薄壁长输管道超声波检测方法的可靠性分析

薄壁长输管道超声波检测方法的可靠性分析

镇海国际机场的原油长距离输送是全省第一根长距离输送管道，全长153公里，直径355mm，厚6.4mm。SYJ04001—1990《长输管道线路工程施工及验收规范》及设计施工图样规定,整条管道所有对接焊缝应进行100%超声波检测,另加10%射线抽检。我们知道,对于薄壁管道对接焊缝,射线检测是比较成熟的检测方法,对于壁厚<8mm的管道对接焊缝超声波检测方法的可靠性还没有得到普遍认同。本文通过一系列模拟试样的实验,从实践和理论两方面探讨和分析了厚度为6.4mm薄壁长输管道超声波检测方法的可靠性,并从现场探伤中对其可靠性进行验证。1坡口、焊接接头检测对象为长输管道对接焊缝;材料为L290;管子内径为ϕ355mm;壁厚为6.4mm;坡口为Ⅴ型;采用手工电弧焊(下向焊);焊条为纤维素型焊条,型号E6041,直径ϕ3.2和4mm;焊接接头见图1。检测标准用SY4065—1993《石油天然气钢质管道对接焊缝超声波探伤及质量分级》。2探伤的选择和参数影响超声波检测可靠性的因素很多,既有探伤人员的技术、理论水平和心理状况的影响,又有探伤仪系统和环境等影响。实际探伤大多是在人员和仪器确定、环境难以改变的条件下进行的,可供选择的只有探头参数(前沿距离、晶片尺寸和形状、频率及K值等)。下面就根据产品模拟试样的探伤结果和理论分析,结合SY4065—1993标准,选择合适的超声波检测探头参数。2.1接头频率选择探头频率的高低对探伤有较大影响。对于薄壁管对接焊缝超声波探伤,如何区别轮廓反射波和缺陷反射波是探伤成败的关键,由此应选择分辨力好频率高的探头,但在探头晶片至入射点距离不可能很远的情况下,为尽量减少进入工件的近场长度,探头频率又不宜太高,SY4065—1993标准中规定探头的频率范围为4～5MHz,实际探伤时,选择5MHz的探头为宜。为验证探头频率选择的正确性,我们分别用5和2.5MHz的探头对靠近内表面的ϕ1mm×6mm的短横孔进行检测,其检测结果分别见图2a和b。可见,5MHz探头对近表面缺陷的检测灵敏度和分辨力比2.5MHz探头要好。2.2探伤前k值接头类型的选择探头K值选择应从三方面考虑,即①使声束能扫查到整个焊缝截面。②使声束中心线尽量与主要危险性缺陷垂直。③保证有足够的探伤灵敏度。为保证能扫查到整个焊缝截面,K值必须满足K≥a+b+l0T(1)Κ≥a+b+l0Τ(1)式中a——上焊缝宽度的一半b——下焊缝宽度的一半l0——探头前沿距离T——工件厚度我们对焊工考试用的管子对接焊缝进行测量,a≈12mm,b≈6mm,管子壁厚为6.4mm,对晶片前沿为6mm的探头,根据式(1),其K值应>2.34。SY4065—1993标准规定,对于管壁厚度为5～8mm焊缝探伤,探头K值范围为2.5～3。试验时发现K2.5探头比其它K值探头杂波要少,因此,在实际探伤中,一般宜选用K2.5探头。管子单面焊有时会产生根部未焊透,其反射特征与端角反射相似,为验证各种K值探头对根部未焊透缺陷的检测灵敏度,我们用SRB试块矩形槽作为反射体,测得各种K值探头的反射波幅值(表1)。由此可见,根部未焊透用K1探头进行直射法或二次反射法扫查探测灵敏度最高,K>1.5的探头灵敏度较低,可能引起漏检。在实际探伤时,如发现类似根部未焊透的反射波形,最好用K1探头进行验证。2.3探伤材料的尺寸探头晶片尺寸的选择首先取决于前沿长度的要求,对于K2.5探头,为保证扫查到整个焊缝截面,根据式(1),可求得其前沿长度≤7mm,一般要求在6mm左右,这就需要选用小晶片探头,而且晶片尺寸小,可减小探头近场区长度,与曲面耦合效果好;但晶片尺寸也不宜太小,以免声束指向性变差,超声波探伤效率下降。实际探伤时,一般选用6mm×6mm或6mm×9mm两种规格的晶片。3超声波检测的可靠性研究3.1试块的制作和显微结构试验采用CTS-22型超声波探伤仪;探头为5P6×6K2.5,实测K值2.5,前沿长度6mm,必要时用5P6×6K1探头对根部未焊透进行复验,探头曲率应与被检管子相同;试块型号为SGB-5和SRB;耦合剂为化学浆糊;探伤灵敏度为ϕ2mm×20mm-14dB;耦合补偿3～4dB。3.2试样同深度孔计数为研究薄壁管对接焊缝沿厚度方向分布缺陷超声波检测的可靠性,我们将焊工考试用的管试样切割成20块模拟试样,并在试样侧面的对接焊缝中心线上加工一系列不同深度的人工孔,人工孔试样的规格见图3。