大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊管裂紋超聲波探傷分析

馬朝輝，強(qiáng)會(huì)明，席少鵬，王振華，胡緒波，茍世峰，閆 龍，閆 哲

（寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)天然氣需求量呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，但天然氣在我國(guó)一次能源中所占比重仍然較低，天然氣使用普及率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，現(xiàn)有產(chǎn)量無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)需求，迫切需要提高管道年輸氣能力、增大管道輸氣量來(lái)解決。所以，大直徑大壁厚高鋼級(jí)螺旋縫埋弧焊接鋼管被視為解決國(guó)內(nèi)天然氣輸送困境的最佳利器，并且此類(lèi)鋼管的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，完全適應(yīng)國(guó)內(nèi)天然氣輸送要求，所以將會(huì)得到空前發(fā)展。一般將螺旋縫埋弧焊接鋼管管徑大于800 mm、壁厚大于18 mm稱(chēng)之為大直徑厚壁鋼管，這種鋼管由于管徑及壁厚較大，在螺旋成型過(guò)程中難度也較大，焊接過(guò)程中焊縫裂紋缺陷出現(xiàn)的幾率也較高。而且此類(lèi)鋼管常常被使用在油氣管網(wǎng)的主干線上，管道所承受的壓力很大，出于管道安全考慮，對(duì)于此類(lèi)鋼管質(zhì)量要求也更加的嚴(yán)格，目前國(guó)內(nèi)制管企業(yè)普遍采用X射線和超聲波對(duì)鋼管焊縫內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。其中，超聲波探傷是一種利用超聲波透入金屬材料內(nèi)部，在遇到兩種介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢查材料中缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法，可對(duì)焊縫裂紋缺陷的位置、大小進(jìn)行判定，被油氣管道檢測(cè)行業(yè)廣泛認(rèn)可，并大量應(yīng)用于焊接鋼管的生產(chǎn)檢驗(yàn)之中。為了保證大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊管的焊縫質(zhì)量，需要有針對(duì)性地開(kāi)展鋼管焊縫超聲波檢測(cè)方法研究［1-16］。本文分析了大直徑厚壁螺旋縫焊管制造中裂紋缺陷產(chǎn)生原因以及此類(lèi)缺陷的形貌和位置，介紹了此類(lèi)缺陷進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)的回波特點(diǎn)和判別方法。

1 厚壁焊管焊縫超聲波檢測(cè)方法

目前，焊接鋼管按焊縫種類(lèi)可分為高頻焊管、直縫埋弧焊管、螺旋縫埋弧焊管3種。這里介紹螺旋縫埋弧焊管。螺旋縫埋弧焊管焊縫呈螺旋線分布，焊縫長(zhǎng)，尤其是處于動(dòng)態(tài)條件下焊接時(shí)，焊縫還來(lái)不及冷卻就離開(kāi)了成型點(diǎn)，極易產(chǎn)生焊接熱裂紋。裂紋的方向和焊縫平行，和鋼管軸線成一定夾角，一般在30°～70°。厚壁螺旋縫埋弧焊管通常為雙面焊接，內(nèi)外焊均采用雙絲焊接。同時(shí)由于焊接位置限制，鋼管內(nèi)焊縫容易產(chǎn)生馬鞍形焊縫，外焊縫容易產(chǎn)生魚(yú)脊形焊縫。

在厚壁螺旋縫埋弧焊管焊縫超聲波探傷方面，較為常用的是橫波反射法，其原理是超聲波傾斜入射到鋼管表面時(shí)，在鋼管的界面上產(chǎn)生折射和波型轉(zhuǎn)換，且折射波與入射波的方向關(guān)系符合斯奈爾定律，當(dāng)入射角選擇在第一臨界角和第二臨界角之間，在鋼管中產(chǎn)生單一橫波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管焊縫缺陷的探測(cè)。厚壁螺旋縫焊管焊縫使用橫波斜探頭于焊縫兩側(cè)探傷，一般情況下，一次波探傷鋼管內(nèi)焊縫，二次波探傷鋼管外焊縫，探頭呈鋸齒形移動(dòng)，探頭與焊縫中心線垂直，齒間距不得大于探頭晶片寬度，探頭移動(dòng)寬度≥2KT+50 mm，其中T為工件厚度；探頭要求以這樣的掃查方式完全覆蓋整個(gè)焊縫截面及焊縫兩側(cè)25 mm熱影響區(qū)。采用A型超聲波橫波斜探頭對(duì)鋼管焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，入射波聲束軸線在檢測(cè)面處發(fā)生折射，焊縫中缺陷的位置可通過(guò)探頭的折射角和聲程確定，或由缺陷的水平和垂直方向的投影來(lái)確定。鋼管焊縫裂紋超聲波探傷如圖1所示。

