钢对接焊缝表面形状结构对超声波检测的影响

钢对接焊缝表面形状结构对 超声波检测的影响

牟成诚 刘咏涛 王政录

青岛维康中油检测有限公司 山东胶州 266300

摘要：在超声波检测中，许多客观的因素影响检测的实施和检测结果的判断，表面形状结构对超声波检测结果的判断就有着直接的影响，本文对这些因素进行探讨。

关键词：对接焊缝 超声波 表面形状 影响因素

1. 前言：在压力容器制造的无损检测中，超声波检测作为五大常规的NDT方法之一，以其特有的检测效率、缺陷检出率，定位、定量的能力，越来越显示出其优越性，随着智能化的进一步提高，大大简化了检测人员的工作强度，提高了工作质量。但是在超声波检测中，也有许多客观的因素不仅影响检测的实施，同时影响检测结果的判断，表面形状结构对超声波检测结果的判断就有着直接的影响。

2、对接焊缝表面形状的影响：

2.1、焊缝沟槽的影响

多道焊的焊缝在表面常形成一道道沟槽，当超声波束扫查到沟槽时，就会产生沟槽回波，沟槽回波的特点是：在沟槽同侧检测时，接收回波较高；对侧检测时，接收回波较低或无回波。此时用手指蘸油轻点沟槽位置，回波会上下跳动。如按照显示屏上的回波位置计算水平和垂直距离，计算结果应该和沟槽实际位置对应，长度也会相等。

自动焊沟槽的形状和深浅较为规则、均匀，回波较易识别，手工焊的沟槽形状不规则，深浅不均，其回波容易与焊缝下部缺陷回波混淆，较难识别。

2.2、焊角回波

焊角回波特点：探头在工件上A位置时有焊角回波产生，在B位置时无焊角回波产生，回波高度与焊缝余高有关，与焊缝余高成正比。探头沿焊缝平移时，该回波位置不变，当探头垂直焊缝前后移动时，该回波位置会相应的移动，此时用手指蘸油轻点焊角位置，回波会上下跳动。如按照显示屏上的最高回波位置计算水平和垂直距离，计算结果应该和焊角实际位置对应，长度也会相等，从而设别该非缺陷波，避免误判。

2.3、焊缝余高对波形的影响

2.3.1、余高宽度影响扫查范围

NB/T47013-2015标准按板厚推荐了焊缝探伤的斜头K值.但实际工作中,一般只用一种探头的直射波或反射波对焊缝进行扫查，这时，斜探头的K值和前沿距离的组合不仅应考虑板厚，而且还应考虑焊缝余高和宽度。

受 焊缝余高宽度影响，单面双侧探伤直射波和反射波组合扫查，超声波波束的最大扫查范围，如图3 所示。

可见 a1=T-(b+l) / K

a2=T-b1 / K

式中，T: 板厚度

b, b1:上下探测面焊缝半宽

l: 探头前沿长度

当a1+a2>T时，单面双侧的直接波和反射波组合扫查才能沿壁厚方向对焊缝进行全扫查。

受焊缝余高影响，双面双侧探伤直接波扫查时，超声波波束的最大扫查范围。

可见 a1=T-(b+l) / K

a2=T-(b1+l) / K

当a1+a2>T时，双面双侧的直射波组合扫查才能沿壁厚方向对焊缝进行全扫查。

2.3.2、余高形状产生伪反射影响探伤结果的判断

在入射波在底面焊缝的余高A点产生反射波，由于焊缝余高弧面的曲率影响，超声波反射波束有别于平面反射的超声波束。根据余高弧面曲率半径的大小，超声波的反射有两种情况，曲率半径较小时，如埋弧自动焊缝的余高，在A点的反射角a<33.2°,A点产生反射横波和反射纵波。曲率半径较大时，如手工平焊焊缝的余高，在A点的反射角a＞33.2°,A点只产生反射横波。问题是这些反射波在探测面的焊缝余高上产生反射，当探测面余高上B，C 点存在反射体如沟槽，或B，C点的反射角较小时则这些反射信号可能被探头接收，由于AB和AC的声程比理想状态下的声程要短，以及纵波和横波声速差异，使B，C点的反射波信号在荧光屏上出现在持定的时基线区域范围内，而这个区域恰好是一般设定的缺陷波区，这严重影响着探伤结果的判断。一般这种情况的反射波经计算总被确认为是母材上的缺陷，并且反射波幅度较高，如图5所示。

