焊縫超聲波檢測(cè)技術(shù)的新突破

焊縫超聲波檢測(cè)技術(shù)的新突破

管道和管道之間的連接結(jié)構(gòu)通常采用焊接形式。焊接質(zhì)量主要取決于焊接過程的工藝控制和操作水平，但檢測(cè)方法的選擇是質(zhì)量控制的重要因素。根據(jù)這項(xiàng)工作的實(shí)踐，對(duì)這種焊接結(jié)構(gòu)、焊接形式和損傷檢測(cè)方法進(jìn)行了分析，并介紹了自主開發(fā)的雙晶聚焦直勘探、直勘探和其他檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。1管與管之間連接結(jié)構(gòu)鋼管相貫連接形式通常體現(xiàn)在鋼管網(wǎng)架和化工單元設(shè)備的管道布置。鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要是用不同直徑不同壁厚的鋼管與鋼管焊接、鋼管與空心鋼球、鋼管與鋼板等焊接而成。正如標(biāo)準(zhǔn)中描述的圓管相貫節(jié)點(diǎn)形式，對(duì)于通常采取的主管和支管焊接組成的結(jié)構(gòu)，支管直接搭接在主管上形成橢圓形式的相貫結(jié)合面或結(jié)合線，主管的搭接部位一般不開設(shè)孔槽，支管的管口部位通常不開設(shè)坡口，隨著主管與支管之間中線夾角的變化以及支管在同一個(gè)焊接區(qū)域搭接支管的數(shù)量不同。在化工單元設(shè)備的管道（如公用管道、公用工程管道和儀表管道等）之間的連接，不同于鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，主管與支管或者管道與主體設(shè)備之間采取開孔槽，并且管道的工況處于受熱受壓或腐蝕等因素影響，其焊接質(zhì)量的要求往往更加嚴(yán)格。管與管之間連接結(jié)構(gòu)，形成圖1的典型焊接形式。此種焊接結(jié)構(gòu)所形成的焊縫，通常表現(xiàn)為不規(guī)則的橢圓形狀，由于焊接位置的變化和焊接操作難度，在管與管之間的夾角較小時(shí)，其缺陷出現(xiàn)的幾率就偏高，同時(shí)檢測(cè)時(shí)也有相應(yīng)的難度。常見缺陷主要有：氣孔、夾渣、未熔透、未熔合、咬邊、裂紋等，氣孔、夾渣為常見缺陷，裂紋、未熔透、未熔合雖然不常見，但危害及其嚴(yán)重。鋼管網(wǎng)架的焊接質(zhì)量主要滿足強(qiáng)度、剛度和柔性要求，對(duì)于化工管路的質(zhì)量要求還要滿足工藝流程、作業(yè)工況、安全需要等要求，對(duì)于某些管道之間的焊縫甚至需要開展100%無損檢測(cè)。2傳統(tǒng)檢測(cè)方法分析按照標(biāo)準(zhǔn)所采用的超聲波檢測(cè)方法，利用單斜探頭來檢測(cè)這些橢圓形焊縫時(shí)，必須保持斜探頭發(fā)射主聲束方向與焊縫垂直，斜探頭的超聲束入射點(diǎn)所在平面與鋼管外圓面只有一條切線，這條切線必須在斜探頭的入射點(diǎn)位置，否則超聲束很難進(jìn)入被檢測(cè)的鋼管管壁內(nèi)部而是沿鋼管表面?zhèn)鞑?，造成鋼管相關(guān)節(jié)點(diǎn)焊縫表面反射波出現(xiàn)形成假象，往往誤判成缺陷波?；诨せ虺袎涸O(shè)備特點(diǎn)，在執(zhí)行承壓設(shè)備無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采取傳統(tǒng)的檢測(cè)方法同樣難以準(zhǔn)確判斷焊縫的內(nèi)部缺陷。特別是當(dāng)主管與支管之間夾角較小時(shí)，對(duì)于不同的焊接部位所出現(xiàn)的缺陷幾率不完全相同，檢驗(yàn)可靠性的選擇尤為重要，如圖2所示。