彎管焊縫超聲波探傷偽缺陷波分析

余國民,李昱坤,張 勇,蔡 彬,劉 遲,王志鵬,李富強

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077; 2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司 北京 100101;3.西南油氣田物資分公司川東物資供應公司 重慶 400050)

0 引 言

超聲波探傷在碳鋼焊縫檢測中應用廣泛,在石油天然氣行業(yè)各類標準中(API 5L(46版)、GB/T 9711—2017、中石油CDP技術文件和國家管網(wǎng)DEC技術文件等)均有超聲波探傷檢測的方法和要求。超聲波檢測對缺陷定量依據(jù)標準(對比)試塊特征、定位準確和定性困難,對檢測人員的經(jīng)驗和操作熟練程度要求較高。超聲波檢測難點是對于波形的判定。由于受檢測工件表面質(zhì)量、大小、方向、形狀和曲率等因素的影響[1],容易產(chǎn)生偽缺陷波,識別難度較大,容易造成誤判干擾。國內(nèi)已有多篇文獻對各行業(yè)多種類型鋼制焊縫偽缺陷波的產(chǎn)生原因、形成因素、波形定位計算和解決辦法等進行了研究分析。本文針對某項目碳鋼彎管焊縫現(xiàn)場檢測中出現(xiàn)的偽缺陷進行了研究分析,提出了識別偽缺陷波的建議。

1 彎管焊縫偽缺陷波分析

受某項目甲方的委托,對到達施工現(xiàn)場的70根Φ813 mm×12.7 mm-L485M(彎曲角度為35°)彎管全焊縫進行100%超聲波探傷,彎管用母管焊縫為雙面直縫埋弧焊接方式,坡口為X型,無損檢測標準為GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》和《項目彎管用母管技術規(guī)格書》,即進行100%焊縫自動超聲探傷和100%的X射線檢測(DR焊縫動態(tài)檢測,檢測靈敏度≤4%;管端盲區(qū)靜態(tài)抓圖,靜態(tài)抓圖靈敏度≤2%)。制成彎管后,彎管焊縫依據(jù)的無損檢測標準為《項目彎管技術規(guī)格書》。超聲波檢測條款為:對彎管焊縫進行100%超聲檢測和磁粉檢測,如果超聲波檢測產(chǎn)生的缺欠信號大于或等于對比試塊Φ1.6 mm直徑的豎通孔產(chǎn)生回波高度的基準波高(通常為80%或100%),則認為是超標缺陷(偽缺陷波除外),該缺陷允許用修磨方法處理。由此可見制成彎管后焊縫的超聲波檢測要求非?？量?而《項目彎管用母管技術規(guī)格書》中,用超聲波方法確定為不可驗收的缺陷不應使用射線照相方法為其可驗收的評定方法,氣孔、夾渣或夾雜除外)。

現(xiàn)場檢測采用PXUT-320型數(shù)字式A型脈沖超聲探傷儀器,使用的探頭型號為2.5P12×12K2.5,以對比標樣Φ1.6 mm直徑的豎通孔內(nèi)表面一次波最大回波的80%為基準波高,再找出外表面二次波最高波點連成DAC曲線為檢測靈敏度。檢測中發(fā)現(xiàn)有3根彎管焊縫探傷發(fā)現(xiàn)存在疑似超標波形,選擇其中1根進行分析,其疑似超標回波顯示如圖1所示。從圖1可見,探傷時進行了單面雙側(cè)探傷,其中一側(cè)無反射回波,另一側(cè)多個位置出現(xiàn)了疑似超標回波(一次波),超標回波位置見表1。在表1中聲程顯示位置為超聲波入射點到缺陷最大回波處的直線距離,水平顯示位置為超聲波入射點到缺陷最大回波處的水平投影距離,深度顯示位置為外表面到缺陷最大回波處深度。