出现上述情况，关键是要确定反射点A

的位置，常用方法是通过现场测量计算X的

长度，设底面焊缝半宽为b，检测面与底面

焊

波高

不在底面焊缝的余高上，这样可排除焊缝表

面余高形状产生伪反射的影响。

2.3.3、焊缝余高宽度和形状的突变影响焊缝的正确检测

2.3.3.1、焊缝宽度突变的影响

超声波探头的选择取决于母材板厚和焊缝宽度，一般在探伤实施前已按板厚和焊缝的正常宽度选定了探头。但实际工作中有焊缝突然变宽的情况，如自动焊的起弧和收弧区及焊缝的返修区都比正常的焊缝要宽，而这些区域总是缺陷的多发区，由图3和4可知，焊缝变宽就有可能对焊缝的中心区域漏扫查，造成对该区域缺陷的漏检。

2.3.3.2、焊缝宽度和形状突变的影响

如图5所示，焊缝形状变化可能由无伪反射转变为伪反射，焊缝宽度变化使得产生伪反射的区域增宽，并且不能确定焊缝的宽度值b，在检验结果的判断过程中就不能正确判断X值，以至在这一余高变化区域中探伤结果判断出现错误。

2.3.4、焊缝余高内部真实缺陷检测的困难性。

焊缝余高虽是焊接接头多余的部分，但如其内部存在缺陷，则会对焊接接头产生负面影响。超声波探伤对余高内部缺陷的检测存在困难。

焊 缝余高上A ，B ，C ，D 点处分别存在咬边、沟槽、气孔和裂纹，这些点所产生的反射难以根据脉冲在荧光屏上出现在的位置判断出反射点的性质。一般情况下把这些反射波所在荧光屏的区域定为表面反射区，无疑这样的处理方式会引起焊缝余高内部气孔和裂纹等缺陷的漏检，如图6所示。

图6余高内缺陷的反射波形式

A—咬边 B—沟槽 C—气孔 D—裂纹

根据反射波的形态和探头拉置微小的变化确

定反射点的性质是判断焊缝余高反射是否是

内部真实缺陷的方法，但主动脉应用该方法

的效果与探伤人员的实践经验相关。

2.4、焊缝接头错口的影响

2.4.1、等厚结构焊接接头错边引起的误判：

焊接接头中A点

存 在咬边，B，C点存在接头内部焊

接缺陷，由于错口部位A，B，C三

点反射波在荧光屏上出现在位置与理

想的焊接接头状态有明显区别，如按

理想的焊接接头结构进行评判：

A点咬边会误判为焊缝内部的缺陷，

B点反射会误判别为底面余高的沟槽，

而C点反射很可能不纳入评定范围之内。

针对以上问题，对反射波定位时考虑焊

接接头错口量H的影响非常重要，如图7所示。

2.4.2、不等厚对接接头错口引起的错判和误判

在探测面观察不到错口，如只按一侧的板厚进行计算就可能把不是缺陷的A点反射判定为埋藏于焊缝内部的缺陷，对B 、C两处真实的埋藏缺陷可能误判为余高表面缺陷；或虽判定为缺陷，但缺陷定位错误。针对上述问题，探伤随时测量两侧的板厚度非常必要。

