焊縫超聲波檢測技術的新突破

焊縫超聲波檢測技術的新突破

管道和管道之間的連接結構通常采用焊接形式。焊接質量主要取決于焊接過程的工藝控制和操作水平，但檢測方法的選擇是質量控制的重要因素。根據(jù)這項工作的實踐，對這種焊接結構、焊接形式和損傷檢測方法進行了分析，并介紹了自主開發(fā)的雙晶聚焦直勘探、直勘探和其他檢測優(yōu)勢。1管與管之間連接結構鋼管相貫連接形式通常體現(xiàn)在鋼管網架和化工單元設備的管道布置。鋼網架結構主要是用不同直徑不同壁厚的鋼管與鋼管焊接、鋼管與空心鋼球、鋼管與鋼板等焊接而成。正如標準中描述的圓管相貫節(jié)點形式，對于通常采取的主管和支管焊接組成的結構，支管直接搭接在主管上形成橢圓形式的相貫結合面或結合線，主管的搭接部位一般不開設孔槽，支管的管口部位通常不開設坡口，隨著主管與支管之間中線夾角的變化以及支管在同一個焊接區(qū)域搭接支管的數(shù)量不同。在化工單元設備的管道（如公用管道、公用工程管道和儀表管道等）之間的連接，不同于鋼網架結構，主管與支管或者管道與主體設備之間采取開孔槽，并且管道的工況處于受熱受壓或腐蝕等因素影響，其焊接質量的要求往往更加嚴格。管與管之間連接結構，形成圖1的典型焊接形式。此種焊接結構所形成的焊縫，通常表現(xiàn)為不規(guī)則的橢圓形狀，由于焊接位置的變化和焊接操作難度，在管與管之間的夾角較小時，其缺陷出現(xiàn)的幾率就偏高，同時檢測時也有相應的難度。常見缺陷主要有：氣孔、夾渣、未熔透、未熔合、咬邊、裂紋等，氣孔、夾渣為常見缺陷，裂紋、未熔透、未熔合雖然不常見，但危害及其嚴重。鋼管網架的焊接質量主要滿足強度、剛度和柔性要求，對于化工管路的質量要求還要滿足工藝流程、作業(yè)工況、安全需要等要求，對于某些管道之間的焊縫甚至需要開展100%無損檢測。2傳統(tǒng)檢測方法分析按照標準所采用的超聲波檢測方法，利用單斜探頭來檢測這些橢圓形焊縫時，必須保持斜探頭發(fā)射主聲束方向與焊縫垂直，斜探頭的超聲束入射點所在平面與鋼管外圓面只有一條切線，這條切線必須在斜探頭的入射點位置，否則超聲束很難進入被檢測的鋼管管壁內部而是沿鋼管表面?zhèn)鞑?，造成鋼管相關節(jié)點焊縫表面反射波出現(xiàn)形成假象，往往誤判成缺陷波。基于化工或承壓設備特點，在執(zhí)行承壓設備無損檢測標準時，采取傳統(tǒng)的檢測方法同樣難以準確判斷焊縫的內部缺陷。特別是當主管與支管之間夾角較小時，對于不同的焊接部位所出現(xiàn)的缺陷幾率不完全相同，檢驗可靠性的選擇尤為重要，如圖2所示。圖2表明，主、支管軸線組成的平面與支管母線形成的沿支管圓周方向的角度為相貫角φ，主管軸線與支管軸線的夾角為交叉角θ，在與主、支管相貫線垂直的平面內，過相貫線上一點，主、支管切線之間夾角為局部二面角ψ，當斜探頭沿著橢圓形焊縫掃查到圖2中A、B、C、D不同區(qū)域時，局部二面角ψ時時都在變化，對同一個缺陷來說，斜探頭沿支管表面檢測與沿主管表面檢測焊縫時，由于主、支管壁厚不同，直徑D1和D2不相等，斜探頭入射點，缺陷聲程都是不同的，這一點給現(xiàn)場超聲檢測人員（往往是高空作業(yè)）對缺陷的判斷，帶來很大困難。按照此類結構設計與施工有關標準，同一個鋼管相貫點的局部二面角ψ分為A、B、C、D四個區(qū)域，如圖2所示，每個區(qū)域局部二面角ψ的變化范圍如表1所示，每個區(qū)域檢測難度和評判準確程度有差異。涉及到D區(qū)域的實際檢測，超聲波探傷儀器只能收到第3次聲程回波反射，第4次聲程反射回波高度（相同靈敏度下比較）已經很低，對于第5次第6次聲程回波即局部二面角ψ≤35°以下。只能說在理論上能接收到，實際檢測中很難收到，主要原因是切線耦合和凸面入射、反射、聲束發(fā)散影響造成的。