工艺管道对接焊缝超声波检测

1、摘 要：本文针对工艺管道对接焊缝的特点，对焊接方法、焊接位置及易产生的缺陷进行了分析，由于工艺管道对接焊缝壁厚范围大，又多是直管与直管、直管与弯头、法兰、阀门等管件对接，采用单面焊接双面成型工艺，这种特殊结构型式和焊接工艺，使超声波检测只能进行单面双侧扫查或单面单侧扫查；为了提高缺陷的检出率，对不同规格、不同结构的焊缝选择扫查面、探头数量、探头型号和探头尺寸应有针对性；根部缺陷的判定对仪器扫描线调节精度提出了较高要求；通过对典型缺陷的回波特征进行了分析；通过以上分析和采取的措施，能有效提高工艺管道对接焊缝超声波检测质量。关键词：工艺管道对接焊缝 超声波检测Ultrasonic Test for

2、 the Process Piping Butt WeldLI Zhao-tai, WANG Cheng-sen, HUANG ZhiNanjing Jinling Inspection Engineering Co.,LtdAbstract: Considering the characteristics of the process piping butt weld, this article analyses the welding methods, the welding positions and the defects which are easily produced. As t

3、he range of thickness of the process piping butt weld is large, furthermore, the joints are almost among pipe fittings, such as straight pipes, elbows, flanges and valves, so we choose one formation welding. Due to the special structure and welding craft, UT only conducts single-sided bilateral scan

4、ning or single-sided unilateral scanning; in order to raise the defect inspection rate, we should choose scanning surface, probe quantity, models and size for different scales and structures of welding joints with pertinence. It puts forward higher requirement for the linear adjustable accuracy of a

5、pparatus scanning to judge the root defect. We analyses the characteristics of the waves of typical defects. By the analyses and measures above, it improves the test quality of the process piping butt weld effectively.Keywords: Process piping butt weld; Ultrasonic test0 前言石化装置工艺管道对接焊缝超声波检测具有一定的难度。早期

6、的模拟超声波探伤机由于定位精度不高，对于根部缺陷的识别和判定存在较大难度，每次更换不同角度的探头，时间基线都要重新调节，非常不便，这为工艺管道对接焊缝推广超声波检测造成了很大的困难。近些年，超声波检测设备发生了巨大改变，且更新很快，数字式探伤机代替了模拟机，数字式探伤机较原先使用的模拟机具有显著的优点，首先，其定位精度高，定位精度可达0.1mm，为管道焊缝根部信号的判定提供了可靠依据；第二，可存贮多种探头参数及其距离波幅曲线，为现场采用多种角度的探头进行检测提供了方便，提高了不同角度缺陷的检测灵敏度，可方便的变换探头（角度），为辨识真、伪信号提供了方便；第三，可以存贮动态波形和缺陷包络线，并可

7、作为电子文件存档备查。数字式超声波探伤机较好地解决了管道焊缝超声波探伤的难题。本文推荐管道焊缝探伤采用数字式超声波探伤仪。通过专业培训和严格考核，可以筛选出合格的管道对接焊缝超声波检测人员，完全能保证管道焊缝的超声波检测质量。本文通过对超声波检测方法、扫查面、探头数量、探头型号和探头尺寸的控制、通过理论分析和实际验证，表明超声波检测能有效保证管道焊缝的检测质量。超声波检测操作灵活方便，对厚壁管道检测灵敏度和检测效率均高于射线检测，成本低于射线检测，且对人体无害，是一种科学、环保的检测方法。1 管道对接焊缝与容器对接焊缝的不同点管道对接焊缝较容器对接焊缝从焊接工艺、结构型式、主要缺陷产生的部位、

