环向对接接头超声检测灵敏度对比试验

2020-04-01罗俊勇张续顾雷潘跃宏

石油和化工设备 2020年3期

罗俊勇，张续，顾雷，潘跃宏

（乐山市特种设备监督检验所，四川乐山 614000）

本文讨论的环向对接接头是指外直径≥159～500mm、壁厚≥6mm的锅炉压力容器压力管道环向对接接头[1]。这类焊接接头不仅包括火电厂锅炉的大多数集箱、主蒸汽管道、再热蒸汽管道、主给水管道等，也涉及到石油和化工装置中大量的设备和管道系统。这些焊接接头的有效检测，对保障承压设备安全运行意义重大。

检测灵敏度对超声波检测的可靠性具有重要影响，用对比试块制作距离－波幅曲线是焊接接头超声波检测的前提。对比试块要考虑适用范围和系列化，对环向对接接头而言，由于被检对象尺寸多变，很难做到对比试块与被检对象曲率和厚度完全一致。为正确评价环向对接接头超声波检测结果，需要清楚环向对接接头超声波检测灵敏度的影响因素，研究不同检测条件下标准反射体的回波特性，评估误差可能的范围，以便对缺陷进行正确的定量和评级。

1 环向对接接头灵敏度影响因素分析

环向对接接头通常以斜探头在曲面工件外壁进行超声波检测。与平面对接接头比较，影响环向对接接头超声波检测灵敏度的因素还包括探头底面与工件曲率不一致而导致的耦合损失变大；超声波经过工件内壁反射后，径向进一步扩散，从而大大降低了二次波的超声检测灵敏度。环向对接接头超声波声场如图1所示。

图1 环向对接接头超声波声场

理论上讲，探头楔块平面与环向对接接头检测面之间为探头中心线接触，其他区域被耦合剂填充，耦合剂的厚度在曲面工件径向随着与探头中心的距离增大而变厚，探头边缘处为最大厚度d。随着耦合层增加，超声波通过效果总体变差，耦合层厚度为波长λ的1/4奇数倍时，回波高度出现极小值；耦合层厚度为波长λ的1/2整数倍或极小时，回波高度出现极大值。实际检测中，为了提高检测灵敏度，减少噪声干扰，总是希望耦合层厚度尽量小[2]。

检测面曲率半径增大，探头边缘与工件间隙d减少，耦合效果变好。对一具体的环向对接接头，减少超声波穿过耦合层的声能损失可以有两个基本方法，一是选择小晶片的探头减少间隙d；二是采用高声速的耦合剂和低频率的探头，使耦合介质的超声波波长增加，避免间隙d等于为1/4波长的奇数倍。

环向对接接头内弧凸曲面将导致超声波二次波声束有明显的发散。内弧面曲率和检测用探头影响二次波的发散程度。内弧面曲率半径减小，超声波在管子内表面覆盖范围增加，二次波声束扩散范围增大，进一步降低了二次波灵敏度。探头晶片尺寸、频率和折射角（K值）决定了超声场的指向性、扩散范围和声压分布等技术指标，也是影响超声波在内弧面发散程度的重要因素[3]。

环向对接接头的超声波检测灵敏度影响因素可以归纳为：检测面曲率半径减小，耦合损失增加，工件内弧面曲率半径越小，二次波灵敏度损失越大。小晶片探头有利于减少检测面耦合损失，但增大了声束扩散程度；低频探头有利于提高超声波耦合层通过能力，但使声束扩散程度增大。

由此可见，环向对接接头内外表面曲率半径是检测灵敏度的固有影响因素，探头参数的影响存在矛盾的两方面。检测焊接接头的超声波探头频率通常为2.5～5MHZ，晶片尺寸已系列化，环向对接接头检测可以进行量化试验。

2 试验方案

环向对接接头超声检测依据的标准是NB/T 47013.3-2015《承压设备无损检测第三部分超声检测》。NB/T 47013.3-2015附录K2.5、K2.6规定：“工件检测面的曲率半径应在对比试块的0.9～1.5倍范围内”，“试块与工件厚度相差不超过工件厚度的20%”

外直径≥159～500mm环向对接接头包括管子和卷制圆筒两种结构，普通钢管外径已系列化，在此范围常见的直径有：168、194、219、245、273、325、377、426。圆筒以内径为基准，常见的内径有：250、300、350、400、450、500……。每一种规格都制作对比试块不仅增加成本，也不方便现场检测携带。为适应多种规格的环向对接接头超声检测任务，按照NB/T 47013.3-2015的要求，考虑到尽量减少试块数量且能覆盖整个检测范围，确定环向对接接头对比试块的曲率半径为R90、R125和R180三种。

NB/T 47013.3-2015第1号修改单表K.1给出环向对接接头超声检测RB-C系列对比试块尺寸，并对横孔直径、横孔深度、试块厚度T和与之相适应的工件厚度t给出推荐值。为获得相近的声学特性，对比试块的材料、热处理状态和加工工艺均与CSK-ⅡA试块一致。对比试块外形尺寸偏差符合规定，标准反射体轴线应与试块两侧面垂直，孔径和长度偏差不超过±0.05mm，表面粗糙度不大于3.2μm[4]。由于缺陷评定按NB/T 47013.3-2015的6.3.14执行，为避免横孔长度不一致造成的灵敏度偏差，将试块的宽度尺寸确定为与CSK-ⅡA试块相同的40mm。对比试块由国内知名专业生产单位加工，并提供相应的质量证明文件，试块形状和尺寸如图2，参数如表1。

