不等厚对接焊缝超声波探伤方法的研究

不等厚对接焊缝超声波探伤方法的研究

在锅炉、压力容器和钢结构中，通常需要使用超声波法检测不同厚度的焊接焊接。尤其是在一些高温、高压且壁厚比较大的化工压力容器中,锻件封头与筒体之间的不等厚焊接更为常见,且此类设备大多危险性较大,对超声波探伤的要求较高。焊接不等厚对接焊缝时,通常将厚板侧机械加工成斜面(斜面端部与薄板等厚)后进行焊接。由于斜面的存在,当超声波入射到斜面上时引起反射角变小,缺陷波提前,一次声程的位置也随入射到斜面的位置不同而变化,影响对反射波位置的确定及对缺陷或伪缺陷的判定,同时影响缺陷的返修。笔者对斜面上超声波反射的规律进行了分析,对不等厚对接焊缝的超声波探伤进行了初步探讨。1反射波幅达到最斜面倾斜度在特种设备相关法规和标准上都有相应的规定,如GB150—1998《钢制压力容器》中要求斜面倾斜度≤1∶3,即图1中tgθ≤1/3,θ≤18.4°。而在特种设备定期检验中,许多情况下厚壁部分从内侧削薄,因内筒无法进入和缺乏相应的技术资料,需从筒体外侧对焊缝进行超声波检测。笔者通过理论分析,研究了测定内侧削薄倾斜面的倾斜角的方法。图1中探头A为发射探头,探头B为接收探头,将探伤仪调为一发一收状态,测定A探头的K值和前沿长度。先将探头A置于设备外表面,调整探头位置,使一次波发射到内侧筒体倾斜面上,反射点为D,固定探头A,移动接收探头B,待显示屏上接收到的反射波幅达到最大,固定探头B的位置。因一次反射波在斜面反射,发射探头的发射角度与接收探头的接收角度不同,实际接收点与理论接收点有偏差,为消除该偏差对测试结果的影响,将探头A前移到A1位置,入射点之间的距离为AA1,此时探头B在B1位置接收到反射波,反射点为D1,接收点之间的距离为BB1。过入射点D1作一平行于筒体外表面的辅助线,与探头A的入射波及反射波分别交于E和F点,在△DEF中,EF之间的距离为:EF=AA1-BB1=AA1-CC1(1)EF=AA1−BB1=AA1−CC1(1)这样,可以在不用测探头B接收点的情况下测出EF之间的距离。发射探头在A及A1点,接收探头分别在B及B1点时显示屏上的声程差S=FD+DE,根据余弦定理得:∠DEF=90°-β(2)FD2=EF2+DE2-2⋅EF⋅DEcos(90°-β)(3)求得∶FD=EF2+S2-2EF⋅S2(S-EFsinβ)(4)∠DEF=90°−β(2)FD2=EF2+DE2−2⋅EF⋅DEcos(90°−β)(3)求得∶FD=EF2+S2−2EF⋅S2(S−EFsinβ)(4)在三角形FDE中,已知EF,FD和∠FDE,利用正弦定理得:FDsin(90°-β)=EFsin∠FDE(5)∠FDE=arcsin2EF⋅cosβ⋅(S-EF⋅sinβ)EF2+S2-2EF⋅S(6)FDsin(90°−β)=EFsin∠FDE(5)∠FDE=arcsin2EF⋅cosβ⋅(S−EF⋅sinβ)EF2+S2−2EF⋅S(6)由于在倾斜面上反射,导致入射角减小为(β-θ),得:∠FDE==2(β-θ)(7)∠FDE==2(β−θ)(7)由此得斜面倾斜角为:θ=β-12∠FDEθ=β-12arcsinEF⋅cosβFD=β-12arcsin2EF⋅cosβ⋅(S-EF⋅sinβ)EF2+S2-2EF⋅S(8)θ=β−12∠FDEθ=β−12arcsinEF⋅cosβFD=β−12arcsin2EF⋅cosβ⋅(S−EF⋅sinβ)EF2+S2−2EF⋅S(8)2实验数据分析2.1加工成倾角试验为验证理论分析结果,分别用厚度30mm和50mm的碳钢板制作两组试块进行试验,每组四块试样,加工成倾角分别为10°,12°,14°和16°。