焊缝超声波检测技术的新突破

焊缝超声波检测技术的新突破

管道和管道之间的连接结构通常采用焊接形式。焊接质量主要取决于焊接过程的工艺控制和操作水平，但检测方法的选择是质量控制的重要因素。根据这项工作的实践，对这种焊接结构、焊接形式和损伤检测方法进行了分析，并介绍了自主开发的双晶聚焦直勘探、直勘探和其他检测优势。1管与管之间连接结构钢管相贯连接形式通常体现在钢管网架和化工单元设备的管道布置。钢网架结构主要是用不同直径不同壁厚的钢管与钢管焊接、钢管与空心钢球、钢管与钢板等焊接而成。正如标准中描述的圆管相贯节点形式，对于通常采取的主管和支管焊接组成的结构，支管直接搭接在主管上形成椭圆形式的相贯结合面或结合线，主管的搭接部位一般不开设孔槽，支管的管口部位通常不开设坡口，随着主管与支管之间中线夹角的变化以及支管在同一个焊接区域搭接支管的数量不同。在化工单元设备的管道（如公用管道、公用工程管道和仪表管道等）之间的连接，不同于钢网架结构，主管与支管或者管道与主体设备之间采取开孔槽，并且管道的工况处于受热受压或腐蚀等因素影响，其焊接质量的要求往往更加严格。管与管之间连接结构，形成图1的典型焊接形式。此种焊接结构所形成的焊缝，通常表现为不规则的椭圆形状，由于焊接位置的变化和焊接操作难度，在管与管之间的夹角较小时，其缺陷出现的几率就偏高，同时检测时也有相应的难度。常见缺陷主要有：气孔、夹渣、未熔透、未熔合、咬边、裂纹等，气孔、夹渣为常见缺陷，裂纹、未熔透、未熔合虽然不常见，但危害及其严重。钢管网架的焊接质量主要满足强度、刚度和柔性要求，对于化工管路的质量要求还要满足工艺流程、作业工况、安全需要等要求，对于某些管道之间的焊缝甚至需要开展100%无损检测。2传统检测方法分析按照标准所采用的超声波检测方法，利用单斜探头来检测这些椭圆形焊缝时，必须保持斜探头发射主声束方向与焊缝垂直，斜探头的超声束入射点所在平面与钢管外圆面只有一条切线，这条切线必须在斜探头的入射点位置，否则超声束很难进入被检测的钢管管壁内部而是沿钢管表面传播，造成钢管相关节点焊缝表面反射波出现形成假象，往往误判成缺陷波。基于化工或承压设备特点，在执行承压设备无损检测标准时，采取传统的检测方法同样难以准确判断焊缝的内部缺陷。特别是当主管与支管之间夹角较小时，对于不同的焊接部位所出现的缺陷几率不完全相同，检验可靠性的选择尤为重要，如图2所示。图2表明，主、支管轴线组成的平面与支管母线形成的沿支管圆周方向的角度为相贯角φ，主管轴线与支管轴线的夹角为交叉角θ，在与主、支管相贯线垂直的平面内，过相贯线上一点，主、支管切线之间夹角为局部二面角ψ，当斜探头沿着椭圆形焊缝扫查到图2中A、B、C、D不同区域时，局部二面角ψ时时都在变化，对同一个缺陷来说，斜探头沿支管表面检测与沿主管表面检测焊缝时，由于主、支管壁厚不同，直径D1和D2不相等，斜探头入射点，缺陷声程都是不同的，这一点给现场超声检测人员（往往是高空作业）对缺陷的判断，带来很大困难。按照此类结构设计与施工有关标准，同一个钢管相贯点的局部二面角ψ分为A、B、C、D四个区域，如图2所示，每个区域局部二面角ψ的变化范围如表1所示，每个区域检测难度和评判准确程度有差异。涉及到D区域的实际检测，超声波探伤仪器只能收到第3次声程回波反射，第4次声程反射回波高度（相同灵敏度下比较）已经很低，对于第5次第6次声程回波即局部二面角ψ≤35°以下。只能说在理论上能接收到，实际检测中很难收到，主要原因是切线耦合和凸面入射、反射、声束发散影响造成的。3新检测方法的研究和实践3.1声束入射的影响为了避免用斜探头检测钢管相贯节点焊缝图2中C、D区域焊缝缺陷发生漏检现象，从以下三方面改进检测方法。