3新檢測方法的研究和實踐3.1聲束入射的影響為了避免用斜探頭檢測鋼管相貫節(jié)點焊縫圖2中C、D區(qū)域焊縫缺陷發(fā)生漏檢現(xiàn)象，從以下三方面改進檢測方法。(1）改變超聲束的入射形式，把斜探頭發(fā)出的聲束經過的多次聲程后才能入射到焊縫上，改變?yōu)橐淮温暢倘肷涞胶缚p而不受局部二面角ψ大小影響。(2）改變超聲束在鋼管外表面凸面入射時聲束發(fā)散，變?yōu)槁暿劢?，增大入射聲能從而提高檢測靈敏度。(3）消除斜探頭近場區(qū)內聲束軸線上的聲壓P極大值和極小值的對檢測缺陷靈敏度影響，從而徹底解決了斜探頭始脈沖后的信噪比波成束的問題（這通稱雜波成群的問題）。3.2超聲波檢測技術由于斜探頭是人工操縱斜探頭難以接收到焊縫中缺陷回波而造成漏檢，特別是D區(qū)域局部二面角ψ變化范圍是45°～15°之間，D區(qū)局部二面角ψ從最大45°逐步減小到15°時，為了檢測出最小局部二面角ψ=15°節(jié)點焊縫中的缺陷它必須滿足一定的幾何邊界條件，才能把該處焊接縫中缺陷檢測出來，否則，探頭接收不到缺陷波信號的反射，造成漏檢，正如研究資料提出該方法的檢測難點：曲率效應、底面回波、焊縫根部反射波和探傷不到的死區(qū)等，是斜探頭超聲檢測自身缺陷。采取雙晶聚焦直探頭專門用來檢測C、D區(qū)域焊縫，能夠提高此區(qū)域缺陷的檢測靈敏度，從根本上解決傳統(tǒng)檢測方法存在的問題，更加符合標準規(guī)范的要求，雙晶聚焦直探頭的形式見圖3。該檢測方法的工作原理：圖5中元件1為左右兩塊壓電晶片5a和5b的隔聲層，2a和2b為兩個對稱的高頻電纜（探頭線）的接線柱（Q9型），由超聲波檢測儀的同步電路中L-C電路所產生的高頻電振動通過高頻導線4b直接作用到酷鈦酸鉛制成的5b壓電晶片（PZT）上，使壓電晶片產生同頻率的形變（縱向伸長和橫向收縮），從而產生一次機械振動。此時，把高頻的電振蕩轉變?yōu)楦哳l的機械振動，把電能轉化為機械能。再通過延遲塊6b借助于工件表面的耦合劑，使高頻超聲振動在被檢測工件（焊縫）內部的傳播過程中形成了超聲波；超聲波在工件中傳播時，遇到不連續(xù)介質面，（缺陷或底面）被反射回來，經過壓電晶片5a后被接收。由于5a壓電晶片具有可逆壓電效應，把接收到工件（焊縫）返回超聲振動信號轉化為同頻率的電信號通過4a及品體正、反面導線及接線柱2a和高頻電纜線傳入到超聲波檢測儀器內被接收。儀器同時把接收到的電信號經過多級放大，最后以脈沖波的形式出現(xiàn)在超聲波檢測儀的熒光屏上，即可被超聲檢測人員觀察到缺陷波，再根據(jù)缺陷波的位置和缺陷波幅高低，通過計算即可判斷缺陷當量的大小和聲程，從而完成了一次對焊縫檢測的任務。由于工件（焊縫）中缺陷位置是未知的，各個焊縫中的缺陷大小和缺陷聲程是千變萬化的，為了把工件焊縫中的各種缺陷盡可能多的檢測出來，必須克服對缺陷位于聲壓P極小值處的漏檢問題。把聲壓P極大值和極小值點的位置移到探頭內部的延遲塊6b上，使超聲束一進入被檢測工件（焊縫）就在遠場區(qū)范圍內，克服了近場區(qū)中聲壓P極小點的位置處造成對焊縫中缺陷的漏檢問題，這個問題在用斜探頭進行檢測時始終存在。4超聲檢測和反射波檢測雙晶聚焦直探頭已經成功申報專利，利用本檢測設施和方法開展特殊部位的焊接缺陷檢測具有一定優(yōu)勢，無論對鋼管網架結構或化工管道間的焊縫內在質量檢測，能更好地滿足標準的要求。(1）用雙晶聚焦直探頭解決了超聲波檢測中探傷近場區(qū)以內缺陷檢出率低的問題，防止缺陷在聲壓P極小值處漏檢問題。(2）用雙晶聚焦直探頭在進行焊縫檢測，使超聲束直接入射到焊縫上，能量集中，靈敏度高。目前可以檢測出離探傷表面聲程為1mm的φ1mm橫孔缺陷，其反射波位置與始脈清晰可辨。(3）用雙晶聚焦直探頭，對T、Y、K形鋼管相貫節(jié)點局部二面角在ψ15°～30°范圍內焊縫，手持加長柄的雙晶聚焦直探頭完全可以檢測到各種二面角的焊縫，克服單斜