蒸汽管道超声波无损检测焊缝缺陷的分析

陈晨

中国石油大港油田检测监督评价中心锅炉压力容器检验所(天津300280)

蒸汽管道超声波无损检测焊缝缺陷的分析

陈晨

中国石油大港油田检测监督评价中心锅炉压力容器检验所(天津300280)

介绍了如何依据管道焊缝缺陷评定规范对缺陷进行判定以及分析处理。通过此管道超声波检测的工艺和方法，在检测过程中发现所检管道直管与弯头对接焊缝中存在大量线性缺陷和点状缺陷，外观检测中发现了严重错边、坡口形式选用不当、不等厚对接焊接等问题。基于上述缺陷和问题结合文献、标准对缺陷成因进行分析，总结了母材为10CrMo的蒸汽管道焊接方法与工艺，以及超声波检测中发现线性缺陷的方法。

蒸汽管道;超声波无损检测;缺陷成因

2014年8月受某热电公司委托对其蒸汽管道焊缝进行超声波无损检测。被检部位是管道弯头与直管的对接焊缝，此焊缝为手工焊，在检测过程中发现焊缝存在大量缺陷，利用焊接规范和检测标准，对缺陷的成因进行分析，达到指导焊接和检测工作的目的。

1 被检管道的情况说明

被检管道名称为1#机主蒸汽管道，该管道于2008年9月投入使用，使用压力10MPa，温度450℃，材质为10CrMo，规格为Φ273mm×32mm，使用超声波检测其壁厚，直管厚32mm，弯头厚36mm。在该管道停工维护期间进行超声波无损检测，检测部位是直管与弯头的对接焊缝。检验前，将焊缝部位打磨至金属光泽，在查阅该管道的制造安装资料时，发现缺少该管道焊接工艺的记录，缺少焊接工艺记录不利于焊缝缺陷的成因评价。运用检验标准、焊接规范对检测中发现的问题进行评价，能够准确地分析缺陷成因。

2 检测设备和工艺的选择

2.1 根据被检管道的规格选择试块与探头

所检管道外径为273mm，半径R为136.5mm，探头接触面宽度W为13mm，则W2/4=42.25，检测面曲率半径R＞W2/4时，可采用平面对比试块调节仪器。管道厚32mm，厚度适中，时基线可按深度1:1调节。由于弯头部分的限制，不能从弯头侧进行扫查，应采用两种不同K值(焊头的斜率)的探头在直管侧分别进行扫查，再考虑探头要适合管道厚度，最终选择K=2、K=2.5两种探头比较合适。

2.2 确定扫查灵敏度和扫查方式

检测用的超声波探伤仪型号为HS611e，使用CSK-IA、CSK-IIIA试块调校仪器，分别制作K=2和K=2.5两种K值探头的距离-波幅曲线，该曲线由评定线、定量线和判废线组成。检测灵敏度：Φ1×6-9dB;评定线：Φ1×6-9dB;定量线：Φ1×6-3dB;判废线：Φ1×6+5dB。表面补偿6dB，对焊缝进行100%扫查，合格等级定为Ⅰ级合格。扫查方式见扫查示意图(图1)。

3 超声波检测中缺陷的检出方法及类型识别

3.1 超声波检测中识别缺陷类型

在超声波检测中，缺陷的类型是指缺陷是点状、线状、体积状、平面状或是多重缺陷。识别缺陷的类型是估判其性质的前提和基础。如线状缺陷有明显的指示长度，但不易测出其断面尺寸，线状夹渣、线状未焊透或线状未熔合均属这类缺陷。这类缺陷在长度上也可能是间断的，如链状夹渣、断续未焊透和断续未熔合[1]。

3.2 超声波检测中线状缺陷的检出方法

1)在扫查时先使用锯齿状扫查，发现回波高度超过定量线时，使用转动和环绕扫查，观察回波高度先找到最高波。

2)在出现最高波的位置沿焊道平行方向进行扫查，判断缺陷是否是线状缺陷，并且判断其是连续的线状缺陷还是断续的线状缺陷。若是连续的线状缺陷其回波高度基本保持不变;若是断续的线状缺陷在缺陷长度方向上，波高会有明显降落，此时在明显断开的位置附近作转动和环绕扫查，如观察到在垂直方向附近波高迅速降落，且无明显的二次回波，则证明缺陷是断续的。

3)回到出现最高波位置扭动探头方向扫查，判断缺陷断面是圆柱形或是平面状。若是圆柱形断面缺陷，声术垂直于缺陷纵轴时，作声轴距离修正，回波高度变化较小;若是平面状断面缺陷，从不同方向、角度检测时，回波高度在与缺陷平面垂直方向应有明显降落。以此估判此缺陷的类型和性质。

3.3 超声波检测线状缺陷与点状缺陷的区分方法

在进行环绕扫查时，线性缺陷的最大反射波幅度呈不规则的起伏变化，点状缺陷的回波十分尖锐，且波幅下降很快[1]。图2中，虚线展示了在探头进行环绕扫查时反射波波幅的变化情况，如图2(a)所示反射波呈现不规则的起伏，探头环绕移动时反射波随之起伏变化，出现此类反射波的缺陷为线状缺陷;如图2(b)所示反射波呈现尖锐变化，探头环绕移动时反射波突然消失或突然出现，出现此类反射波的缺陷为点状缺陷。

4 超声波无损检测结果

在1#机主蒸汽管道(4.5m)处编号为H1至H7的7道焊缝发现缺陷，缺陷反射波波高在判废线以上，如图2中显示的缺陷回波连续出现，缺陷埋藏深度普遍在25～32mm深处，缺陷长度从26mm到40mm不等，缺陷位置为焊缝底部，以线状缺陷为主，伴有部分点状缺陷，估判其主要缺陷为未熔合缺陷，缺陷评级为Ⅲ级。并且，在外观检查过程中，使用焊缝测量尺测量该管道对接焊缝的错边量，最大处达到5mm，超出标准要求。图3为缺陷位置示意图。