表1 疑似超標回波顯示位置

圖1 疑似超標回波圖

從表1可見,該反射回波是在約8～9 mm深度位置,其水平位置是在焊縫與母材連接部位(焊趾線)的附近,而且有一定的長度。當用沾有耦合劑的手指拍打上下表面焊縫區(qū)域時,回波幅度變化不明顯。對于出現(xiàn)此類反射回波,按照通常規(guī)律與經(jīng)驗判斷,此類反射回波很容易被判定為未熔合或裂紋類缺陷。為了確定這些反回波的性質(zhì),避免出現(xiàn)誤判,采用了X射線拍片檢測和多個不同K值的探頭進行驗證,最終判定該反射回波為偽缺陷回波顯示。

2 驗證試驗

為了確定上述偽缺陷反射回波產(chǎn)生的原因,對彎管全焊縫進行了缺陷驗證試驗。由于現(xiàn)場成品彎管焊縫余高不能隨意修磨,因而用X射線拍片和使用不同類型角度探頭的探傷方法進行驗證:焊縫余高是否對波形轉(zhuǎn)換和超聲波擴散波束產(chǎn)生干擾。

2.1 X射線拍片驗證

對有超標反射回波的焊縫,用XXQ-2005型號便攜式X射線機、160 kV管電壓和曝光4 min進行X射線拍片驗證,X射線儀器和X射底片顯示如圖2所示。從圖2可見,X射線底片顯示超標反射回波處焊縫及附近母材位置沒有危害缺陷,在底片中也未發(fā)現(xiàn)缺欠和缺陷,這說明了反射回波可能為偽缺陷波。

圖2 X射線儀器和底片顯示

2.2 不同角度K值探頭驗證

采用不同角度的K值探頭,對Φ813 mm×12.7 mm-L485M彎管焊縫有超標反射回波的焊縫進行超聲波檢測。當使用單面雙側(cè)探傷方式檢測時,其中一側(cè)沒有反射回波,而另一側(cè)的一次波探傷結(jié)果見表2。

從表2的檢測結(jié)果可見,采用不同角度探頭對超標反射回波處的焊縫進行探傷,K3探頭顯示疑似回波深度在8.9 mm、8.3 mm和7.2 mm處(選取3個較高回波采集點),K2探頭顯示疑似回波深度在8.1 mm、8.7 mm和9.6 mm處(選取3個較高回波采集點),K1.5和K1探頭顯示疑似回波深度在12.4 mm和12.6 mm處,探傷時回波的波幅變化較小且回波隨探頭移動而移動,因而判斷其為底面焊趾線回波。

根據(jù)超聲探傷理論和實踐探傷經(jīng)驗,如果存在真實缺陷,即使使用不同角度的探頭,都能顯示出同一位置的缺陷回波,而使用不同角度的探頭對Φ813 mm×12.7 mm-L485M彎管焊縫卻出現(xiàn)了不同的顯示結(jié)果,由于超聲波聲束擴散導致的非中心超聲波聲束反射,該反射回波與理想狀態(tài)的中心超聲波聲束存在角度差異,從而出現(xiàn)反射信號的位置偏離[2]。

3 偽缺陷波的產(chǎn)生原因分析

根據(jù)超聲波檢測理論,在一定條件下,超聲波傾斜入射工件時會產(chǎn)生變形波,如圖3所示。圖3中L為縱入射波,L′為反射縱波,S為橫入射波,S′為反射橫波,L″為折射縱波,S″為折射橫波。αL為縱波入射角,αL為橫波入射角,αⅠ為第一臨界角,αⅡ為第二臨界角,αⅢ為第三臨界角,以上角度單位均為度(°)。CS為橫波聲速,m/s;CL為縱波聲速,m/s。當超聲波[圖3(a)縱波L入射和圖3(b)橫波S入射]傾斜入射到工件界面時,除產(chǎn)生同種類型的反射和折射外,還會產(chǎn)生不同類型的反射波和折射波,根據(jù)反射定律和折射定律,這種現(xiàn)象稱之為波形轉(zhuǎn)換[3]。

