方钻杆对接焊缝超声波检测方法

方钻杆对接焊缝超声波检测方法

1驱动部分边宽长度无明显差异,单根钻杆长23m方钻杆由驱动部分和上下过载组成。按方钻杆两端接头连接的不同分为有/无细扣方钻杆。我国和API标准系列均用无细扣方钻杆,其两端接头与方钻杆对焊在一起,或与方钻杆做成一体。方钻杆规范是按其驱动部分的边宽来分类的,长度一般比单根钻杆长2～3m。API标准中规定方钻杆有12.30m和16.46m两种,驱动部分长为11.28m和15.54m。对边宽度有63.50,76.20,88.90,107.95和133.35mm五种。在石油转盘钻井工程中,方钻杆位于钻柱的最上端,主要作用是传递扭矩并承受钻柱悬挂重量;在涡轮和螺杆钻具的钻井工程中,方钻杆承受钻柱悬挂重量和反扭矩。目前使用的方钻杆大都是进口的,价格昂贵,一般都是反复周转使用,直到它的对边宽度、长度不符合使用要求为止。因此,需要采用超声波对其对接焊缝以及本体进行跟踪检测。2检测方法2.1试块的选择与检测因为方钻杆的本体为长方体,所以选用的仪器、探头应与钢板焊缝检测相同。超声波探伤仪可选CTS-26或CTS-2200等;探头可根据方钻杆的壁厚(约为20mm左右)选用2.5P8×12(K2～2.5)-D探头;工业甘油或机油耦合剂;CSK-3A型试块。为了确保方钻杆对接焊缝的检测质量,应在CSK-1A型试块上测定仪器与探头的综合性能,包括斜探头入射点、K值和分辨力;调整探测起始灵敏度,同时确定探测范围。2.2仪器的水平线性和垂直线性利用距离试块上表面10,20,30和40mm的孔绘制距离-波幅曲线,同时测定仪器的水平线性和垂直线性。距离-波幅曲线由定量线、判废线和评定线组成,评定线和定量线之间(包括评定线)称为Ⅰ区,定量线与判废线之间(包括定量线)称为Ⅱ区,判废线以上称为Ⅲ区。检测时一般使用定量线(图1)。2.3接头移动距离p探测范围选择在焊缝管体一侧,清除探测面电焊飞溅等异物,探头移动距离P应尽量满足P≥2TK+20mm(T为壁厚,K为探头K值)。探头移动扫查方式采用U型,每次横向移动一个探头宽度,以保证百分之百扫查。2.4缺陷定位2.4.1半音程检测方法图2图2中OA表示主声束声程S,图中可见,要确定缺陷位置,应预先测出探头的入射点和K值。0.5缺陷声音s=h。cos距地面s，水平距离l，htg，缺陷深度h=scos2.4.2水平距离2t-h图3可见,一个跨距范围内缺陷的声程S+S1=(2t-h)/cosβ;水平距离L=(2t-h)·tgβ;缺陷深度h=(S+S1)·cosβ。3干扰回波的判定(1)必须先对探伤方法、仪器和探头性能、参考试块作出明确的规定,然后用试块上的人工缺陷确定仪器和探头组合灵敏度,使灵敏度统一。(2)扫查时可适当提高一些灵敏度,以补偿由于操作中的声耦合不稳定所带来的灵敏度波动,但也不能提得太高。(3)发现缺陷波要排除各种干扰波防止误判。这些干扰有的是焊缝增强量或焊缝区域表面缺陷产生的,有的是由焊缝形状的影响而产生的波型转换引起的。因此,为了正确地判定各种干扰回波,不仅要对焊接构件的特点,焊缝的形状以及是否有可能产生干扰回波进行必要的了解,而且还必须计算出回波发生源。(4)质量评定采用当量比较法,凡超过人工缺陷反射波的缺陷一律定为不合格,反之则判为合格。不合格区段应予以切除或进行局部修整,修整后仍需探伤复验是否合格。4典型接头缺陷形成的原因和波型特征4.1未焊接的瑜普4.1.1未焊透缺陷产生原因(1)接头的坡口与本体装配不正确,坡口型式为U型,钝边厚度为1～2mm(图4)。如两个被焊工件间距过小,钝边过大,两工件接合处坡口的钝边尺寸不等,都会促成未焊透缺陷的产生。(2)形成电弧的电流和电压不足,焊接速度过快,母材金属未充分预热,而焊条过早熔化是产生未焊透缺陷的又一原因。(3)材料焊接部位有铁锈、油圬、熔渣、氧化铁皮等脏物,阻碍母材金属边缘很好地熔化,也会造成未焊透缺陷。(4)材料焊接过程中焊条倾斜角有误,熔池偏离母材金属一边,致使另一边受热不均,造成未焊透。4.1.2未焊透缺陷造成的焊缝安全隐患在U型坡口对接焊缝中未焊透缺陷常发生在坡口边缘部位,缺陷处有一层淡淡的氧化膜,严重未焊透缺陷若出现在管类工件的焊缝内,在水压、气压试验时,未焊透部位会出现透水漏气现象。