图2 RB-C对比试块形状和尺寸

表1 RB-C对比试块技术参数

本试验的目的是研究环向对接接头超声场特性，比较不同曲率半径对比试块标准反射体的回波差异。采用CSK-ⅡA试块制作标准反射体回波曲线作为与RB-C对比试块比较的基准。试验方案如下：选用检测工作中最常用频率为2.5MHz、5MHz，晶片尺寸为6×6、9×9，13×13，K值等于2的5只新探头进行试验，在试验前将对探头底面的平整情况进行确认。首先利用CSK-ⅡA对比试块，制作出φ2×40标准反射体的回波曲线（以下称为基准曲线），每一只探头保存在一个检测通道中。5只探头分别对本次试验的各对比试块进行测试，记录每一反射体与基准曲线的dB差。为尽量减少人为误差，由两组人员各自制作回波曲线，按照试验方案进行独立测试。

3 试验结果及分析

对比两组人员试验结果，对选定的探头，某一RB-C对比试块与CSK-ⅡA试块相同深度标准反射体回波差值基本相同，除最靠近检测面的φ2×40长圆孔外（这可能是该孔位于近场区，回波不稳定），回波差值波动范围小于2dB。一、二次波φ2×40长圆孔回波差值相比，二次波差值明显更大。在一、二次波深度范围内，RB-C对比试块与CSK-ⅡA试块标准反射体回波差值随深度不同略有差异，但波动范围并不大，基本不超过2dB。这说明环向对接接头与平面试件超声场有类似性质。以一、二次波回波差的平均值进行统计分析，部分对比试块的测试结果如表2。

表2 RB-C对比试块与CSK-ⅡA试块回波差单位：dB

分析测试结果可以发现，随着探头晶片尺寸的增加，φ2×40长圆孔回波差值随之增加；随着曲率半径的增加，φ2×40长圆孔回波差值随之减少。按照NB/T 47013.3-2015，R90、R125和R180的对比试块适用的检测对象有一定的重叠，如R90和R125对比试块均可用于外径245的管子环向对接接头，R125和R180对比试块可用于外径325的管子环向对接接头。比较测试数据，选用同样符合标准规定的RB-C对比试块，曲率半径越小，壁厚越大，检测结果的不一致就更明显。R90与R125厚度30的对比试块，5MHZ 6×6 K2探头，二次波相差4.0dB，2.5MHZ 13×13 K2，二次波相差达到6.7dB，这样的差异实在过大。对比试块曲率半径增大后，上述差异明显减小。对于外直径≥159～500mm的环向对接接头，探头晶片尺寸不宜超过9×9。尽管选择小晶片尺寸的探头，可以适当缩小结果的不一致，但不是根本办法。

从超声波检测原理而言，对比试块曲率半径和厚度最好与被检对象完全相同，但成本太高。按照NB/T 47013.3-2015，同一环向对接接头采用多种规格的对比试块都可能满足标准要求。按照本试验的测试结果，对外径245的环向对接接头，如果采用R90的对比试块制作距离－波幅曲线，对缺陷的评定就偏于严格，可能造成不合格甚至不必要的返修。生产单位、用户和第三方检测机构如果采用不同尺寸的对比试块，将得到不一致的检测结果。解决这个问题的办法是，一定外径范围的环向对接接头，统一采用某一曲率半径的对比试块，以便检测灵敏度基准处于同一水平。试验结果表明，小曲率半径对比试块，标准反射体回波差值增大；R125、R180和平面接触的CSK-ⅡA试块，即使选择较大晶片尺寸的探头，标准反射体回波差值也不算太大。为使对比试块制作的距离－波幅曲线进行超声波检测评价缺陷更合理，小曲率范围应增加对比试块的设置，建议将环向对接接头对比试块曲率半径确定为R85、R105、R140和R200，适用的环向对接接头外径为：159～200mm，200～270mm，270～380mm，380～500mm。

需要说明的是：以上试验数据均是探头底面为平面的测试结果。探头底面有曲率后，其结果是有差别的。用一只多次在φ219管道焊缝检测过的5MHZ 9×9 K2探头，在R90、R125、R180和CSK-ⅡA试块对φ2×40长圆孔回波进行测试，发现R90、R125、R180和CSK-ⅡA回波高度依次减少，R90的回波比CSK-ⅡA高6dB左右。长期在φ219管道焊缝检测的探头，由于楔块磨损，底面曲率趋近于工件，探头中心与其余三块对比试块检测面的间隙随曲率半径增加依次增大。探头中心与工件间隙对超声波耦合效果具有关键的影响，因此在小曲率半径环向对接接头进行检测的探头，如果用于曲率半径大于对比试块的工件的检测，将引起灵敏度下降，造成检测结果不准确。