8、缺陷信号判别、探头扫查面、探头折射角度的选择、耦合面曲率等都有较大区别，因此从事管道对接焊缝超声波检测的人员必须对此有一定的了解。表1是对管道对接焊缝与容器对接焊缝超声波检测不同点的比较。表1 工艺管道对接焊缝与容器对接焊缝超声波检测不同点的比较比较项目 管道对接焊缝 容器对接焊缝焊接工艺条件 单面焊接，且多为手工焊，现场野外作业，焊接质量受环境影响较大 一般为双面焊接，且多为自动焊，车间内机械化作业，受环境影响较小。表面检查条件 一般只能进行外表面目视检查。 一般可对容器进行内外表面目视检查。缺陷产生的主要部位 缺陷主要产生在焊缝的根部（未焊透、未熔合、内凹、焊瘤、错口、咬边、气孔、夹渣、裂

9、纹等） 缺陷主要产生在焊缝内部（气孔、夹渣、未熔合、未焊透、裂纹等）超声波信号的判断 根部缺陷回波易与内表面回波相混淆，不易判断区分 缺陷回波与焊缝表面回波位置明显不同易于区分判断探头扫查面 l 只能在管道外表面扫查；l 直管与直管对接焊缝，可以在焊缝两侧扫查；l 直管与其它管道元件的对接焊缝大部分只能从直管侧扫查 可以从容器内外表面焊缝两侧扫查检测面曲率与耦合损失 检测面曲率一般较大，探头经修磨后才能与工件紧密接触减小声能损失 检测面曲率小，一般接近平板，耦合损失小对探头的要求 l 对于较簿的焊缝，要求探头具有短前沿和大K值，增大一次波的扫查范围；l 对于只能从单面单侧扫查的焊缝要选择2种不

10、同角度的探头进行扫查。 l 对于较厚的焊缝要求探头K值不易过大，否则声程过长，检测灵敏度降低；l 一般选择1种角度的探头从焊缝单面双侧或双面双侧进行扫查。2 工艺管道对接焊缝超声波检测工艺管道对接焊缝超声波检测，有两个重要环节，一是如何能保证不漏检缺陷，二是如何能正确识别和判定缺陷。本文对工艺管道的接头型式、焊接方法、焊接位置及易产生的缺陷进行了分析，为设计检测工艺、提高缺陷的检出率和信号判定提供参考。2.1管道对接结构型式、焊接位置及各部位易产生的焊接缺陷2.1.1结构型式与扫查面石化装置工艺管道对接焊缝一般可分为3种型式：直管与直管对接、直管与管件对接、管件与管件对接。直管与直管对接焊缝探

11、头可以在焊缝两侧进行扫查；直管与管件对接焊缝由于管件侧表面为不规则曲面（如弯头、法兰、阀门、三通等等），探头不能良好耦合，因此，只能从直管一侧进行扫查，为了提高检出率，应选择2种不同角度的探头进行扫查；管件与管件对接焊缝由于焊缝两侧均为不规则曲面（如弯头、法兰、阀门、三通等等），探头不能良好耦合，因此，这类焊缝不能进行正常的超声波检测。如客户有措施将焊缝余高磨平（与母材平齐），则可将探头通过磨平的焊缝进行检测。将焊缝打磨的与母材平齐是一件很困难的事，一般不这样做。2.1.2焊接位置了解焊接位置有助于缺陷性质的分析判断。管道对接焊缝的焊接位置分为水平转动、水平固定、垂直固定和45倾斜固定。水平转

12、动口焊接时，焊接位置总是处于时钟11点或1点附近的位置，焊接操作最易控制，最不易产生焊接缺陷。水平转动焊口焊接位置见图1。水平固定口焊接时，上半部分处于平焊位置，下半部分处于仰焊位置，两侧处于立焊位置。水平固定焊口各部分焊接位置分布见图2。垂直固定口焊接时，其位置为横焊，焊接位置示意见图3。45倾斜固定口焊接时，各部分在水平固定的基础上又增加了倾斜角度，加大了焊接难度。焊接位置示意见图4。2.1.3各焊接位置易产生的缺陷类型焊接程序：目前石化装置管道对接焊缝均采用氩弧焊打底，焊工在打底结束前留一小段用作检查孔，用手电筒观察根部打底情况，若有不良现象则立即将不良部位用磨光机去除重焊，最终检查良好