圖3 超聲波傾斜入射到固體/固體界面時的反射和折射示意圖

根據(jù)折射與反射定律,超聲波入射焊縫后將發(fā)生波形變換,圖4為超聲波入射到鋼管焊縫下表面的示意圖。圖5為變形縱波垂直入射至焊縫上表面的熔合線處或近焊縫母材上焊瘤處的示意圖。

圖4 超聲波入射到焊縫下表面時的示意圖

圖5 變形波示意圖

合線圖4(a)為超聲波入射到超聲波探頭一側(cè)焊縫下表面時的波形變換圖,即橫波入射角αS>αⅢ,在該情況下焊縫中只有反射橫波, 不產(chǎn)生反射縱波,即沒有變形轉(zhuǎn)換波,不產(chǎn)生干擾波。圖4(b)為超聲波入射到探頭對面一側(cè)焊縫下表面時的波形變換圖,在該情況下受到下表面焊縫不規(guī)則形狀的影響,當αS<αⅢ時,焊縫中反射橫波和反射縱波同時存在,受此影響焊縫中產(chǎn)生了變形反射縱波[4]。在同一介質(zhì)中縱波速度大于橫波速度,在數(shù)字式超聲波探傷儀顯示屏中,變形反射縱波提前在橫波之前出現(xiàn)(位置在一次底波之后及二次底波之前[5])。

超聲波數(shù)字式探傷儀器按照橫坐標深度1∶1定標調(diào)節(jié),則變形波在探傷儀示波屏上深度位置計算公式為:

T′=T+T×cosβs×CS/CL

(1)

式(1)中:T′為變形波在示波屏上的深度位置,mm;T為鋼管壁厚,mm;βs為探頭橫波折射角,度 (°);CS為橫波速度,m/s;CL為縱波速度。當選取βs= 45°、CS=3 240 m/s和CL=5 910 m/s時,由式(1)進行計算,當K=1 時計算結(jié)果為T′=1.39T;當K=1.5時計算結(jié)果為T′=1.30T;當K=2時計算結(jié)果為T′=1.25T。

對于大壁厚高鋼級的油氣輸送鋼管,直縫埋弧焊接的焊縫有一定內(nèi)外焊縫余高高度,通常標準要求規(guī)定:內(nèi)焊縫余高高度≤3.5 mm 、外焊縫余高高度≤2.5 mm。如果計算變形波的位置時沒有包含焊縫余高,將會產(chǎn)生較大的定位誤差。當焊縫存在焊縫余高時公式(1)變?yōu)?

T″=T+T1+(T+T1+T2)×cosβs×CS/CL

(2)

式(2)中:T″為包含焊縫余高的變形波在示波屏上的深度位置,mm;T1為內(nèi)焊縫余高,mm;T2為外焊縫余高,mm。

依據(jù)上述圖4和圖5超聲波傾斜入射產(chǎn)生變形波分析及式(1)和式(2)的計算公式,選取2個實例說明變形波的位置。

實例1:對Φ813 mm×12.7 mm-L485M彎管焊縫可能產(chǎn)生偽缺陷波在示波屏幕的位置進行計算分析。當進行一次波探傷時在某個位置顯示屏出現(xiàn)偽缺陷波形,如圖6所示。經(jīng)過測量,K=2.02,T=12.7 mm,T1=2.5 mm,T2=2.5 mm,橫波速度為CS=3 240 m/s,縱波速度為CL=5 910 m/s,將以上參數(shù)代入公式(2)進行計算,結(jié)果為T″=19.5 mm。

