浅析小径管对接焊接接头中影响超声检测缺陷检出率的因素及控制方法

鹿剑++唐飞阳亮

摘 要：压力管道是重要的工业设施，其质量对于整个装置乃至社会的安全非常重要。尤其是压力管道的焊接质量是影响管道质量的极其重要的因素。工业上常利用超声波替代射线进行检测。该文介绍了小径管对接焊接接头在超声检测中遇到的一些问题，并提出了解决方法。

关键词：压力管道 超声检测 小径管

中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（c）-0101-02

压力管道其主要作用是输送介质，除了常见的石油、天然气外，还有工业用气体。没压力管道的存在，装置和设备就无法正常运行。与其他特种设备相比压力管道有以下几方面的特点。

（1）管道是相对固定的。比如：埋地管道埋于地下，管道一般不会发生位移。

（2）输送的连续性。管道一旦建成、投产，一般情况下应连续运行。

（3）在役运行的管道队地面建筑或区域长期构成威胁，尤其是天然气、煤气等易燃气体管道，威胁程度更大。

通过上述分析，说明压力管道的质量对于整个装置乃至社会的安全是非常重要的。在整个管道系统中，必然会使用焊接来实现长距离传输以及传输方向的改变。焊接接头的存在会导致应力集中和应力腐蚀的问题。因此压力管道的焊接质量是影响管道质量的极其重要的因素。

在过去，管道焊接接头的质量主要采用射线方法进行检测，但是由于安装过程中管子有时密集排列，导致射线检测无法实施。为此人们利用超声波进行检测，相比射线检测，超声检测，是一种绿色检测手段，具有无辐射污染、检测速度快的特点。在射线检测无法实施的情况下可以对管道焊接接头进行检测。

对于大直径厚壁管对接焊缝，其超声波检测方法与平板对接焊缝无多大区别，而小直径薄壁对接焊缝的超声波检测就有其特殊性。导致小径管超声检测缺陷的检出率较低。

1 小径管对接焊缝超声波检测的影响因素

1.1 接触面的耦合不好与几何散射

小径管的曲率较大，一般探头楔块为平面，使得探头与管子的接触面就变小，在探头与管子没有接触良好的部位，晶片发出的超声波在管子外表面就会产生散射、折射和反射。此时超声波探头所发射的声波就不能完全进入工件中，从而导致声场强度大大降低，影响了探伤灵敏度，造成小缺陷的漏检和大缺陷评级的错误。

1.2 管子内壁的散射

钢管内表面为凸面，超声波在凸面折射会发生散射现象。内表面的散射现象和超声能量迅速衰减，回波杂乱，给缺陷的判定和定位带来困难，同时降低了检测灵敏度，易导致缺陷漏检。

1.3 壁厚和焊缝宽度的影响

小径管由于结构特点，它管壁薄、焊缝宽。使得一次波的主声束不易扫查到焊缝根部部位，如图1所示。

若采用三次波检测根部缺陷，由于声程变长会造成灵敏度降低，杂波信号多。加之内表面的散射现象，导致检测效果不尽人意。

2 小径管对接焊缝超声波检测探头的优选

2.1 探头晶片尺寸的选择

现场观察发现，晶片尺寸越大，则探头就越大，越易发生探头接触不良时发生的波形转换。所以为了避免这种现象的发生，应该选择较小的晶片尺寸。

但是，过小的晶片会增加工业制作的难度，提高成本。而且过小的晶片尺寸还会造成声场强度的降低。与此同时，由于钢管内表面为凸面，超声波在凸面折射会发生散射现象，声束越宽散射现象越明显。

根据声波的半扩散角理论公式（式中λ为超声波的波长；为晶片尺寸）也可以看出，要想得到较窄的波束宽度，应该选择较大的晶片尺寸。

通过对目前市场上常见晶片尺寸超声探头的对比试验我们发现6 mm2×6 mm2的晶片尺寸的检测效果最好。

2.2 探头前沿长度的选择

探头前沿是指超声探头发射的超声进入被检工件的入射点距离探头前面的距离。探头前沿的存在会造成压电晶片无法靠近焊缝边缘，直接影响超声检测一次波的覆盖范围，如图2所示。