2.4.3、不等厚对接接头结构中对较厚板采取削薄措施对超声波探伤的影响

削薄结构使反射声程随反射点的移动不断变化这不仅影响缺陷定位,而且可能引起缺陷误判。如图9所示，A、B点的声程比无削薄状态时按板厚T2计算的声程要短，如不按实际状态严密计算会导致B点的真实缺陷定位不准确及A点的咬边引起的反射判定为焊缝内部埋藏缺陷

2.5、丁字接头焊缝处缺陷的漏检及对策

众所周知，承压设备壳体丁字接头焊缝处容易产生缺陷，特别是由于焊接前强行组对的原因，焊接时容易产生裂纹。由于焊缝余高的阻挡，这种丁字接头裂纹，斜探头中心轴声束无法扫查到，只能靠斜探头声能较小的扩散声束扫查到。这时反射波幅不高，经验不足的操作者往往容易将其当成气孔、点渣之类缺陷而放过， 这就造成了严重漏检。为了解决这个问题，我们采取如下对策：

2.5.1、要求作射线探伤复验的焊缝(如一、二、三类压力容器)，其丁字接头必须复验。

2.5.2、在进行超声波探伤时,认真观察丁字接头处的缺陷反射波,对其进行从严处理,当没有其它手段证明它是可放过的缺陷时,一般要返修处理,

2.5.3、选择中心轴声束水平偏斜的探头专门探测丁字接头焊缝处.

2.5.4、对重要壳体焊缝,磨平环缝后再作超声波探伤.

3、 焊缝超声探伤中表面形状结构影响的控制要点：

3.1、压力容器设计和制造安装过程中，为实现焊接接头结构的超声波探伤，主要应考虑几方面的技术要求，即①焊缝的宽度及宽度的均匀性。②焊缝余高高度和表面平滑过渡的弧面形状。③上下表面焊缝余高中心错位量。④焊缝错口和削薄结构的标准要求。

3.2、 对接焊缝超声波探伤必须在探伤前根据不同焊缝表面结构状态制定对应的探伤工艺。

3.3、 探伤实施过程中必须对有关焊缝表面结构状态的一些几何尺寸进行仔细的测量和确认。

3.4、探伤过程中注意反射信号波形的变化情况对作出正确的探伤结果判别断也是非常必要的，一般情况下伪反射信号的波形都是比较规则的，波幅非常高，且相对稳定，而缺陷的反射波形，如未焊透和气孔有其非常明显的特点，其它缺陷通常都是形状不规则波幅不稳定的波形。

3.5、发现反射波时，不要根据片面的信息进行结果判断，必须经过严密分析和验证以得到正

确的结果，验证的方法有，①在焊缝一侧发现的反射必须在另一侧进行验证，在可能的情 况下最好在另一面加以验证。②采用折射角与检测用探头有一定差值的另一探头进行验证

最好是采用折射更大的探头对反射波发现的缺陷用直射波验证。③通过测量采用结构模拟计算来验证。④对超声波探伤可疑部位，应当辅以其它无损检测方法。有些操作者嫌麻烦，探伤时主观武断了事，造成了很多隐患。特别要指出的是射线探伤，对于有余高焊缝的表面和近表面裂纹，当胶片正好紧贴在裂纹这一侧时，其检出可能性比超声波探伤要大。因此许多人形成了错觉，认为超声波探伤检出裂纹能力总是比射线探伤强，这是有条件的。

4、结束语

通过分析可见，焊缝表面沟槽，焊缝余高的形状、高度和宽度，焊接接头的错口，对接焊缝板材厚度不等，丁字接头焊缝处检测条件限制等不良的表面形状结构都可能使超声波焊缝探伤的应用受到限制或直接导致探伤结果判断错误，而消除这些影响必须要坚持科学求实的工作作风。由于水平有限，上述观点不当之处势必很多，敬请批评指正。

参考文献：无损检测人员培训教材

NB/T47013-2015承压设备无损检测

GB150-2011钢制压力容器