薄壁長輸管道超聲波檢測方法的可靠性分析

薄壁長輸管道超聲波檢測方法的可靠性分析

鎮(zhèn)海國際機(jī)場的原油長距離輸送是全省第一根長距離輸送管道，全長153公里，直徑355mm，厚6.4mm。SYJ04001—1990《長輸管道線路工程施工及驗收規(guī)范》及設(shè)計施工圖樣規(guī)定,整條管道所有對接焊縫應(yīng)進(jìn)行100%超聲波檢測,另加10%射線抽檢。我們知道,對于薄壁管道對接焊縫,射線檢測是比較成熟的檢測方法,對于壁厚<8mm的管道對接焊縫超聲波檢測方法的可靠性還沒有得到普遍認(rèn)同。本文通過一系列模擬試樣的實驗,從實踐和理論兩方面探討和分析了厚度為6.4mm薄壁長輸管道超聲波檢測方法的可靠性,并從現(xiàn)場探傷中對其可靠性進(jìn)行驗證。1坡口、焊接接頭檢測對象為長輸管道對接焊縫;材料為L290;管子內(nèi)徑為?355mm;壁厚為6.4mm;坡口為Ⅴ型;采用手工電弧焊(下向焊);焊條為纖維素型焊條,型號E6041,直徑?3.2和4mm;焊接接頭見圖1。檢測標(biāo)準(zhǔn)用SY4065—1993《石油天然氣鋼質(zhì)管道對接焊縫超聲波探傷及質(zhì)量分級》。2探傷的選擇和參數(shù)影響超聲波檢測可靠性的因素很多,既有探傷人員的技術(shù)、理論水平和心理狀況的影響,又有探傷儀系統(tǒng)和環(huán)境等影響。實際探傷大多是在人員和儀器確定、環(huán)境難以改變的條件下進(jìn)行的,可供選擇的只有探頭參數(shù)(前沿距離、晶片尺寸和形狀、頻率及K值等)。下面就根據(jù)產(chǎn)品模擬試樣的探傷結(jié)果和理論分析,結(jié)合SY4065—1993標(biāo)準(zhǔn),選擇合適的超聲波檢測探頭參數(shù)。2.1接頭頻率選擇探頭頻率的高低對探傷有較大影響。對于薄壁管對接焊縫超聲波探傷,如何區(qū)別輪廓反射波和缺陷反射波是探傷成敗的關(guān)鍵,由此應(yīng)選擇分辨力好頻率高的探頭,但在探頭晶片至入射點距離不可能很遠(yuǎn)的情況下,為盡量減少進(jìn)入工件的近場長度,探頭頻率又不宜太高,SY4065—1993標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定探頭的頻率范圍為4～5MHz,實際探傷時,選擇5MHz的探頭為宜。為驗證探頭頻率選擇的正確性,我們分別用5和2.5MHz的探頭對靠近內(nèi)表面的?1mm×6mm的短橫孔進(jìn)行檢測,其檢測結(jié)果分別見圖2a和b。可見,5MHz探頭對近表面缺陷的檢測靈敏度和分辨力比2.5MHz探頭要好。2.2探傷前k值接頭類型的選擇探頭K值選擇應(yīng)從三方面考慮,即①使聲束能掃查到整個焊縫截面。②使聲束中心線盡量與主要危險性缺陷垂直。③保證有足夠的探傷靈敏度。為保證能掃查到整個焊縫截面,K值必須滿足K≥a+b+l0T(1)Κ≥a+b+l0Τ(1)式中a——上焊縫寬度的一半b——下焊縫寬度的一半l0——探頭前沿距離T——工件厚度我們對焊工考試用的管子對接焊縫進(jìn)行測量,a≈12mm,b≈6mm,管子壁厚為6.4mm,對晶片前沿為6mm的探頭,根據(jù)式(1),其K值應(yīng)>2.34。SY4065—1993標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對于管壁厚度為5～8mm焊縫探傷,探頭K值范圍為2.5～3。