13、后将根部最后一小段焊好。氩弧焊打底结束后，对于较厚的焊缝一般采用手工电弧焊或埋弧自动焊填充盖面。平焊位置：铁水熔化后在重力的作用下会向下淌，因此平焊位置焊接时要控制电流不能过大，焊接电流和焊接速度要适当，否则易形成焊瘤和烧穿。焊条接头和焊瘤部位易产生气孔。立焊位置：在立焊位置因铁水下淌导致焊缝波纹粗糙及内外表面焊缝成型不良，也容易产生未焊透、未熔合、焊瘤及咬边。因此要控制焊接电流不能过大，焊接速度不能过快。仰焊位置：仰焊位置易产生内凹、未焊透、未熔合及焊瘤，仰焊位置电流过大易产生内凹、烧穿和焊瘤，电流过小易产生未焊透和未熔合，因此仰焊部位的焊接难度最大，焊工常采用灭弧焊法进行焊接，即引弧、将焊

14、条熔化一点立即断弧、待片刻熔池凝固、再继续引弧熔化一点焊条立即断弧，这样循环持续，直至铁水成形达到可控为止，在烧第二层焊缝时电流也不能过大，否则将第一层的铁水熔化下坠形成内凹，电流越大形成的内凹越深。横焊位置：管子垂直固定，焊工围绕焊缝进行横向焊接。横焊位置焊接时，铁水受重力作用，上部易出现咬边，坡口易产生未熔合，焊接每层之间如果清理不好易产生夹渣。焊缝表面横排波纹控制不好会比较粗糙。2.2 根据管道规格和结构型式选择探头探头的选择是有效检出缺陷的先决条件，探头的选择要考虑的因素有：1）检测厚度：检测较薄焊缝应选择大K值、短前沿探头，一次波尽可能扫查更多的焊缝截面；对于大厚度焊缝应选择晶片尺寸

15、较大、K值合适、具有足够灵敏度的探头。根据实际工作经验，本文推荐壁厚大于等于7mm的焊缝采用单斜探头进行检测。壁厚小于7mm的焊缝杂波干扰严重，聚焦探头和双晶探头优于单斜探头对信号的识别，聚焦探头和双晶探头一般宽度较大，与小径管耦合要进行修磨，由于聚焦探头和双晶探头都是在其焦点附近灵敏度最高，探测范围受到一定影响，由于工艺管道壁厚小于7mm的管径一般均较小，因此，本文对壁厚小于7mm的管道焊缝不推荐采用超声波检测法进行检测。2）检测面曲率：直径较小的管道，要选择接触面小的探头，以保证良好耦合；直径较大的管道可以选择尺寸较大的探头，提高检测效率；探头与工件接触面尺寸W应满足公式（1）.【1】RW

16、2/4 公式（1）R 管道半径mmW探头与工件接触面尺寸（探头宽度）mm目前市场销售的探头晶片尺寸为66的短前沿小晶片探头，其探头宽度一般为12mm，根据上述公式计算，管道直径应大于72mm，为提高耦合效果，本文推荐采用探头宽度为12mm的小晶片短前沿探头进行检测时，管道直径下限为100mm。3）扫查面：直管与直管对接，探头可以在焊缝两侧扫查时，可以选择1种K值的探头；直管与管件对接，探头只能在焊缝一侧进行扫查时，应选择2种折射角相差不少于10的探头进行扫查，其中较小K值的探头，一次波扫查范围不少于焊缝截面的1/4；4）探头频率：管道探伤宜选择较高频率的探头，以提高指向性和定位精度，本文推荐采