所以较小的探头前沿能有效地提高一次波覆盖范围，而一次波在超声检测中十分重要。这是因为，虽然一次波無法覆盖的范围可以通过二次波乃至三次波进行检测，但是由于超声波倾斜入射在不同介质的时候会发生波形转换，多种波形的同时存在，会在超声检测仪上显示为多个信号，增加操作人员对缺陷信号判读的困难；同时由于传播距离的增加超声波会发生衰减和扩散，导致超声波能量的减少，缺陷回波降低，这些都不利于超声检测和发现缺陷。

由于制造工业技术的原因，探头前沿是无法消除的，但是国内目前的探头生产厂家已经可以将探头前沿的最小值控制在5 mm左右，因为在小径管对接焊接接头超声检测时，应严格控制这一探头参数。

2.3 探头K值大小的选择

在小径管对接焊接接头超声检测中，一般用一次、二次波检测效果最好。这是因减少了超声波在管子内、外壁的反射次数，从而减少声能的损失。与此同时还减少了多次反射造成的波形转换。

所以选择合理的K值，利用一、二次波进行检测，使横波声束能扫查到整个焊缝截面，避免缺陷漏检，提高缺陷的检出率。

如图3所示，用图中右侧探头进行检测，图中的阴影部分超声波就无法覆盖，造成缺陷漏检。由图分析可知，K 值越大，超声一次波的覆盖范围越大。但在实际工作中K3探头的检测效果并不如人意，这是因为声束存在半扩散角的原因。

钢中横波声速Cs=3 230 m/s，有机玻璃中纵波声速CL=2 730 m/s，当探头K值等于3时，如图4所示。

由于半扩散角的存在，超声波声束存在一个上声束边缘和下声束边缘，通常超声探头所表明的K值是声束中心的数值，通过计算我们得到上声束边缘的K上值和下声束边缘的K下值。

由此可见，超声波声束上边缘K值远大于3，会产生严重的表面波，干扰对缺陷的正确判定，从而导致缺陷检出率的降低。因此在检测工作中应选择K值为2.5的探头。

2.4 探头频率的选择

小径管的壁厚一般在3～6 mm，在频率选择时可不考虑声场的衰减。为了提高分辨率，应选择频率较高的探头，如，7.5 MHz的超声探头。

3 现场检测应用

2015年11月笔者应委托方要求对某电厂1#炉炉管对接焊接接头进行质量抽检。工件规格为Φ60×5 mm；选择DL-1型小管焊缝专用试块进行仪器-探头调校；探头参数：6 mm×6 mm，K2.5，前沿4 mm，频率7.5 MHz。

现场共检测48道对接焊接接头，为了保证能够完成横波三次波扫查，要求对接焊接接头两侧进行打磨处理，打磨宽度50 mm。检测过程中特别注意观察一次波对对接焊接接头根部的扫查。

检测过程中发现6道对接焊接接头存在超标缺陷，现场进行射线检测复验，同时进行打磨处理。通过3种方法的相互验证，我们采用的这种小晶片尺寸、小前沿、较大K值、高频率的探头进行小径管超声检测效果较好，可以解决小径管超声检测中遇到的问题，提高缺陷的检出率，进行工业应用。

4 新检测技术的替代应用

随着近几年计算机技术的发展，超声相控阵技检测技术的工业应用范围越来越广、效果越来越好，目前配备工件模拟成像，小径管专用探头和专用扫查器的相控阵检测仪在小径管对接焊接接头的检测工作中已经广泛应用，并能够获得较高的缺陷检出率。

参考文献

[1] 陈豫杰，熊芳斌.浅谈小径管超声波探伤[J].中国新技术新产品，2011（13）：5.