試驗時發(fā)現(xiàn)K2.5探頭比其它K值探頭雜波要少,因此,在實際探傷中,一般宜選用K2.5探頭。管子單面焊有時會產(chǎn)生根部未焊透,其反射特征與端角反射相似,為驗證各種K值探頭對根部未焊透缺陷的檢測靈敏度,我們用SRB試塊矩形槽作為反射體,測得各種K值探頭的反射波幅值(表1)。由此可見,根部未焊透用K1探頭進(jìn)行直射法或二次反射法掃查探測靈敏度最高,K>1.5的探頭靈敏度較低,可能引起漏檢。在實際探傷時,如發(fā)現(xiàn)類似根部未焊透的反射波形,最好用K1探頭進(jìn)行驗證。2.3探傷材料的尺寸探頭晶片尺寸的選擇首先取決于前沿長度的要求,對于K2.5探頭,為保證掃查到整個焊縫截面,根據(jù)式(1),可求得其前沿長度≤7mm,一般要求在6mm左右,這就需要選用小晶片探頭,而且晶片尺寸小,可減小探頭近場區(qū)長度,與曲面耦合效果好;但晶片尺寸也不宜太小,以免聲束指向性變差,超聲波探傷效率下降。實際探傷時,一般選用6mm×6mm或6mm×9mm兩種規(guī)格的晶片。3超聲波檢測的可靠性研究3.1試塊的制作和顯微結(jié)構(gòu)試驗采用CTS-22型超聲波探傷儀;探頭為5P6×6K2.5,實測K值2.5,前沿長度6mm,必要時用5P6×6K1探頭對根部未焊透進(jìn)行復(fù)驗,探頭曲率應(yīng)與被檢管子相同;試塊型號為SGB-5和SRB;耦合劑為化學(xué)漿糊;探傷靈敏度為?2mm×20mm-14dB;耦合補(bǔ)償3～4dB。3.2試樣同深度孔計數(shù)為研究薄壁管對接焊縫沿厚度方向分布缺陷超聲波檢測的可靠性,我們將焊工考試用的管試樣切割成20塊模擬試樣,并在試樣側(cè)面的對接焊縫中心線上加工一系列不同深度的人工孔,人工孔試樣的規(guī)格見圖3。人工孔尺寸為?1mm×6mm,深度h分別為0,1,2,3.2,4.4,5.4和6.4mm,所有試樣同深度孔的總數(shù)均為10個。我們用3.1節(jié)規(guī)定的探傷條件對所有試樣的人工孔進(jìn)行檢測,對波幅超過評定線靈敏度且可分辨和清晰可見的人工孔缺陷反射回波才作記錄,所有試樣人工孔的檢測結(jié)果見表2,其沿板厚方向分布缺陷的超聲波檢測可靠性可用一定深度的人工孔缺陷的檢出幾率R來表示R=檢出的深度h人?孔數(shù)量深度h人?孔總數(shù)(2)R=檢出的深度h人?孔數(shù)量深度h人?孔總數(shù)(2)從表2可見,在板厚方向中部附近的人工孔差不多都可以檢出,離表面越近的人工孔檢出得越少,檢出幾率越小,可靠性越差,這說明超聲波探傷的可靠性受人工孔沿厚度方向分布的影響很大。然而實際探傷中缺陷情形復(fù)雜得多,缺陷的尺寸、形狀和性質(zhì)不同,密集或單個出現(xiàn)都會對探傷可靠性產(chǎn)生影響,但其沿厚度方向的分布對探傷可靠性的影響類似于人工孔。因此,在用超聲法檢測薄壁管對接焊縫時,必須了解缺陷的分布情況(特別是厚度方向),它直接關(guān)系到超聲波檢測結(jié)果的可靠性。3.3焊接工藝不良由于長輸管道對接焊縫采用手工向下施焊,在自重力等作用下會在根部形成焊瘤和內(nèi)凹缺陷;焊接工藝不良也會產(chǎn)生未焊透、未熔合和裂紋等缺陷。因此,管子焊縫根部超聲波檢測時會出現(xiàn)焊瘤、內(nèi)凹、未焊透、未熔合及裂紋等缺陷反射波。