按照上述方法进行试验,在每块试样上测定两个点,不同试块上两测试点距倾斜面起始点的距离相同,试验结果见表1。2.2影响最大反射波定位的因素表1可见,随着试块厚度的增加,测试误差逐渐减小;同一组试块,随着试块倾斜面角度的增加,测试误差逐渐减小。其原因主要是随着试块厚度和倾斜面角度的增加,减小了近场区内反射对最高反射波定位的影响及人为因素的影响。测试过程中影响准确性的因素主要有①发射探头K值和前沿的测试精度。②接收探头接收到的最大反射回波确定的准确性。③声程大小的影响。为提高测量精度,测量发射探头的K值和前沿时,应尽可能在靠近倾斜面起始位置进行测定,以减小近场区对反射波位置定位的影响。人员操作的精细程度是影响测试误差大小的重要因素,该环节产生的误差对计算结果的影响最大,但该影响随着声程的增大而逐渐减小。对高压容器,壁厚远大于上述试块的厚度,人员操作的影响可进一步减小。3检测k值的选择3.1a+ka+t由于倾斜角使得探头K值变小,为使探头能够扫查到整个焊缝截面,对于等厚钢板的对接焊缝,K值需满足如下要求:Κ≥a+b+l0Τ(9)K≥a+b+l0T(9)式中a——上焊缝宽度的一半;b——下焊缝宽度的一半;l0——探头前沿;T——工件薄边侧厚度。由于倾斜角的存在,K值变小,为保证扫查范围,应适当增大K值,即:tg(β-θ)≥a+b+l0Τ得β≥arctga+b+l0Τ+θ(10)tg(β−θ)≥a+b+l0T得β≥arctga+b+l0T+θ(10)3.2显示上杂波太多的缺陷由于超声波在倾斜面上的入射角变小,选择K值时应尽量避免入射角小于横波的第三临界角,以免造成显示屏上杂波太多,影响对缺陷的判定。以钢中横波探伤为例,横波在钢中的第三临界角为33.2°,如果所选探头的折射角为β,应保证(β-θ)≥33.2°,即K≥tg(33.2°+θ),以避免倾斜面反射波中产生变型纵波。4缺陷反射回波的一次声程参考图1,相似三角形△FDE和△BDA存在如下比例关系:EFAB=FDBD=EDAD=FD+EDBD+AD=FD+EDSm(11)EFAB=FDBD=EDAD=FD+EDBD+AD=FD+EDSm(11)式中Sm为发射探头在A位置,接收探头在B位置时超声波探伤仪上的声程读数,且FD,ED及EF都可以通过计算得出,因此可由式(11)计算AB的距离。测量探头A的入射点至探头B的前沿的距离,AB与该距离之差即为探头B接收点至探头前沿的长度,从而可找到探头B的入射点。固定A点,利用正弦定理求出A点至倾斜面的直射波声程为:ADsin[90°-(β-2θ)]=ABsin2(β-θ)S1=AD=cos(β-2θ)sin2(β-θ)⋅AB(12)ADsin[90°−(β−2θ)]=ABsin2(β−θ)S1=AD=cos(β−2θ)sin2(β−θ)⋅AB(12)式中S1为发射探头发射到倾斜面的直射波声程,标记A点的位置。图1可见,离开A点的任意探头位置到倾斜面的一次声程与A点到倾斜面的一次声程之差为ED,随着探头距离焊缝越来越近,该声程差逐渐增大,根据正弦定理得:EDsinθ=AA1sin(90°+β-θ)(13)EDsinθ=AA1sin(90°+β−θ)(13)任意离开A点探头入射到倾斜面上的一次声程为:S0=S1-ED=S1-AA1sin(90°+β-θ)⋅sinθ(14)S0=S1−ED=S1−AA1sin(90°+β−θ)⋅sinθ(14)设探伤过程中发现图2中B处有一缺陷反射回波,可得:FC=Τ′-S0cosβ(15)BF=S2sin∠FDB=S2⋅sin[90°-(β-2θ)]=S2cos(β-2θ)=(S-S0)cos(β-2θ)(16)式中S为仪器显示屏上缺陷反射波的声程读数。缺陷深度h为:h=Τ′-FC-BF=S0[cos(β-2θ)+cosβ]-S