锥体与筒体非常规对接焊缝超声波检测的缺陷定位

付军德 杜亚强

（甘肃省特种设备检验检测研究院）

本实例为厚壁容器，高度危害，工作压力大，采用材质钢材， 为了减缓焊接过程中的冷却速度，焊接工艺要求内外壁预热温度在150℃左右，实际焊接中用天然气火焰加热，不能保证预热温度均匀，局部散热快，特别是后热时间较长，加热区域及温度的均匀性较差，焊缝热影响区是焊接接头的薄弱环节， 在焊接冷却过快的情况下，焊接坡口附近和热影响区很容易产生裂纹缺陷。

某煤化工装置两台Ⅲ类容器直径3 800mm，厚 度120/130mm， 介 质H2、CO、CO2、H2O、H2S 等（有毒、易燃），设计温度455℃，工作温度不高于435℃，设计压力7.15MPa，工作压力6.50MPa，材料SA387Gr11CL2。 该容器材料的热容量大，难免会在焊缝中产生很大的内应力；锥体与筒体对接焊缝的坡口开口角度较小， 焊工施焊的难度加大，在焊接中容易产生焊接缺陷；加工面很难保证完全平整，也易产生缺陷。 因此，加工制造过程中焊接工艺要求很高，缺陷返修工艺复杂，而通过超声波检测缺陷的定位尤为关键。

1 锥体与筒体的对接焊缝

容器内壁堆焊工艺中，因超声波检测技术要求，锥体与筒体对接焊缝（编号为10B）两侧预留360mm区间不进行堆焊处理，超声波检测技术等级B级，Ⅰ级合格。 坡口形式如图1所示，采用机加工而成。

图1 10B焊缝坡口截面

焊缝采用埋弧自动焊焊接， 位置为平焊，清根方式为碳弧气刨+打磨， 焊接预热温度不低于150℃，测温点距焊缝中心50～100mm，层间温度保持在150～250℃， 焊接电流490～520A， 焊接电压28～32V，焊接速度不小于23m/h，后热温度在350～400℃，后热时间为4h，最后冷却，探伤合格后整体进行热处理。

2 超声波探伤工艺

10B焊缝的超声波探伤与平板对接焊缝探伤有差异，存在厚度差，探伤采用RT、UT、MT 和PT 4种检测方法。 UT探伤之前对焊缝及热影响区做MT检测，确认影响UT检测的表面缺陷均已清除。制定UT检测作业指导书时，采用K1、K2双面双侧进行检测，另增加2.5P13×13K2.5探头，对近表面的缺陷进行辅助检测［1］。 因坡口型式和厚度差对检测产生较大干扰，近表面斜探头探伤存在较大的死区， 故采用2.5Pφ14直探头对圆滑过渡焊缝区进行检测［2］，主要是考虑到此处的应力比较集中，可能引起拉裂，探伤在焊后24h后进行，探头移动区不小于360mm，其表面粗糙度Ra≤6.3μm，检测面上探头布置如图2所示，检测参数见表1。

图2 检测面上探头布置示意图

表1 探头及其检测参数

超声波探伤工艺的技术要求：

a. K1探头要求扫查到全体积，K2探头要求扫查到距探测面不小于90mm （2/3的厚度），K2.5探头要求扫查距探测面30mm即可， 直探头检测参照管座角焊缝调校灵敏度；

b. 扫查灵敏度增益6dB， 锥体侧检测时需记录水平与垂直距离；

c. 在焊缝上要进行横向缺陷检测，灵敏度均提高6dB；

d. 按照NB/T 47013.3—2015标准综合评级。

3 缺陷位置的判断

如图3所示，探头于锥体外侧检测到缺陷时，探头折射角为β。

图3 锥体外侧缺陷定位示意图

根据三角函数定理可知:

缺陷的垂直深度为：

式中 d——仪器上读取的缺陷深度；

H——缺陷距垂直方向B点的距离；

h——焊缝弧顶切线与锥体之间的距离，经测量为5mm。

缺陷的实际深度即缺陷距焊缝表面的距离H减去高出焊缝表面的长度，高出部分可在实际检测中测得。

如图4所示，探头于锥体内侧检测到缺陷时，缺陷反射点为C，探伤仪显示深度为d，探头折射角为β，已知筒体与锥体夹角为150°，那么缺陷反射点C处作垂线与内侧筒体交于A点的夹角为60°，即AC=d+h，过A点作平行于锥面的平行线交于探头前端D点，在直角ΔABC中：