17、用频率为5MHz的探头，对于较厚管道（厚度在40mm以上）可以选择2.5 MHz的探头.对于根部可疑信号，尽可能选择小K值探头复验，经验表明，小K值探头定位精度高，误差小。综合上述条件，不同厚度的管道推荐选择的探头角度和前沿距离见表2，不同曲率的管道推荐选择的探头尺寸见表3。表2 不同厚度的管道推荐选择的探头角度和前沿距离厚度 Tmm 采用单个斜探头在焊缝两侧进行扫查时探头的K值 采用两种K值探头在焊缝的一侧进行扫查时探头的K值 探头前沿距离mm探头1 探头27 T10 3.02.5 2.0 3.0 510T15 3.02.0 2.0 3.0 815T35 2.52.0 1.5 2.5 103

18、5T46 2.01.5 1.0 2.0 1246T100 / 1.0 2.0 15表3 不同曲率的管道推荐选择的探头尺寸管子外径 D0（mm） 探头接触面宽度 W（mm）100D0159 12或修磨至与工件曲面匹配159D0219 16219D0325 18D0325 202.3 检测灵敏度检测标准执行JB/T4730.3-2005，外径大于等于159mm的管子按标准中表19 调节检测灵敏度，外径小于159mm的管子按标准中表30 调节检测灵敏度。管道对接焊缝中存在的主要缺陷有未焊透、未熔合、内凹、焊瘤、错口、气孔、夹渣、裂纹等。未焊透、未熔合、裂纹属面状缺陷，超声波对其非常敏感，试验表明，深

19、度为0.5mm切槽的反射波幅均较高，回波均在判废线上下，因探头的角度不同，回波幅度有所不同，探头折射角度越小，回波幅度越高，因此根部未焊透、未熔合和根部纵向裂纹类面状缺陷一般不会漏检。2.4 检测工艺卡编制举例工艺卡的编制原则：工艺卡要能够真正指导检测工作，使检测人员能够看懂，按工艺卡要求可以方便实施。编制检测工艺卡重点关注的内容如下：1） 探头数量和参数能够满足标准和实际检测的需要，能最大限度地检出危害性缺陷；2） 检测面要明确；3） 试块和检测灵敏度符合标准要求；下面对管道焊缝超声波检测工艺卡的编制进行举例。已知某石化装置检修改造工程，有一条规格为21920mm的碳钢工艺管道，坡口型式为V

20、型，氩弧焊打底，手工电弧焊填充、盖面，检测比例为100%。试按JB/T4730.3-2005编制检测工艺卡。合格级别为级。检测工艺卡编制结果见表4。表4中未对检测技术等级提出要求，因为JB/T4730.3-2005的检测技术等级不适用于直管与管件对接的焊缝检测。3 典型缺陷信号的识别超声波检测前，应对受检焊缝两侧的壁厚靠近焊缝部位用直探头进行测厚，以确认其真实厚度，如果测得结果小于标称值的负偏差，则应立即报告委托人，如果测得结果大于或等于标称值，则认为是可以接受的。所测厚度值应在记录中注明，该值即作为判断回波信号的基准。回波信号性质的判定要结合材质、坡口和结构型式、焊接工艺和焊接位置、回波位置

21、（包括水平位置和深度位置）、指示长度和取向、最大回波高度、静态和动态波形等进行综合分析。对于可疑信号可更换另一种角度的探头进行验证，有助于缺陷定性和伪信号的识别。管道焊缝正确判别根部信号的关键是时基线标定要准确，要求深度定位误差不超过0.5mm，不然，根部缺陷信号判断会产生较大误差。时基线标定完毕后，必须用与所检工件厚度等深或相近的孔进行校验，该孔的最高回波指示值应与深度标称值相当或略小0.1-0.5mm（半孔径），则时基线标定是准确的，否则是不准确的，应重新标定。时基线的调节还应考虑试块声速与工件声速的差异，当工件厚度较大时，声速的差别会严重影响定位精度和根部缺陷的判定。如常温测得材质20#

