guān)，所謂αs在圖4[2]中的數(shù)值是90°-β。關(guān)于橫波入射角αs和縱波反射角αL以及第三臨界角αsⅢ的關(guān)系，可以用正弦定律進(jìn)行計(jì)算。αsⅢ意義是，當(dāng)橫波入射角大于αsⅢ時(shí)，將只有反射橫波而無反射縱波。在檢測(cè)時(shí)橫波入射到鋼工件中遇到缺陷界面時(shí)，αsⅢ≈33°20′，此時(shí)的αs、 αL和橫波反射率rs的關(guān)系從圖4[2]中可以看出，當(dāng)αs=33°時(shí)，rs只有13%，相反，縱波反射率增大達(dá)到70%，當(dāng)αs≥33°20′時(shí)，rs=100%。這種情況在檢測(cè)時(shí)必須重視，如采用小K值探頭去檢測(cè)，將會(huì)產(chǎn)生對(duì)存在于焊縫中間的平面狀缺陷發(fā)現(xiàn)不了而漏檢的現(xiàn)象。

圖3 斜角探傷中的波形轉(zhuǎn)換

圖4 橫波在鋼中斜入射的聲壓反射率

另一種特殊現(xiàn)象即使用折射角βs≈60°的探頭檢測(cè)時(shí)應(yīng)予以注意，因?yàn)檫@時(shí)的橫波是不易被探頭所接收，而接收到的是被轉(zhuǎn)換成縱波的反射波。從圖5[2]幾何求證中求知，探頭是收不到橫波反射波的，而反射縱波卻經(jīng)底面反射后，被探頭所接收。這是因?yàn)榭v波傳播的時(shí)間和橫波從缺陷反射的時(shí)間相同，故在熒光屏上顯示的缺陷波，正好是在橫波聲程的位置，而且探頭前后移動(dòng)的距離還與缺陷自身深度的顯示有一定的律。而利用折射角βs≈60°形成波型轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，來檢測(cè)具有X型坡口焊縫中，垂直狀缺陷和測(cè)定其缺陷自身深度也是切實(shí)可行的一種方法。但此法不適用于厚壁焊縫的檢測(cè)[2]。

圖5 縱橫波的途徑

同時(shí)用βs≈60°時(shí)應(yīng)注意，此時(shí)的折射角值不適用檢測(cè)垂直于焊縫根部未焊透的檢測(cè)。因?yàn)檫@時(shí)的橫波聲束與缺陷面成30°角，檢出缺陷能力很低，且入射到根部時(shí)橫波大部分已轉(zhuǎn)換成縱波，難以產(chǎn)生反射橫波，而反射縱波因焊縫根部不規(guī)則成形而無法根據(jù)幾何規(guī)律所反射，難以被探頭所接收。所以，此時(shí)選用βs≈60°檢測(cè)垂直于焊縫根部未焊透等缺陷是特別不利的，它所對(duì)應(yīng)的是反射最差的區(qū)域[3]。

3 近場(chǎng)區(qū)的影響

波源軸線上最后一個(gè)聲壓極大值至波源的距離稱為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。由于近場(chǎng)區(qū)聲壓分布不均，波源各點(diǎn)至軸線某點(diǎn)的距離不同，存在波程差，相互疊加時(shí)存在相位差而互相干涉，使某些地方因疊加而加強(qiáng)，另些地方因互相干涉而減弱，于是就出現(xiàn)聲壓極大值和極小值的點(diǎn)。正因?yàn)樵诮鼒?chǎng)區(qū)中聲壓有如此大的起伏，因此，在近場(chǎng)區(qū)檢測(cè)時(shí)對(duì)缺陷定量是很不利的。因?yàn)?，?dāng)處于的聲壓極小值處的較大缺陷，因相位差的互相干涉其回波可能較低，而處于聲壓極大值處的較小缺陷，又因相位差的互相疊加其回波卻可能很高，這就容易引起誤判，甚至漏檢。根據(jù)：《超聲檢測(cè)》中列舉的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果表明，探頭的晶片尺寸一定時(shí)，隨K值的增大，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度將減?。辉俑鶕?jù)《石油化工管道無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（SH/T 3545—2011），針對(duì)薄壁管對(duì)接焊縫的超聲檢測(cè)明確規(guī)定；6.4.2（探頭選擇），b）對(duì)壁厚T≤10mm的焊縫，采用單斜探頭在焊縫兩側(cè)進(jìn)行掃查時(shí)，探頭的K值必須在3.0～2.5之中。