人工孔尺寸为ϕ1mm×6mm,深度h分别为0,1,2,3.2,4.4,5.4和6.4mm,所有试样同深度孔的总数均为10个。我们用3.1节规定的探伤条件对所有试样的人工孔进行检测,对波幅超过评定线灵敏度且可分辨和清晰可见的人工孔缺陷反射回波才作记录,所有试样人工孔的检测结果见表2,其沿板厚方向分布缺陷的超声波检测可靠性可用一定深度的人工孔缺陷的检出几率R来表示R=检出的深度h人⌶孔数量深度h人⌶孔总数(2)R=检出的深度h人⌶孔数量深度h人⌶孔总数(2)从表2可见,在板厚方向中部附近的人工孔差不多都可以检出,离表面越近的人工孔检出得越少,检出几率越小,可靠性越差,这说明超声波探伤的可靠性受人工孔沿厚度方向分布的影响很大。然而实际探伤中缺陷情形复杂得多,缺陷的尺寸、形状和性质不同,密集或单个出现都会对探伤可靠性产生影响,但其沿厚度方向的分布对探伤可靠性的影响类似于人工孔。因此,在用超声法检测薄壁管对接焊缝时,必须了解缺陷的分布情况(特别是厚度方向),它直接关系到超声波检测结果的可靠性。3.3焊接工艺不良由于长输管道对接焊缝采用手工向下施焊,在自重力等作用下会在根部形成焊瘤和内凹缺陷;焊接工艺不良也会产生未焊透、未熔合和裂纹等缺陷。因此,管子焊缝根部超声波检测时会出现焊瘤、内凹、未焊透、未熔合及裂纹等缺陷反射波。此外,还会在根部附近出现气孔、夹渣及烧穿等缺陷反射波,能否区分这些反射波是薄壁管对接焊缝超声波检测可靠与否的关键。3.3.1焊缝表面类型焊瘤反射波的特点是波形尖锐,波幅很高,探头前后移动时波的动态包络线较宽,有时还会产生变型波,变型波在焊瘤反射波后面始终保持一定距离,约等于壁厚的0.55倍声程,用沾油的手指拍打焊缝表面可以区分变型波和缺陷波。另外,焊瘤反射波的声程略>0.5倍跨距声程,从两侧探伤,其水平位置着落点相互交叉,其重叠的水平距离约等于焊瘤宽度;其特征波形见图4a,图4b和c是分别从左侧和右侧探伤时示波屏上出现的焊瘤反射波。3.3.2内凹反射波的特征波形内凹是一个圆弧形的曲面,对超声波来说它是一个凸面,反射波是发散的,波幅较低(一般在定量线灵敏度以下),内凹反射波的声程接近或略<0.5倍跨距声程,从两侧探伤,其水平位置着落点相距约3～4mm,其特征波形见图5a,图5b和c是分别从左侧和右侧探伤时示波屏上出现的内凹反射波。3.3.3非焊透反射波波幅的变化超声波探测未焊透时会产生很强的端角反射,其波幅较高,探头垂直于焊缝移动时,波形较稳定,转动或摆动探头时,波形消失较快,未焊透反射波的声程接近0.5倍跨距声程,从两侧探伤,其水平位置着落点相距一定距离,约等于对口间隔,区别未焊透反射波最好的办法是用K1探头进行复验,其波幅显著提高;未焊透反射波特征波形见图6a,图6b和c是分别从左侧和右侧探伤时示波屏上出现的未焊透反射波。3.3.4表面位置对反射波幅的影响探测根部未熔合时,在未熔合侧有很强的端角反射,且波幅较高,其水平位置在焊缝中心线以内,从另一侧探伤,波幅相对较低,其水平位置在焊缝中心线以外,从两侧探伤时,缺陷波在水平位置上基本重合或相距很近,用K1探头在未熔合侧复验,其反射波幅显著提高,在另一侧则变化不大;未熔合反射波特征波形见图7a,图7b和c是分别从左侧和右侧探伤时示波屏上出现的未熔合反射波。3.3.5缺陷波的部位裂纹是焊缝中最危险的缺陷,多产生于根部某侧熔合线位置,与未熔合反射波类似,不同之处在于裂纹表面曲折、不光滑,反射波波脚较宽且常出现多峰现象,探头平行于焊缝移动时,波峰有起伏,从两侧探伤时有较好的对称性,波形相似,缺陷波在水平位置上基本重合;裂纹反射波特征波形见图8a,图8b和c是分别从左侧和右侧探伤时示波屏上出现的裂纹反射波。3.3.6缺陷位置太近表面探测根部附近的气孔和夹渣等缺陷时,缺陷反射波一般出现在焊道轮廓波之前,如缺陷位置太靠近表面,焊道轮廓波会湮没缺陷波,造成缺陷难以检出,根部附近的气孔和夹渣等缺陷的波幅较低,两侧探伤时波幅也不一致;其反射波特征波形见图9a,图9b和c是分别从左侧和右侧探伤时示波屏上出现的靠近根部的人工孔反射波。4超声探伤与射线复验的比较通过上述薄壁管道对接焊缝超声波检测可靠性的分析和研究,我们对上虞至萧山段的长输管道对接焊缝进行超声波复查,并对超声波探伤有缺陷或有疑问的焊缝进行射