焊接接头超声波检测中变形波分析

在特种设备无损检测过程中，缺陷的正确识别和判定是对无损检测人员能力的基本要求，更是特种设备安全运行的重要保障。当检测人员无法正确识别缺陷时，可能会造成生产的延期甚至发生严重的特种设备事故，危及人民生命及财产安全。在检测过程中，检测人员若将伪缺陷判定为缺陷，一般不会造成特种设备安全事故，但是在清除判定的“缺陷”及返修的过程中，有可能产生新的“缺陷”，轻则增加生产单位的时间成本，重则造成设备严重损伤，乃至报废。1、变形波实例2018年4月，对宿州市砀山县一台液化石油气储罐进行定期检验，该压力容器筒体材质为Q345R，名义厚度18mm，坡口形式为X形坡口，焊接接头采用埋弧焊焊接。现场采用超声波探伤，其中筒体两条环焊缝在焊缝右侧扫查时出现多处异常反射信号，反射面位置在焊接接头左侧热影响区、深度距上表面11mm处，在焊缝左侧扫查过程中则未发现异常信号。为明确反射信号产生的原因，检验人员根据TSG21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[1]进行追加检测，在提高检测比例的同时，更换超声波探头（现场使用K2.5，更换为K1.0）对标记焊缝进行扫查，扫查过程中未发现异常反射信号。为确保检测结果的准确性，又采用X射线依标准对该标记焊缝进行透照，检测结果同样未发现异常（图1）。对焊缝双面余高进行磨平处理，再次进行扫查，异常信号消失。2、变形波产生机理及在示波屏上出现的位置2.1

横波斜入射的波形转换及反射、折射在焊接接头的超声检测中一般使用横波（下文所述入射波均为横波），横波在两个不同介质的分界面上会产生反射和折射，超声检测即通过接收到的反射波来判断被检物件中有无缺陷。但是在横波入射时产生的反射波和折射波中，除了横波外，还有纵波存在（图2），即本文讨论的变形波。反射波和折射波的反射和折射路径符合反射、折射定律：式中：cL1、cS1分别为入射介质中纵、横波声速；cL2、cS2分别为被检介质中纵、横波声速；αS为横波入射角度；αL′、αS′分别为入射介质中纵、横波反射角度；βL、βS分别为被检介质中纵、横波折射角度。因为声速在钢材中纵波声速cL1约为横波声速cS1的1.8倍，由式（1）可知，αL′＞αS，当αS增加时，αL′随之增加，当αS增加到某一特定角度时，αL′=90°。这时所对应的横波入射角αS称为第三临界角αⅢ。当αS≥αⅢ时，在第一介质中只有反射横波，没有反射纵波，即横波全反射。当αS＜αⅢ时，在第一介质中既有反射横波，又有反射纵波。2.2

焊缝中的变形波当声波到达焊接接头对侧表面时，若存在可以使αS＜αⅢ的特殊部位，那么在反射声波中就既存在反射横波S′，又存在变形反射纵波L′，如图3所示。焊缝中产生变形纵波以后，由于反射角度的原因，并不一定能被检测探头接收从而在显示屏上出现，只有在某些特定位置或形状（如圆滑过渡的焊缝融合线、某些焊缝余高或焊瘤处）可以让折射纵波与两相分界面垂直，此时折射纵波会由于反射，产生新的反射纵波和变形反射横波，并且两种反射波都会沿原路径返回，从而被超声波探头接收并在显示屏上显示出来，形成所谓的变形波（图4和图5）。2.3

变形波在示波屏上出现的位置变形纵波在示波屏上出现的位置应在一次底波和二次底波之间，其具体出现位置可以根据实际探伤工件的厚度、探头K值以及定标方法等通过以下方法确定。假设实际探伤中工件的厚度为T，探头折射角为βS，按深度1:1定标。变形纵波的声程为厚度T，相当于横波的声程S=T×（CS/CL），则变形纵波在示波屏上的具体位置应为：T′=T+T×（CS/CL）×cosβS′若考虑焊缝的余高，设焊缝上表面余高为t1，下表面余高为t2，则上式应为：T′=T+t1+（T+t1+t2）×（CS/CL）×cosβS本次检测过程中，实际探测工件厚度为17mm，上下焊缝余高均在1.5mm左右，若为变形波则其位置应为：T′=T+t1+（T+t1+t2）×（CS/CL）×cosβS=17+1.5+（17+1.5+1.5）×(3230÷5900）×cos68.2°≈22.56mm超声波检测仪显示的波形深度为距离上表面11mm，预设工件厚度为17mm，则显示数据Th=2T-T′=11.44mm。可见，超声波示波器上的位置与变形波可能出现的位置相差不大。2.4

实际检测中常见对接接头出现变形波的可能性分析2.4.1

焊接接头余高较大且呈半圆形余高比较大且呈半圆形的焊接接头，横波倾斜入射时，会在下表面形成反射横波及变形反射纵波，但是由于上表面余高呈半圆形，其变形纵波在上表面再次反射时，反射纵波不能按照原路径返回，而是按照与变形纵波分布在法线两侧且角度相等的方向传播，故不能在示波屏上显示，如图6所示。变形纵波只有在正好垂直入射到熔合线的情况下，才有可能出现在示波屏上，如图7所示，但这种情况概率比较低。因此，这种结构对接接头较难在示波屏上形成变形波。2.4.2

余高较低的半椭圆形对接接头这种焊缝余高边缘较为陡直，上部较为平缓，近似半椭圆形。横波倾斜入射时同样会形成反射横波及变形纵波，变形纵波入射上部较为平缓的部位时反射回来，如图8所示，在示波屏上出现变形波。或者变形纵波入射到上表面熔合线处，也会在示波屏上出现变形波。2.4.3

余高磨平的对接接头焊缝余高磨平时，对于上下表面平行的工件而言，焊缝底部横波入射角αS与探头的折射角βS相等，如图9所示。对于钢材质而言，第三临界角αⅢ约为33.2°。而工业超声波探伤用探头基本为K1、K2、K2.5等常规探头，其折射角度大于αⅢ，因此在工件中只有反射横波，无变形纵波，即横波全反射，也就不存在变形波。3、结论及建议光缆交叉跨接工艺复杂、施工强度大、作业风险高，一旦操作不当很容易引起光缆损坏，造成电力通信中断或电力系统瘫痪。根据上述分析，此次液化石油气储罐定期检验过程中，超声波检测发现的异常回波应为焊缝余高未磨平导致的入射横波在焊缝中传播时产生波形转换，从而造成的伪缺陷回波。在现场检测过程中，当被检测焊接接头符合NB/T47013.3—2023《承压设备无损检测第3部分：超声检测》[2]中应将焊缝余高磨平的条件时，应按规范将焊缝余高磨平，若现场实际情况不符合该条件或不允许将焊缝余高磨平，则应在检测前通过理论计算预估是否会出现变形波，通过以下几种方法对检测中出现的“缺陷波”进行准确判断，避免将伪缺陷判定为缺陷，保证检测结果的正确性。1）位置计算。根据上述公式及实际探伤工件和所用探头，可计算出变形波在示波屏上的位置，若实际反射波在示波屏的位置与计算位置相同或相差不大，则有可能是变形波，反之则不是。2）增加不同K值的探头检测。当现场采用某种