4 焊縫余高的影響

目前，不論針對(duì)在役或在建的壓力管道超聲檢測(cè)而言，每道焊口的焊縫都存在著余高。這樣在檢測(cè)時(shí)必然會(huì)在余高的部位出現(xiàn)反射波。在薄壁管的超聲檢測(cè)中，當(dāng)缺陷隱藏在余高正下方近表面時(shí)，即使是裂紋有時(shí)也不易判別，正如GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》12.3條中所述；“單-斜角檢測(cè)技術(shù)很難檢測(cè)與檢測(cè)面垂直的近表面平面型缺欠，”(這也是因受波型轉(zhuǎn)換的影響而造成的)。如圖6所示[2]如磨掉余高后再檢測(cè)是方便的，但實(shí)施是困難的。只有增大折射角使入射到焊縫余高的入射角變大，可以使焊縫余高反射波變小，若采用較小的折射角，則聲束正好入射在余高上，既會(huì)產(chǎn)生較大的余高反射波；又會(huì)因部分在能夠造成波型轉(zhuǎn)換條件的余高反射面上，受反射波干擾，而影響、干涉掩蓋、甚至誤判真實(shí)缺陷的反射波，引起漏檢。

圖6 焊角的反射波

大量實(shí)驗(yàn)證明，利用大K值、小晶片、短前沿橫波單斜頭在焊縫兩側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，可以有效地檢出焊接接頭中的各種缺陷[4]（單面焊焊縫根部未焊透缺陷除外）。

其他有關(guān)針對(duì)薄壁管對(duì)接焊縫的超聲檢測(cè)時(shí)，斜探頭K值的選用原則，在《超聲檢測(cè)》等教材及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，已作了細(xì)的規(guī)定， 這里不再重復(fù)。

5 結(jié)束語

綜上所述，針對(duì)小管徑薄壁管對(duì)接焊縫超聲檢測(cè)中，對(duì)容易被一般檢測(cè)人員所疏忽的卻又至關(guān)重要的問題，筆者從檢驗(yàn)實(shí)際出發(fā)，結(jié)合超聲原理，敘述了幾個(gè)在檢測(cè)中必須注意，且完全會(huì)引起誤判造成漏檢的事例進(jìn)行分析。

[1] 鄭暉，林樹青．超聲檢測(cè)[M]．北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社(第2版)，2008：43+299．

[2] 超聲探傷法[M]．李靖等校譯．廣州：廣東科技出版社，1981：31．

[3] 北京市技術(shù)交流站．超聲波探傷原理及其應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982：213+214．

[4] GB/T 11345—2013 焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定[S]．

The Requirements of the “K” Value of Ultrasonic Inspection for Butt Welded Joint Detection in Small Diameter Thin Wall Tube

Wang Yuwei1Wang Jiande2
(1. Ningbo Mingfeng Inspection & Testing Research Institute Co., LTD. Ningbo 315207) (2. Ningbo Special Equipment Inspection and Research Institute Ningbo 315207)

To ultrasonic inspection of the butt weld in thin wall tube, the method and the process has been mature, and widely used. But it was found that the selection and application of the probe was casual to a lot of my colleagues in the detection. Especially in the 5mm thick workpiece and other thin wall tube detection, the k = 2.0 probe was used, which might cause misjudgement and missing inspection of burial defect in weld joint, and cause the accident potential of special equipment safety operation. Combining the principle of ultrasound and the actual detection, this paper analyzed and discussed, which could provide references to the colleagues.

Thin wall tube Weld inspection "K" value Ultrasonic inspection

X924

B

1673-257X(2017)04-0055-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.04.012

王玨煒(1983～)，男，本科，工程師，從事工藝編制、報(bào)告審核和簽發(fā)工作。

2016-06-17）