圖2表明，主、支管軸線組成的平面與支管母線形成的沿支管圓周方向的角度為相貫角φ，主管軸線與支管軸線的夾角為交叉角θ，在與主、支管相貫線垂直的平面內(nèi)，過相貫線上一點(diǎn)，主、支管切線之間夾角為局部二面角ψ，當(dāng)斜探頭沿著橢圓形焊縫掃查到圖2中A、B、C、D不同區(qū)域時(shí)，局部二面角ψ時(shí)時(shí)都在變化，對(duì)同一個(gè)缺陷來說，斜探頭沿支管表面檢測(cè)與沿主管表面檢測(cè)焊縫時(shí)，由于主、支管壁厚不同，直徑D1和D2不相等，斜探頭入射點(diǎn)，缺陷聲程都是不同的，這一點(diǎn)給現(xiàn)場(chǎng)超聲檢測(cè)人員（往往是高空作業(yè)）對(duì)缺陷的判斷，帶來很大困難。按照此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同一個(gè)鋼管相貫點(diǎn)的局部二面角ψ分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域，如圖2所示，每個(gè)區(qū)域局部二面角ψ的變化范圍如表1所示，每個(gè)區(qū)域檢測(cè)難度和評(píng)判準(zhǔn)確程度有差異。涉及到D區(qū)域的實(shí)際檢測(cè)，超聲波探傷儀器只能收到第3次聲程回波反射，第4次聲程反射回波高度（相同靈敏度下比較）已經(jīng)很低，對(duì)于第5次第6次聲程回波即局部二面角ψ≤35°以下。只能說在理論上能接收到，實(shí)際檢測(cè)中很難收到，主要原因是切線耦合和凸面入射、反射、聲束發(fā)散影響造成的。3新檢測(cè)方法的研究和實(shí)踐3.1聲束入射的影響為了避免用斜探頭檢測(cè)鋼管相貫節(jié)點(diǎn)焊縫圖2中C、D區(qū)域焊縫缺陷發(fā)生漏檢現(xiàn)象，從以下三方面改進(jìn)檢測(cè)方法。(1）改變超聲束的入射形式，把斜探頭發(fā)出的聲束經(jīng)過的多次聲程后才能入射到焊縫上，改變?yōu)橐淮温暢倘肷涞胶缚p而不受局部二面角ψ大小影響。(2）改變超聲束在鋼管外表面凸面入射時(shí)聲束發(fā)散，變?yōu)槁暿劢?，增大入射聲能從而提高檢測(cè)靈敏度。(3）消除斜探頭近場(chǎng)區(qū)內(nèi)聲束軸線上的聲壓P極大值和極小值的對(duì)檢測(cè)缺陷靈敏度影響，從而徹底解決了斜探頭始脈沖后的信噪比波成束的問題（這通稱雜波成群的問題）。3.2超聲波檢測(cè)技術(shù)由于斜探頭是人工操縱斜探頭難以接收到焊縫中缺陷回波而造成漏檢，特別是D區(qū)域局部二面角ψ變化范圍是45°～15°之間，D區(qū)局部二面角ψ從最大45°逐步減小到15°時(shí)，為了檢測(cè)出最小局部二面角ψ=15°節(jié)點(diǎn)焊縫中的缺陷它必須滿足一定的幾何邊界條件，才能把該處焊接縫中缺陷檢測(cè)出來，否則，探頭接收不到缺陷波信號(hào)的反射，造成漏檢，正如研究資料提出該方法的檢測(cè)難點(diǎn)：曲率效應(yīng)、底面回波、焊縫根部反射波和探傷不到的死區(qū)等，是斜探頭超聲檢測(cè)自身缺陷。采取雙晶聚焦直探頭專門用來檢測(cè)C、D區(qū)域焊縫，能夠提高此區(qū)域缺陷的檢測(cè)靈敏度，從根本上解決傳統(tǒng)檢測(cè)方法存在的問題，更加符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，雙晶聚焦直探頭的形式見圖3。