22、钢的横波声速3230m/s，P91的横波声速3301m/s，20#钢的纵波声速5934m/s，P91纵波声速5983m/s。用K2探头和20#钢标准试块标定的时基线，探测P91钢工件时，由于P91钢的声速较快，其折射角增大，K值变为K2.25，探测50mm厚P91工件其声程增加至123.297mm，较20#钢的声程111.67mm增加11.62mm，从时基线上观察，与厚度50mm20#钢工件的回波位置相对应的P91#钢工件的实际厚度为54mm。显然，由此会造成严重的误判，易将焊瘤判为未焊透缺陷。关于最高峰的确认，在培训过程中，发现许多学员对波峰最高点的判断存在误区，探头总是不敢前后移动，发现了

23、较高的回波就认为是最高波，探头前后移动时最高波的位置又发生变化，从而影响对信号的正确判断。在扫查和精探伤时，探头应前后移动，当发现回波信号时，应增加耦合剂并将探头前后往返缓慢移动次，观察动态波形，找出回波最高点的位置，将探头移至出现回波最高点的位置，轻微前后移动、转角探头，找出最高波，用闸门选择该回波，读出回波位置。下面对管道焊缝检测中几种典型缺陷信号进行分析和介绍。3.1质量良好的焊缝【2】质量良好的焊缝其焊缝内部没有缺陷，焊缝内外表面成型饱满，且均匀过渡，焊缝区段没有缺陷回波，焊缝根部或焊缝表面不产生或产生较低的回波（视探头角度而异），由于根部有一定的凸出，出现反射波时，反射波峰值的位置略

24、迟后于工件厚度，两侧扫查结果相近。典型波形见图5.3.2 根部未焊透根部未焊透与焊接工艺密切相关，目前中石化范围内的管道工程均要求氩弧焊打底，有效地减少了未焊透缺陷的产生，同时提高了根部成型质量。现在发现的未焊透多是由于焊工操作的偶然性所致，未焊透的长度一般不超过20mm，自身高度一般不超过2mm，也可能一侧钝边略深，另一侧钝边非常浅，从焊缝两侧扫查时，反射波幅有可能相差较大，在非缺陷侧探测时，信号可能很弱，甚至无信号，改用较小角度探头检测时缺陷信号则易于发现。因此，从单面单侧扫查时，应选择2种不同角度的探头进行检测。如有可能，选择K1斜探头对根部缺陷进行检测具有良好的检测灵敏度。反射波与底波

25、位置的间距与未焊透的深度成正比，未焊透深度大则回波幅度高，反之则回波幅度低。探头作摆动或转动时，波形消失很快。判断是否未焊透的关键是看回波的位置，未焊透的反射波最高峰在底波略前一些的位置，没有底波出现。未焊透回波位置见图6（a）、（b）。深度较大的未焊透一次波和二次波均可以发现，有时二次波的当量dB值还会高于一次波的当量dB值。3.3 未熔合管道焊缝的未熔合多为根部钝边未熔合，少部分为坡口未熔合。钝边未熔合在焊缝的根部，坡口未熔合在焊缝坡口熔合线部位。未熔合反射波的特征是:在焊缝两侧探测时,反射波幅不同,大部分未熔合只能从一侧探到。较大尺寸的未熔合，探头平移时波形较稳定。l 根部未熔合根部未熔

26、合反射波出现时，一般有一侧可以同时看到底面反射波。而未焊透两侧均没有底面反射波。判断是否未熔合，要结合回波深度、水平距离和是否有底波来综合判断。根部未熔合回波示意见图7。l 坡口未熔合坡口未熔合多在厚壁焊缝和自动焊焊接时产生，具有一定的长度，成连续状或断续状。动态波形：探头平行于焊缝移动时，特征包络线比较平稳（连续状）或有缓慢的起伏（断续）；探头前后移动时，特征包络线与气孔差不多；探头作摆动或转动时，波形消失很快。声程特点：如图8，从缺陷侧探测，二次波信号强，一次波信号弱甚至没有；从非缺陷侧探测，情况相反。3.4 根部内凹内凹一般产生在固定焊口的仰焊部位。荧光屏上的波形：深度较大且边缘较陡峭的