此时,焊缝的抗拉强度会成倍降低,焊缝边缘未焊透缺陷更是危险。这时承压工件应判废或重焊。4.1.3缺陷反射波的产生原因未焊透缺陷或未熔接缺陷对超声波的反应比较敏感,但是由于未焊透缺陷表面不规则,深浅不一,对超声波不能构成平整光滑的反射面,因此会出现杂乱的缺陷反射波。4.2焊接误差的凹陷4.2.1焊缝的热应力焊缝中的裂纹缺陷是由应力造成的,其应力起源于焊接时的加热和冷却过程,使得在母材和熔池之间,以及熔池和已凝固的焊缝之间出现很大的温差。温差导致焊缝和母材之间以及焊缝的不同部位之间产生巨大的热应力。当热应力超过焊缝在此温度下能够承受的强度时,焊缝就会破裂。因此裂纹缺陷可分为热裂纹、冷裂纹和层状撕裂等类型。4.2.2热裂纹缺陷显微缺陷焊缝热裂纹缺陷大小不一,有的是只能用放大镜和显微镜观察的显微裂纹,也有肉眼可见的宏观热裂纹,它们都是沿晶界开裂,表面有氧化痕迹。显微镜热裂纹缺陷在焊缝剖面上呈网状,无一定开裂方向;而宏观热裂纹缺陷多呈纵向开裂,且分布在焊缝中心部位。即在焊缝两边造成的柱状晶体的对缝线上,裂纹宽度由十分之一毫米到数毫米不等,可沿焊缝长度方向延伸至几厘米到数十厘米。裂纹表面粗糙,没有光泽,有明显的氧化现象和粒状突出物存在。4.2.3观热裂纹缺陷一般来说宏观热裂纹缺陷对超声波的反射比较敏感,而微观热裂纹缺陷的反射则比较微弱。检查焊缝宏观热裂纹缺陷常用2～2.5MHz的超声波,此时缺陷反射波根部有若干小波峰出现。若增大探伤灵敏度,小波峰亦随之增高,反之则有规律地减小,而且比较稳定。这种现象是热裂纹表面粒状突起物和主裂纹边缘向纵深发展的微裂纹所引起的超声反射波,可作为判定该缺陷为宏观热裂纹的根据。4.3内孔漏4.3.1气体边界孔隙气孔缺陷是在焊接时,焊接熔池中所产生的气体不能在熔池凝固前及时溢出,而在焊缝内形成的孔洞,大致可分为分散气孔、密集气孔和链状气孔等三大类。(1)单个气孔缺陷又称单个气孔,是焊接前未将焊缝坡口处金属上的铁锈、油圬和油漆等清理干净,电焊条潮湿,水分在电弧高温作用下分解成氢气和氧气,溶解于液态金属中,此时若焊缝中液态金属凝固过快,溶解气体不能及时溢出,即产生单个气孔缺陷。在焊缝内部多呈单一状态均匀分布在焊缝上部,气孔体积不大,呈球形或椭圆形,内表面光滑。(2)密度计的结果—密集气孔是在焊接过程中,由于产生电弧的电流电压不稳定,电焊条内含碳量过高,焊药、熔剂潮湿,电弧过长或焊接方式改变等导致。它们呈群状密集分布在焊缝中心部位,其单个体积大小不一,且被没有气孔的致密金属区段所隔开。在手工焊接中密集气孔常发生在焊缝的起点和电弧中断处。解剖后可以看到孔洞大小不一的蜂窝状分布。(3)焊缝熔池内的氢气主要是由氢引起的。氢来源于潮湿的助熔剂和没有充分干燥的焊条涂料中的水分,焊接过程中,在电弧的高温作用下,水被分解为氢和氧,氧与合金元素结合形成氧化物,同时降低了氢在金属液中的溶解度。因此在焊接过程中溶池内的液态金属常含有饱和的氢气。当焊缝熔池温度降低时,氢立即开始从熔池析出,由于焊缝冷却速度很快,氢气泡来不及溢出,滞留于焊缝内形成链状气孔缺陷。链状气孔在焊缝中呈直线分布,气孔边沿相互衔接,状如链条,链的中心与焊缝轴线平行。4.3.2金相线上的双线脉冲反射(1)单个独立的气孔内充满气体,对超声波的反射十分强烈,其回波波形为陡峭的单峰反射波。探头不动时缺陷反射波十分稳定;当探头稍一移动,气孔缺陷反射波即会消失。在斜探头探伤时,单个气孔若恰好处在波束前后沿的交叉位置时,也会出现双峰脉冲反射。(2)由于在用斜探头检测密集型气孔时超声束能同时扫到多个气孔,因此在仪器荧光屏上缺陷的反射波形呈多个参差不齐尖峰。当以缺陷区为中心稍微移动探头时,波形不断跳动,移动探头时缺陷反射波并不立即消失,严重的密集气孔型缺陷,反射信号还能形成所谓林状反射波形。(3)当探头平行于焊缝移动时,扩散了的声束会同时扫到两、三个或多个链状气孔。由于链状气孔缺陷在一条直线上分布,因此反复移动探头时,在仪器荧光屏的同一位置上,气孔反射波会等高度地继续出现。与单个气缺陷反射波形相似,多为单峰反射,个别是双峰反射。鉴于焊缝中缺陷种类很多,例如未熔合、夹杂和咬边等,主要靠探伤人员平时的经验积累,才能作出