該檢測(cè)方法的工作原理：圖5中元件1為左右兩塊壓電晶片5a和5b的隔聲層，2a和2b為兩個(gè)對(duì)稱的高頻電纜（探頭線）的接線柱（Q9型），由超聲波檢測(cè)儀的同步電路中L-C電路所產(chǎn)生的高頻電振動(dòng)通過高頻導(dǎo)線4b直接作用到酷鈦酸鉛制成的5b壓電晶片（PZT）上，使壓電晶片產(chǎn)生同頻率的形變（縱向伸長和橫向收縮），從而產(chǎn)生一次機(jī)械振動(dòng)。此時(shí)，把高頻的電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的機(jī)械振動(dòng)，把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。再通過延遲塊6b借助于工件表面的耦合劑，使高頻超聲振動(dòng)在被檢測(cè)工件（焊縫）內(nèi)部的傳播過程中形成了超聲波；超聲波在工件中傳播時(shí)，遇到不連續(xù)介質(zhì)面，（缺陷或底面）被反射回來，經(jīng)過壓電晶片5a后被接收。由于5a壓電晶片具有可逆壓電效應(yīng)，把接收到工件（焊縫）返回超聲振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻率的電信號(hào)通過4a及品體正、反面導(dǎo)線及接線柱2a和高頻電纜線傳入到超聲波檢測(cè)儀器內(nèi)被接收。儀器同時(shí)把接收到的電信號(hào)經(jīng)過多級(jí)放大，最后以脈沖波的形式出現(xiàn)在超聲波檢測(cè)儀的熒光屏上，即可被超聲檢測(cè)人員觀察到缺陷波，再根據(jù)缺陷波的位置和缺陷波幅高低，通過計(jì)算即可判斷缺陷當(dāng)量的大小和聲程，從而完成了一次對(duì)焊縫檢測(cè)的任務(wù)。由于工件（焊縫）中缺陷位置是未知的，各個(gè)焊縫中的缺陷大小和缺陷聲程是千變?nèi)f化的，為了把工件焊縫中的各種缺陷盡可能多的檢測(cè)出來，必須克服對(duì)缺陷位于聲壓P極小值處的漏檢問題。把聲壓P極大值和極小值點(diǎn)的位置移到探頭內(nèi)部的延遲塊6b上，使超聲束一進(jìn)入被檢測(cè)工件（焊縫）就在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)，克服了近場(chǎng)區(qū)中聲壓P極小點(diǎn)的位置處造成對(duì)焊縫中缺陷的漏檢問題，這個(gè)問題在用斜探頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí)始終存在。4超聲檢測(cè)和反射波檢測(cè)雙晶聚焦直探頭已經(jīng)成功申報(bào)專利，利用本檢測(cè)設(shè)施和方法開展特殊部位的焊接缺陷檢測(cè)具有一定優(yōu)勢(shì)，無論對(duì)鋼管網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或化工管道間的焊縫內(nèi)在質(zhì)量檢測(cè)，能更好地滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。(1）用雙晶聚焦直探頭解決了超聲波檢測(cè)中探傷近場(chǎng)區(qū)以內(nèi)缺陷檢出率低的問題，防止缺陷在聲壓P極小值處漏檢問題。(2）用雙晶聚焦直探頭在進(jìn)行焊縫檢測(cè)，使超聲束直接入射到焊縫上，能量集中，靈敏度高。目前可以檢測(cè)出離探傷表面聲程為1mm的φ1mm橫孔缺陷，其反射波位置與始脈清晰可辨。(3）用雙晶聚焦直探頭，對(duì)T、Y、K形鋼管相貫節(jié)點(diǎn)局部二面角在ψ15°～30°范圍內(nèi)焊縫，手持加長柄的雙晶聚焦直探頭完全可以檢測(cè)到各種二面角的焊縫，克服單斜