27、内凹其危害性与回波幅度均与未焊透相似，易于检测，应按未焊透处理。深度较浅、且平缓过渡的内凹一般回波较低或不易发现，这类内凹对焊缝强度影响不大。动态波形：其特征包络线的变化比较平缓，无明显的锯齿形，有内凹缺陷时无底波出现。声程特点：从两侧探测，声程反射点相隔一定距离，其距离约等于对口间隙加24mm。3.5 裂纹裂纹多产生于焊缝根部或外表面，一般是由于焊接材料用错、强行组对或焊接工艺不当所致。一般裂纹的回波高度较大、波幅宽、有多峰出现。探头平移时、反射波连续出现、波幅有变动，探头转动时，波峰有上下错动现象。表面和近表面微小裂纹反射面小、反射波与表面杂波混杂在一起不易区分，横向裂纹垂直于焊缝，当管径

28、较小时，探头不能平行于焊缝扫查，因此标准要求增加表面检测来补充超声检测方法的不足。3.6 根部错边直管、弯头、三通、大小头等，由于加工精度的原因，其对接端口往往存在一定程度的椭圆或不等壁厚，组对时局部可能会出现错边，轻微的错边在焊接时易焊至均匀过渡，严重的错边则会在内表面形成焊缝错边。这种错边从一侧探测时，信号较强，而从另一侧探测时，没有信号波，如图9所示。等壁厚错边一般从外表可以看出。不等壁厚错边可以在检测前测厚时发现。要注意错边与单侧未焊透的区别。3.7 根部焊瘤根部焊瘤表面比较光滑，从焊缝两侧扫查其反射回波相差不大，且均在底波位置之后出现，焊瘤部位一般只有焊瘤反射波，没有底波。焊瘤回波示

29、意见图10（a）所示。焊瘤回波的判断，焊瘤的反射回波一般都很强，且最高峰在根部之后mm左右的位置，大焊瘤也可能到达根部之后mm的位置。操作时，前后移动探头，从根部之前就开始有回波，随着探头缓慢后移，波峰逐渐增高，屏幕指示深度位置增加，超过根部位置mm后出现最高峰，之后，再后移探头，波峰开始下降，在最高峰之前没有峰值出现，这就是焊瘤回波的典型特征。焊瘤回波包络示意见图10（b）所示。3.8 气孔和点状夹渣等点状缺陷1）气孔与夹渣回波位置气孔与夹渣均在焊缝内部，一次波检测时，其反射波位于始波与底波之间，二次波检测时其反射波位于底波与上表面反射波之间。a) 单个气孔与点状夹渣回波特征其回波在荧光屏上

30、的波形尖锐、陡峭、清晰、波根较窄，如图11。b)密集气孔回波特征密集气孔回波在荧光屏上同时出现数个波，往往有一个较高的波，旁边簇拥着若干个小波，波形清晰（参见图12）。动态波形：不管探头作怎样的移动，波形总是此起彼伏。c）条状夹渣回波特征探头前后移动时荧光屏上的波形与点状夹渣类似，只是左右移动时缺陷有一定的长度。动态波形：探头平行于缺陷长度方向移动时，在缺陷长度范围内有缺陷波，探头作摆动时，波形消失很快。3.9两种典型的伪缺陷信号3.9.1 伪缺陷回波之一 扩散声束在根部的反射波现象: 在实际工作中经常发现在接近下表面之前有强烈的反射波，从反射波出现的位置分析，反射点应在焊缝内，但长度较长，有时全焊缝连续, 如图14所示，但是，用射线复测时焊缝质量良好。产生此伪缺陷回波的原因： 探头发出波束是扩散的（如图13所示），下扩散波较中心主波束的折射角略小，即K值略小，当探头移动时，下扩散声束在C点与下表面形成接近垂直的角度，反射波强烈，从示波屏上观察，在B处有反射波显示，反射点水平位置靠近焊缝对面的熔合线，深度小于工件厚度。从图13可以看出：由下扩散声束在根部C点产生的反射波相当于主声束在焊缝中B点产生的反射波，从示波屏上显示的位置如图1