圖1 鋼管焊縫裂紋超聲波探傷示意

由圖1可知，缺陷深度d為：

缺陷水平距離L為：

式中C——超聲波聲程，mm，可通過(guò)儀器獲得；

β——超聲波入射到鋼管中的折射角，（°），可通過(guò)探頭型號(hào)和鋼管材質(zhì)得知。

2 厚壁焊管焊縫裂紋缺陷及其超聲波檢測(cè)

一般將焊縫中原子結(jié)合遭到破壞，形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙稱(chēng)為裂紋。根據(jù)產(chǎn)生的原因和形成過(guò)程，焊縫裂紋有很多種類(lèi)。螺旋縫埋弧焊管是以熱軋鋼帶卷制管坯，經(jīng)過(guò)機(jī)械冷成型，用內(nèi)外雙面埋弧焊法焊接而成的鋼管。目前，隨著管線鋼材料及制管工藝的發(fā)展和改進(jìn)，對(duì)于厚壁螺旋縫埋弧焊管來(lái)說(shuō)，冷裂紋已經(jīng)很少出現(xiàn)，但熱裂紋卻作為一種危害極大的缺陷一直存在。由于成型、焊接過(guò)程中形變不充分，熱量分布不均勻，常常使鋼管焊縫產(chǎn)生應(yīng)力撕裂裂紋和結(jié)晶裂紋。作為油氣主干管道，一旦發(fā)生事故，將造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失和生態(tài)環(huán)境破壞。為確保油氣管道安全運(yùn)行，在螺旋縫埋弧焊管的焊縫中絕對(duì)不允許存在裂紋等危害性缺陷。

2.1 結(jié)晶裂紋超聲波探傷分析

螺旋縫焊管在生產(chǎn)過(guò)程中成型、焊接工藝相互連續(xù)，且內(nèi)焊點(diǎn)位置位于成型合縫處，焊接的穩(wěn)定區(qū)域很短，熔融金屬凝固結(jié)晶過(guò)程中，受焊縫結(jié)晶過(guò)程中拉應(yīng)力作用，容易產(chǎn)生內(nèi)焊熱裂現(xiàn)象。特別當(dāng)壁厚較大時(shí)，由于焊接電流較大，熔池存在時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)，成型過(guò)程中遞送邊位置容易發(fā)生較大變化，內(nèi)焊縫更容易產(chǎn)生裂紋，裂紋一般位于焊縫中心位置，垂直于焊縫表面，其宏觀形貌及金相組織如圖2～3所示。此類(lèi)裂紋屬于嚴(yán)重性焊縫缺陷，超聲波探傷比較容易檢出和判定。

圖2 焊縫橫截面結(jié)晶裂紋宏觀形貌示意

對(duì)于此類(lèi)裂紋缺陷，超聲波探傷從焊縫兩側(cè)入射檢測(cè)有較好的對(duì)稱(chēng)性，裂紋一次波聲程值和水平距離與未焊透情況相似。當(dāng)探頭垂直于焊縫前后移動(dòng)時(shí)，反射信號(hào)比較強(qiáng)烈，當(dāng)靈敏度降低時(shí)，仍能保持很高的波幅，有時(shí)出現(xiàn)多峰現(xiàn)象；探頭平行焊縫移動(dòng)時(shí)，波幅沒(méi)有焊縫中未焊透反射回波那樣穩(wěn)定，具有典型裂紋波幅特征，通常較容易識(shí)別。