(1）改变超声束的入射形式，把斜探头发出的声束经过的多次声程后才能入射到焊缝上，改变为一次声程入射到焊缝而不受局部二面角ψ大小影响。(2）改变超声束在钢管外表面凸面入射时声束发散，变为声束聚焦，增大入射声能从而提高检测灵敏度。(3）消除斜探头近场区内声束轴线上的声压P极大值和极小值的对检测缺陷灵敏度影响，从而彻底解决了斜探头始脉冲后的信噪比波成束的问题（这通称杂波成群的问题）。3.2超声波检测技术由于斜探头是人工操纵斜探头难以接收到焊缝中缺陷回波而造成漏检，特别是D区域局部二面角ψ变化范围是45°～15°之间，D区局部二面角ψ从最大45°逐步减小到15°时，为了检测出最小局部二面角ψ=15°节点焊缝中的缺陷它必须满足一定的几何边界条件，才能把该处焊接缝中缺陷检测出来，否则，探头接收不到缺陷波信号的反射，造成漏检，正如研究资料提出该方法的检测难点：曲率效应、底面回波、焊缝根部反射波和探伤不到的死区等，是斜探头超声检测自身缺陷。采取双晶聚焦直探头专门用来检测C、D区域焊缝，能够提高此区域缺陷的检测灵敏度，从根本上解决传统检测方法存在的问题，更加符合标准规范的要求，双晶聚焦直探头的形式见图3。该检测方法的工作原理：图5中元件1为左右两块压电晶片5a和5b的隔声层，2a和2b为两个对称的高频电缆（探头线）的接线柱（Q9型），由超声波检测仪的同步电路中L-C电路所产生的高频电振动通过高频导线4b直接作用到酷钛酸铅制成的5b压电晶片（PZT）上，使压电晶片产生同频率的形变（纵向伸长和横向收缩），从而产生一次机械振动。此时，把高频的电振荡转变为高频的机械振动，把电能转化为机械能。再通过延迟块6b借助于工件表面的耦合剂，使高频超声振动在被检测工件（焊缝）内部的传播过程中形成了超声波；超声波在工件中传播时，遇到不连续介质面，（缺陷或底面）被反射回来，经过压电晶片5a后被接收。由于5a压电晶片具有可逆压电效应，把接收到工件（焊缝）返回超声振动信号转化为同频率的电信号通过4a及品体正、反面导线及接线柱2a和高频电缆线传入到超声波检测仪器内被接收。仪器同时把接收到的电信号经过多级放大，最后以脉冲波的形式出现在超声波检测仪的荧光屏上，即可被超声检测人员观察到缺陷波，再根据缺陷波的位置和缺陷波幅高低，通过计算即可判断缺陷当量的大小和声程，从而完成了一次对焊缝检测的任务。由于工件（焊缝）中缺陷位置是未知的，各个焊缝中的缺陷大小和缺陷声程是千变万化的，为了把工件焊缝中的各种缺陷尽可能多的检测出来，必须克服对缺陷位于声压P极小值处的漏检问题。把声压P极大值和极小值点的位置移到探头内部的延迟块6b上，使超声束一进入被检测工件（焊缝）就在远场区范围内，克服了近场区中声压P极小点的位置处造成对焊缝中缺陷的漏检问题，这个问题在用斜探头进行检测时始终存在。4超声检测和反射波检测双晶聚焦直探头已经成功申报专利，利用本检测设施和方法开展特殊部位的焊接缺陷检测具有一定优势，无论对钢管网架结构或化工管道间的焊缝内在质量检测，能更好地满足标准的要求。(1）用双晶聚焦直探头解决了超声波检测中探伤近场区以内缺陷检出率低的问题，防止缺陷在声压P极小值处漏检问题。(2）用双晶聚焦直探头在进行焊缝检测，使超声束直接入射到焊缝上，能量集中，灵敏度高。目前可以检测出离探伤表面声程为1mm的φ1mm横孔缺陷，其反射波位置与始脉清晰可辨。(3）用双晶聚焦直探头，对T、Y、K形钢管相贯节点局部二面角在ψ15°～30°范围内焊缝，手持加长柄的双晶聚焦直探头完全可以检测到各种二面角的焊缝，克服单斜