此外,還會在根部附近出現(xiàn)氣孔、夾渣及燒穿等缺陷反射波,能否區(qū)分這些反射波是薄壁管對接焊縫超聲波檢測可靠與否的關(guān)鍵。3.3.1焊縫表面類型焊瘤反射波的特點是波形尖銳,波幅很高,探頭前后移動時波的動態(tài)包絡(luò)線較寬,有時還會產(chǎn)生變型波,變型波在焊瘤反射波后面始終保持一定距離,約等于壁厚的0.55倍聲程,用沾油的手指拍打焊縫表面可以區(qū)分變型波和缺陷波。另外,焊瘤反射波的聲程略>0.5倍跨距聲程,從兩側(cè)探傷,其水平位置著落點相互交叉,其重疊的水平距離約等于焊瘤寬度;其特征波形見圖4a,圖4b和c是分別從左側(cè)和右側(cè)探傷時示波屏上出現(xiàn)的焊瘤反射波。3.3.2內(nèi)凹反射波的特征波形內(nèi)凹是一個圓弧形的曲面,對超聲波來說它是一個凸面,反射波是發(fā)散的,波幅較低(一般在定量線靈敏度以下),內(nèi)凹反射波的聲程接近或略<0.5倍跨距聲程,從兩側(cè)探傷,其水平位置著落點相距約3～4mm,其特征波形見圖5a,圖5b和c是分別從左側(cè)和右側(cè)探傷時示波屏上出現(xiàn)的內(nèi)凹反射波。3.3.3非焊透反射波波幅的變化超聲波探測未焊透時會產(chǎn)生很強(qiáng)的端角反射,其波幅較高,探頭垂直于焊縫移動時,波形較穩(wěn)定,轉(zhuǎn)動或擺動探頭時,波形消失較快,未焊透反射波的聲程接近0.5倍跨距聲程,從兩側(cè)探傷,其水平位置著落點相距一定距離,約等于對口間隔,區(qū)別未焊透反射波最好的辦法是用K1探頭進(jìn)行復(fù)驗,其波幅顯著提高;未焊透反射波特征波形見圖6a,圖6b和c是分別從左側(cè)和右側(cè)探傷時示波屏上出現(xiàn)的未焊透反射波。3.3.4表面位置對反射波幅的影響探測根部未熔合時,在未熔合側(cè)有很強(qiáng)的端角反射,且波幅較高,其水平位置在焊縫中心線以內(nèi),從另一側(cè)探傷,波幅相對較低,其水平位置在焊縫中心線以外,從兩側(cè)探傷時,缺陷波在水平位置上基本重合或相距很近,用K1探頭在未熔合側(cè)復(fù)驗,其反射波幅顯著提高,在另一側(cè)則變化不大;未熔合反射波特征波形見圖7a,圖7b和c是分別從左側(cè)和右側(cè)探傷時示波屏上出現(xiàn)的未熔合反射波。3.3.5缺陷波的部位裂紋是焊縫中最危險的缺陷,多產(chǎn)生于根部某側(cè)熔合線位置,與未熔合反射波類似,不同之處在于裂紋表面曲折、不光滑,反射波波腳較寬且常出現(xiàn)多峰現(xiàn)象,探頭平行于焊縫移動時,波峰有起伏,從兩側(cè)探傷時有較好的對稱性,波形相似,缺陷波在水平位置上基本重合;裂紋反射波特征波形見圖8a,圖8b和c是分別從左側(cè)和右側(cè)探傷時示波屏上出現(xiàn)的裂紋反射波。3.3.6缺陷位置太近表面探測根部附近的氣孔和夾渣等缺陷時,缺陷反射波一般出現(xiàn)在焊道輪廓波之前,如缺陷位置太靠近表面,焊道輪廓波會湮沒缺陷波,造成缺陷難以檢出,根部附近的氣孔和夾渣等缺陷的波幅較低,兩側(cè)探傷時波幅也不一致;其反射波特征波形見圖9a,圖9b和c是分別從左側(cè)和右側(cè)探傷時示波屏上出現(xiàn)的靠近根部的人工孔反射波。4超聲探傷與射線復(fù)驗的比較通過上述薄壁管道對接焊縫超聲波檢測可靠性的分析和研究,我們對上虞至蕭山段的長輸管道對接焊縫進(jìn)行超聲波復(fù)查,并對超聲波探傷有缺陷或有疑問的焊縫進(jìn)行射