5 焊缝缺陷成因分析

5.1 分析材质特性

所检管道的材质为10CrMo耐热钢，属于合金钢，具有一定的淬硬倾向，易产生焊接冷裂纹，焊接前必须预热，焊后进行热处理。接头型式及坡口尺寸应在保证良好融合的情况下，填充金属越少越好[2]。

5.2 分析不等厚对接接口的加工问题

对不等厚对接接口应当进行加工，避免产生错边，从而避免缺陷的产生。所检管道直管壁厚为32mm，弯头与直管对接部位壁厚为36mm，属于不等厚对接焊接。在进行不等厚对接焊接时，管子组对质量，不仅直接影响焊工的操作，也是保证焊接质量的重要因素。管子内壁应齐平，防止错口，造成根部未焊透，必须采用专用对口夹具[3]。外壁尺寸不相等的不等厚对接焊件坡口加工如图4所示。

所检管道弯头壁厚δ2=36mm直管壁厚δ1= 32mm，δ2-δ1=4mm，应当采用图4中(a)所示的坡口加工方法，对粗管径的弯头接口外壁进行修磨过度。而所检管道接口未进行坡口加工，直接使用不等厚的接口对接，导致了严重的错边，使焊接质量下降。

此管道对接焊缝的错边量最大处达5mm，已经超出了DL/T 869-2012《火力发电焊接技术规程》中规定的“对接单面焊的局部错口值不应超过壁厚的10%且不大于1mm”[4]。错边量越大，焊接时越容易产生未焊透，如果存在未焊透，不仅会影响焊接接头的性能，而且在管道使用过程中容易形成应力集中，缩短管道使用寿命[5]。在所检焊缝中的线性缺陷中紧贴焊缝底部的缺陷应为未焊透，这里的未焊透是由严重的内壁错边引起的。

5.3 分析坡口型式与角度的选择问题

在DL/T 869-2012《火力发电焊接技术规程》中规定了焊件组对时推荐的坡口形式与尺寸：当壁厚t≤16mm时，采用V型坡口，坡口角度30。～35。;当壁厚为16mm＜t≤60mm时，采用U型坡口，坡口面角10。～15。[4]。此压力管道直管壁厚为32mm，已经超过了V型坡口的适用壁厚，但是在设计安装过程中仍采用了V型坡口。坡口的型式和尺寸选择不正确，有可能增加焊接应力和变形，或产生缺陷。焊接时，由于坡口角度小，再加上焊前未将坡口清理干净，焊接电流过小，熔渣来不及浮起容易产生夹渣或夹杂物。所检管道中存在的点状缺陷应为夹渣、夹杂物。

5.4 分析焊接前焊道清理的问题

在所检管道焊缝中存在未熔合、夹渣、夹杂物，缺陷的深度距离外壁25mm至32mm，这个位置大致处于封底焊缝上表面靠直管坡口一侧，所以推断这些缺陷的形成是在进行封底焊接之后，没有对坡口及封底焊缝进行清理，坡口或焊缝上存在杂质，在进行层间焊过程中，这些杂质被赶到坡口侧面，影响了焊道与坡口之间、焊道与焊道之间的熔合，进而产生了未熔合、夹渣、夹杂物这些缺陷。

5.5 综合以上分析判断管道焊缝缺陷的成因

1)通过分析，所检焊缝中线状缺陷大部分在层间位置的缺陷是未熔合，有一小部分在焊缝底部的是未焊透;点状缺陷为夹渣、夹杂物。

2)未熔合，产生原因是坡口不干净，熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间由于杂质的存在未能完全溶化结合。

3)未焊透，产生原因是，管道直管与弯头不等厚对接没有采取修磨措施，组对质量差引起严重的错边，焊接过程中内错边部分不能焊透。

4)夹渣和夹杂物，产生原因是被焊边缘和各层焊缝清理不干净，焊道中残留非金属杂质或者熔渣，加上坡口选择角度过小，进行层间焊时杂质及熔渣来不及浮起，留在焊缝中产生缺陷。

6 结论

在压力管道无损检验工作中发现缺陷应当结合焊接规范和检测标准进行分析，了解缺陷成因，积累检验经验并有目的地指导焊接和检测工作，以提高焊接和检测的工作质量，达到加强压力管道焊接质量控制的目的。

[1]JB/T 4730.3-2005承压设备无损检测第3部分：超声检测[S].

[2]沈松泉，黄振仁，顾竟成.压力管道安全技术[M].南京：东南大学出版社，2000.

[3]郝建.压力管道焊接质量控制分析[J].中国新技术新产品，2010(24)：48.

[4]DL/T 869-2012火力发电焊接技术规程[S].

[5]屠俊.直缝大口径蒸汽管道焊缝缺陷解剖及评估[J].化工设备与管道，2004(1)：25-28.

How to judge pipeline defects and analyze and deal with the defects according to pipeline weld defect assessment specification is introduced.Through this pipeline ultrasonic testing technology and method，a lot of linear defects and point defects are found in the butt weld of straight pipe with elbow，and serious butt-joint displacement，improper groove type selection，unequal thickness butt welding and other problems are found in the appearance inspection of the pipeline.The forming causes of the defects and the problems above are analyzed according to literatures and standards，and the welding method and technology steam pipe of parent material 10CrMo，as well as the method of finding linear defects in ultrasonic testing are proposed.

steam pipeline;ultrasonic nondestructive testing;defect formation reason

左学敏

2015-03-06

陈晨(1987-)，男，助理工程师，现主要从事无损检测方面的工作。