圖3 結(jié)晶裂紋金相組織

2.2 應(yīng)力撕裂裂紋超聲波探傷分析

在螺旋縫埋弧焊管焊接過(guò)程中，由于對(duì)接原料板形的變化或者成型參數(shù)的不合理，會(huì)產(chǎn)生較大的錯(cuò)邊，使得在連續(xù)焊接焊縫結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生很大拉應(yīng)力，進(jìn)而造成焊縫被撕裂。通常這種應(yīng)力撕裂裂紋較小，僅有1～2 mm，肉眼很難發(fā)現(xiàn)，且大多穿晶而過(guò)，多產(chǎn)生于焊縫根部。在超聲波探傷中，由于這種裂紋的方向與探測(cè)面不垂直，所以超聲波探傷比較難判斷缺陷性質(zhì)。但是使用X光射線拍片檢測(cè)，因其幾乎沒(méi)有厚度差，也無(wú)法檢測(cè)出來(lái)。因此，這種焊縫微裂紋（輕微撕裂）很容易在檢驗(yàn)過(guò)程中被漏檢，嚴(yán)重影響鋼管在后續(xù)使用過(guò)程中的質(zhì)量。焊縫應(yīng)力撕裂裂紋宏觀形貌及金相組織如圖4～5所示。

圖4 焊縫應(yīng)力撕裂裂紋宏觀形貌

圖5 焊縫應(yīng)力撕裂裂紋金相組織

此類(lèi)裂紋一般都與探測(cè)面有一定角度，由于裂紋角度原因，會(huì)造成在焊縫兩側(cè)探傷回波聲程和波幅不同。當(dāng)角度較大時(shí)兩側(cè)探傷探頭水平距離基本對(duì)稱(chēng)，能得到大致相同的反射波幅；但當(dāng)角度較小時(shí)，焊縫兩側(cè)探頭的水平距離不同，在裂紋兩側(cè)進(jìn)行超聲波探傷由于回波的路徑不同出現(xiàn)不同的波幅，當(dāng)在靠近裂紋一側(cè)時(shí)，一次波波幅較高，一次波缺陷波為單一波峰，當(dāng)在遠(yuǎn)離裂紋一側(cè)探傷時(shí)，二次波才能發(fā)現(xiàn)裂紋，此時(shí)二次波為多個(gè)波峰，波幅寬而低。由于這種撕裂裂紋缺陷自身高度小，探頭平行焊縫移動(dòng)時(shí)為斷續(xù)點(diǎn)狀反射波幅，探頭轉(zhuǎn)角移動(dòng)時(shí)有一定距離，焊縫余高波有明顯下降，裂紋反射波幅高低起伏，波峰上下錯(cuò)動(dòng)。應(yīng)力撕裂裂紋探傷波形如圖6所示。

圖6 應(yīng)力撕裂裂紋探傷波形示意

單從回波幅度判斷，很容易將這種缺陷誤判為斷續(xù)氣孔或夾渣，但只要掌握好檢測(cè)方法并仔細(xì)觀察回波特點(diǎn)是可以將其與斷續(xù)氣孔或夾渣區(qū)別開(kāi)的。斷續(xù)氣孔或夾渣的回波信號(hào)在焊縫兩側(cè)的水平距離基本對(duì)稱(chēng)，探頭轉(zhuǎn)角探傷測(cè)時(shí)波幅變化不大，一、二次波均可發(fā)現(xiàn)；而應(yīng)力撕裂裂紋兩側(cè)信號(hào)的水平距離不對(duì)稱(chēng)，一側(cè)一次波發(fā)現(xiàn)，而在另一側(cè)二次波可發(fā)現(xiàn)，缺陷轉(zhuǎn)角探傷時(shí)波幅變化大。超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的這種類(lèi)型裂紋，經(jīng)多次與圖5所示金相組織對(duì)比，結(jié)果一致。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊鋼管制造過(guò)程中裂紋產(chǎn)生原因、裂紋位置和取向特點(diǎn)的介紹，以及不同類(lèi)型裂紋缺陷超聲波檢測(cè)回波特征的分析，最終得出以下結(jié)論：

（1）大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊鋼管實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中焊縫易于產(chǎn)生沿晶界方向平行的結(jié)晶裂紋缺陷和穿晶而過(guò)的撕裂裂紋缺陷。對(duì)于不同類(lèi)型的裂紋缺陷，超聲波探傷應(yīng)采用不同的檢測(cè)和判斷方法。

（2）大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫中的應(yīng)力撕裂裂紋與表面角度小，超聲波探傷時(shí)需采用在焊縫兩側(cè)一、二次波對(duì)比探傷檢驗(yàn)，綜合兩側(cè)缺陷探傷反射波幅才能準(zhǔn)確對(duì)缺陷進(jìn)行定位定量分析，因此對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)要求較高。