薄壁長輸管道超聲波檢測(cè)方法的可靠性分析

薄壁長輸管道超聲波檢測(cè)方法的可靠性分析

鎮(zhèn)海國際機(jī)場(chǎng)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(yàn)收規(guī)范》及設(shè)計(jì)施工圖樣規(guī)定,整條管道所有對(duì)接焊縫應(yīng)進(jìn)行100%超聲波檢測(cè),另加10%射線抽檢。我們知道,對(duì)于薄壁管道對(duì)接焊縫,射線檢測(cè)是比較成熟的檢測(cè)方法,對(duì)于壁厚<8mm的管道對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)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(shí)驗(yàn),從實(shí)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(cè)方法的可靠性,并從現(xiàn)場(chǎng)探傷中對(duì)其可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。1坡口、焊接接頭檢測(cè)對(duì)象為長輸管道對(duì)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(hào)E6041,直徑?3.2和4mm;焊接接頭見圖1。檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)用SY4065—1993《石油天然氣鋼質(zhì)管道對(duì)接焊縫超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)》。2探傷的選擇和參數(shù)影響超聲波檢測(cè)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(shí)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(cè)探頭參數(shù)。2.1接頭頻率選擇探頭頻率的高低對(duì)探傷有較大影響。對(duì)于薄壁管對(duì)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(diǎn)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(chǎng)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(shí)際探傷時(shí),選擇5MHz的探頭為宜。為驗(yàn)證探頭頻率選擇的正確性,我們分別用5和2.5MHz的探頭對(duì)靠近內(nèi)表面的?1mm×6mm的短橫孔進(jìn)行檢測(cè),其檢測(cè)結(jié)果分別見圖2a和b?？梢?5MHz探頭對(duì)近表面缺陷的檢測(cè)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(gè)焊縫截面。②使聲束中心線盡量與主要危險(xiǎn)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(gè)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(duì)焊工考試用的管子對(duì)接焊縫進(jìn)行測(cè)量,a≈12mm,b≈6mm,管子壁厚為6.4mm,對(duì)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(duì)于管壁厚度為5～8mm焊縫探傷,探頭K值范圍為2.5～3。試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)K2.5探頭比其它K值探頭雜波要少,因此,在實(shí)際探傷中,一般宜選用K2.5探頭。管子單面焊有時(shí)會(huì)產(chǎn)生根部未焊透,其反射特征與端角反射相似,為驗(yàn)證各種K值探頭對(duì)根部未焊透缺陷的檢測(cè)靈敏度,我們用SRB試塊矩形槽作為反射體,測(cè)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(cè)靈敏度最高,K>1.5的探頭靈敏度較低,可能引起漏檢。在實(shí)際探傷時(shí),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(yàn)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(duì)于K2.5探頭,為保證掃查到整個(gè)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(chǎng)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(shí)際探傷時(shí),一般選用6mm×6mm或6mm×9mm兩種規(guī)格的晶片。3超聲波檢測(cè)的可靠性研究3.1試塊的制作和顯微結(jié)構(gòu)試驗(yàn)采用CTS-22型超聲波探傷儀;探頭為5P6×6K2.5,實(shí)測(cè)K值2.5,前沿長度6mm,必要時(shí)用5P6×6K1探頭對(duì)根部未焊透進(jìn)行復(fù)驗(yàn),探頭曲率應(yīng)與被檢管子相同;試塊型號(hào)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(jì)數(shù)為研究薄壁管對(duì)接焊縫沿厚度方向分布缺陷超聲波檢測(cè)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(duì)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(gè)。我們用3.1節(jié)規(guī)定的探傷條件對(duì)所有試樣的人工孔進(jìn)行檢測(cè),對(duì)波幅超過評(píng)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(cè)結(jié)果見表2,其沿板厚方向分布缺陷的超聲波檢測(cè)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(shí)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(gè)出現(xiàn)都會(huì)對(duì)探傷可靠性產(chǎn)生影響,但其沿厚度方向的分布對(duì)探傷可靠性的影響類似于人工孔。因此,在用超聲法檢測(cè)薄壁管對(duì)接焊縫時(shí),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(cè)結(jié)果的可靠性。3.3焊接工藝不良由于長輸管道對(duì)接焊縫采用手工向下施焊,在自重力等作用下會(huì)在根部形成焊瘤和內(nèi)凹缺陷;焊接工藝不良也會(huì)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(cè)時(shí)會(huì)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(huì)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(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)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(diǎn)是波形尖銳,波幅很高,探頭前后移動(dòng)時(shí)波的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線較寬,有時(shí)還會(huì)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(diǎn)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(shí)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(gè)圓弧形的曲面,對(duì)超聲波來說它是一個(gè)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(diǎn)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(shí)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(cè)未焊透時(shí)會(huì)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(dòng)時(shí),波形較穩(wěn)定,轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)探頭時(shí),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(diǎn)相距一定距離,約等于對(duì)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(yàn),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(shí)示波屏上出現(xiàn)的未焊透反射波。3.3.4表面位置對(duì)反射波幅的影響探測(cè)根部未熔合時(shí),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(duì)較低,其水平位置在焊縫中心線以外,從兩側(cè)探傷時(shí),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(yàn),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(shí)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(xiǎn)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(dòng)時(shí),波峰有起伏,從兩側(cè)探傷時(shí)有較好的對(duì)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(shí)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(cè)根部附近的氣孔和夾渣等缺陷時(shí),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(huì)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(shí)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(shí)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(yàn)的比較通過上述薄壁管道對(duì)接焊縫超聲波檢測(cè)可靠性的分析和研究,我們對(duì)上虞至蕭山段的長輸管道對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲波復(fù)查,并對(duì)超聲波探傷有缺陷或有疑問的焊縫進(jìn)行射