圖6 Φ813 mm×12.7 mm彎管焊縫變形波顯示圖

從圖6可見,在示波屏上1#為一次底面回波,2#為變形縱波,變形波顯示深度在19.8 mm的位置,而上式計算結(jié)果變形波顯示深度是在19.5 mm的位置,實際是在約7.1 mm的深度位置(減去壁厚),即圖6檢測的變形波在探傷儀示波屏上的深度位置是與上式計算的深度位置相同(在各項參數(shù)校準精確的情況下,超聲波誤差在1～2 mm內(nèi)為可接受誤差范圍)。

實例2:對Φ1 219 mm×17.5 mm-L555M直焊縫可能產(chǎn)生偽缺陷波在示波屏幕的位置進行計算分析,波形顯示如圖7所示。經(jīng)過測量,K=1.99,T=17.9 mm,T1=2.0 mm,T2=2.0 mm,橫波速度為CS=3 240 m/s,縱波速度為CL=5 910 m/s,將以上參數(shù)代入公式(2)進行計算,結(jié)果為T″=25.3 mm。

圖7 Φ1 219 mm×17.5 mm變形波顯示圖

從圖7可見,在示波屏上1#為一次底面回波,2#為變形縱波,變形波顯示深度在24.7 mm的位置,而上式計算結(jié)果變形波顯示深度是在25.3 mm的位置,實際是在約6.8 mm的深度位置(減去壁厚),即圖7檢測的變形波在探傷儀示波屏上的深度位置是與上式計算的深度位置相同。

從上述實例計算分析可見, 變型回波不是鋼管焊縫中的缺陷反射回波,而是鋼管焊縫表面凹凸不平、馬鞍型、焊瘤和凹槽等的幾何形狀引起的變形回波,屬于偽缺陷波、即非缺陷干擾回波(但并不是所有焊縫都會產(chǎn)生變形回波)[6]。

另外,對產(chǎn)品檢測時發(fā)現(xiàn)的偽缺陷波的指示深度在鋼管焊縫內(nèi)部的位置,容易造成誤判,其原因是超聲波儀器的顯示屏指示是按照超聲波軸線上的聲程經(jīng)過計算而獲得[7],超聲波探傷儀以一定的擴散角度近似扇形發(fā)射超聲波聲束,如果反射面在有利于某一擴散角度范圍內(nèi),當某一部分超聲波聲束反射時的回波按照軸線超聲波聲束計算[8],計算結(jié)果為錯誤值。對鋼管探傷時經(jīng)常遇到此類回波的干擾,即使采用不同角度的探頭,此類擴散超聲波聲束在鋼管焊縫表面產(chǎn)生的偽缺陷波現(xiàn)象都有可能存在[9],這取決于鋼管有效檢測面的表面質(zhì)量、大小、方向、形狀(凹凸不平、馬鞍型、焊瘤、凹槽等類型)和曲率等因素[10]。由于超聲波聲束擴散導致的非中心超聲波聲束反射,該反射回波與理想狀態(tài)的中心超聲波聲束存在角度差異,從而出現(xiàn)反射信號的位置偏離[10]。

4 結(jié)論與建議

1)Φ813 mm×12.7 mm-L485M彎管焊縫超聲探傷出現(xiàn)的偽缺陷波是探頭下擴散角內(nèi)的一部分擴散超聲波聲束在鋼管焊縫表面反射時的回波顯示。

2)在鋼管探傷過程中,不同角度探頭的擴散超聲波聲束在鋼管焊縫表面產(chǎn)生的偽缺陷波是由于鋼管產(chǎn)品有效檢測面的表面質(zhì)量、大小、方向、形狀(凹凸不平、馬鞍型、焊瘤和凹槽等類型)和曲率等因素而導致。

3)建議根據(jù)鋼管探傷現(xiàn)場工況條件,通過打磨鋼管焊縫余高、拍打焊縫根部位置耦合劑、X射線拍片驗證和增加不同角度的探頭進行輔助判斷。特別是在容易出現(xiàn)波形變換的情況下,采用多角度探頭驗證是一個有效的方法。