图4 锥体内侧缺陷定位示意图

在AD线上量AB的长度，B点即是缺陷在水平方向的位置。 经B点作垂线交焊缝表面于E点，EC即是缺陷距焊缝表面的深度（H）值，在直角ΔEFC中：

因CF为仪器上显示的缺陷深度， 故B点位置在焊缝中心线左侧时：

B点位置在焊缝中心线右侧时：

4 超声波检测结果

按作业指导书对两台容器10B焊缝进行检测，发现超标缺陷（表2），被测焊缝近表面及其内部均存在缺陷（图5、6）。

表2 10B焊缝探伤结果

图5 K2探头检测焊缝内部缺陷静态波形

图6 K2.5探头检测焊缝近表面缺陷静态波形

由图5可见，回波动态波形显示尖锐回波，探头前后左右扫查时，一开始波幅平滑的由零上升到峰值，探头继续移动，波幅基本不变，探头转动和环绕扫查时，回波迅速下降，环绕扫查时回波变化不规则，缺陷显示存在自身高度，左右移动时可测出其指示长度，可分析为线性缺陷（如裂纹或未溶合）［3］。由图6可见，焊缝近表面超标缺陷波形波根较宽，波形有分叉，探头移动时，回波幅度显示不规则的起伏态，但波高很高，做环绕扫查时回波变化不规则， 可分析为平面状缺陷（如裂纹或未溶合）。 图7是42-43区缺陷射线底片显示图像，为严重的裂纹。

图7 射线底片反映的严重裂纹缺陷影像

由于缺陷最高点均已超过判废线，在探头移动过程中波高起伏变化均在定量线上，因此在测长时可采用半波高法或6dB法［4］，测长时要准确找到回波最高点，调节至基准波高，以此为起始点，如缺陷有多个波高，先要找到缺陷的左右端点且两个端点的波高要位于定量线上或Ⅱ区及以上，此时将缺陷端点的波高调到基准波高，然后用半波高法或6dB法确定缺陷的指示长度。

5 缺陷的返修

根据表2缺陷记录情况， 列出在锥体侧探伤检测时缺陷水平方向定位对照表（表3）。

表3 锥体侧缺陷定位

由表3可见，1#容器26-27区为锥体外侧探头K1探得缺陷区域，在水平方向可确定缺陷截面宽度为F截面7.0mm，刨除时深度为101.0mm，为返修方便， 一般从外侧引线到内测刨除缺陷挖至40mm左右即可清除缺陷；1#容器42-43区为锥体外侧探头K2.5探得的缺陷区域，缺陷截面宽度为F截面3.6mm；2#容器16-17区为锥体内侧探头K2探得的缺陷区域，显示屏显示水平距离为71.0mm（图4中DA的长度），测得h=21.0mm，AB=35.2mm，处于焊缝中心线右侧，则H=53.0/62.0mm，可以看出不论在锥体外侧还是内侧扫查时，均存在探伤盲区， 增加不同类型的探头可有效弥补漏检，使检测盲区尽量缩小，筒体与锥体的夹角影响着缺陷水平位置和深度的确定。

经刨开缺陷部位焊缝，刨至预定深度时缺陷明显可见，刨除缺陷时在水平位置的定位明显要比在锥体侧容易，缺陷清除起来也较容易，方便焊工操作， 避免了清挖时对焊缝附近母材的损伤，提高返修可行性；观察裂纹，总体走向较直，很少弯曲，无分叉，尖端有的尖锐，有的钝而宽；但缺陷实际长度要比预检测出的长度短，这是因为手工误差和探伤中没有进行必要的修正造成的，误差一般在10mm左右。

6 结束语

从实际检测的两台设备来看，不在同一平面的两板对接焊缝，超声波在斜面检测发现缺陷的情形为： 探头置于筒体外侧检测时缺陷定位前移， 探头置于筒体内侧检测时缺陷定位后移；采取多角度探头检测为宜，缺陷的实际深度大于检测深度。

采用K1探头发现的缺陷数量比采用K2、K2.5探头发现的多， 且对同一缺陷测长时，K1探头测得的缺陷长度要比其他探头测得的长。 因此，在检测厚壁容器时，除用K2、K2.5探头检测外，必须要增加K1探头检测，才不会造成缺陷的漏检。 另外， 对该焊缝进行双面双侧检测时，K2.5探头在筒体外侧检测到近表面超标缺陷，主要是因为焊缝宽度大，K2探头检测不到近表面的缺陷， 也容易造成缺陷漏检。 因而，采用大角度探头在厚壁容器探伤中也是必要的。