直缝埋弧不锈钢焊接管扩径裂纹的超声波检测方法

 浙江至德钢业有限公司为了提高不锈钢焊接管超声波探伤的准确率，对射线检测可能出现漏检或误判的情况进行了研究，并对钢管扩径裂纹进行了系统分析及实物检测对比试验。结果表明，在确定探头K值后应尽可能采用短前沿的、晶片尺寸和探头外观尺寸较小的探头，可获得良好耦合效果；为减少漏检，应确保在焊接不锈钢管焊缝两侧均进行一次直射波和二次反射波的扫查探伤；探伤过程中发现回波坐标位置处于探头一侧的焊缝边缘时，则可判定为扩径裂纹缺陷；回波坐标位置处于探头另一侧的焊缝边缘部位，则不能确定为缺陷波。

直缝埋弧焊工艺生产的不锈钢焊接管扩径后产生的裂纹属于危害性缺陷，主要分布在焊缝边缘熔合线区域。尺寸较小的裂纹主要分布在焊缝边缘上下表面区域，其纵向长度一般为0.5～5 mm，宽度为0.01～0.5 mm。尺寸较大的扩径裂纹顺着焊缝边缘扩展，贯穿整个焊缝截面，裂纹长度达到几十至上百毫米，造成焊缝边缘从外至内穿透性扩裂的现象。

在超声波探伤过程中，焊缝边缘的加强高和其他缺陷的回波相互叠加，很难区分扩径裂纹。基于上述情况，本研究针对直缝埋弧焊接不锈钢管扩径后采用超声波探伤检测焊缝扩径裂纹的行为，总结出了切实可行的判定方法。

一、裂纹漏检或误判的原因分析

通常，不锈钢焊接管扩径后产生的裂纹如图所示。当钢管壁厚≥20 mm时，因焊缝边缘余高变化和缺陷方向性强等原因，造成X射线探伤对焊缝边缘的扩径微裂纹检出率降低。主要原因如下：

 1. 分布在焊缝熔合线上的扩径微裂纹大多与钢管表面有一定倾角。与射线源呈一定倾角的面状裂纹区域，所透过的射线强度与完好部位差异微小，造成显示的图像对比度差别也很小，由此产生漏检。

 2. 焊缝边缘宽度≥0.5 mm、长度≤5 mm的扩径裂纹缺陷，从X射线图片上看，很容易将其当成“咬边”或“边缘夹渣”等缺欠产生误判。这种缺陷的产生，一般是由于扩径前钢管焊缝边缘存在较小咬边、夹渣等点状缺欠，扩径时在其基础上产生扩裂现象。此类微裂纹大多垂直钢管表面向下延伸。由于焊缝边缘轮廓与母材对比度反差较强，当扩经裂纹较小时图像黑度变化不大，视觉上很难判定它已经扩展而形成了裂纹，而仍被当成“咬边”或“边缘夹渣”缺陷进行判级定量。

二、钢管扩径后的超声波检测

 超声波探伤对裂纹缺陷的检测灵敏度要求较高，扩径后的不锈钢焊接管在采用X射线检测的同时，结合超声波探伤结果进行综合判定，不仅能提高缺陷的检出率，还能弥补X射线检测对缺陷定性和定量的准确率。超声波探伤检测对不锈钢焊管焊缝（有余高）与平板对接焊缝有较大区别，探伤时应注意以下几个方面。

 1. 探头K值选择

  探测曲面工件（外径≤660 mm）时，为了提高耦合效果，应选用有曲率或小尺寸的探头进行探伤，为简化校准方法，首选不带曲率的小尺寸探头。因钢管内壁曲面对声束有发散作用，所以声束截面不宜太大，常选择小晶片、窄声束的探头。晶片尺寸以6 mm×6 mm、8 mm×8 mm或者8 mm×10 mm为宜。但晶片尺寸小、能量低、声束指向性差、分辨率低，为了改善探头指向性和提高分辨率，通常采用较高的探测频率，推荐频率为4～5 MHz。

  在实际探伤过程中，由于钢管的曲面反射会使声束扩散，因此当折射角较大（K3）时，二次反射波扩散反射易产生表面干扰回波，从而影响探伤。K值的选择也不能过小，K值较小则一次直射波对焊缝的扫查区域也减小，应当在避开二次反射产生表面干扰波的前提下，尽可能选择较大K值的探头，以增大一次直射波对焊缝的扫查范围。综上，周向检测Φ406.4 mm×6.4 mm钢管的纵焊缝时，选择K2.5的探头为最佳。由于受到焊缝余高的限制，一次直射波只能扫查到焊缝d1以下的区域，二次反射波只能扫查到焊缝d2以上的部位，如图所示。

 2. 试块与灵敏度调校方法

  使用CSK-ⅠA试块对仪器的时基线比例进行调校。用对比标样（试块）调校探伤灵敏度，试块的材质、曲率半径与被探钢管相同，一般从钢管上截取，试块尺寸如图3所示。

  试块焊缝上有Φ1.6 mm竖通孔，内外焊缝边缘有人工刻槽（槽的深度根据不同的验收等级，分别为钢管母材公称壁厚的5%、10%和12.5%，最大为3 mm，最小为0.3 mm，凹槽的宽度≤1.0 mm）。调节探伤灵敏度时，Φ1.6 mm竖通孔和凹槽的反射回波均以示波屏满幅度的80%作为基准波高，探伤过程中以缺陷回波高度达到基准波高的100%作为验收极限。

 3. 缺陷定位

  外圆周向横波检测不锈钢焊接管时，因声束受到钢管曲率的影响，入射到钢管内壁的横波折射角增大，一次波的声程和跨距增大。此时对缺陷的定位通常采用深度（H）和弧长（L）来表示缺陷的坐标，如图4所示。

 4. 实际探伤

外圆周向横波检测时，使用已选定K值的探头对不锈钢焊接管探伤时，一般一次直射波能够保证对焊缝中下部区域的扫查探伤，但二次波对上焊缝的扫查却受到了一些干扰。主要表现在：

 a. 外圆周向检测时横波折射角比实际标定的K值要大，一次波声程与跨距也随角度变大而增大，二次反射回波的灵敏度相对降低，折射角的变化使二次反射波对缺陷的定位误差也相对增大。

  b. 二次反射波束扫查到上焊缝边缘与母材交界的焊趾处，因耦合剂粘附在焊趾部位（声束从钢界面透射到凹角耦合剂中，穿透耦合剂后又进入钢界面），若此处有咬边或微裂纹，则缺陷回波与耦合剂干扰回波相重叠，易引起误判或漏检。

为了提高对上焊缝缺陷的检出率，在采用二次波探伤的同时，应注意利用一次直射波对上焊缝边缘区域进行辅助检测，通过使用短前沿的探头，增大一次直射波对焊缝的扫查范围，如图所示。

  理论上，缩短探头前沿距离和增大探头折射角，都能起到增大一次直射波对有余高焊缝的扫查范围。但在曲面工件探伤中，探头K值受到严格限制。例如：在探伤过程中，若探头“前磨损”，则K值减小，一次直射波对有余高焊缝的扫查范围减小；若探头“后磨损”，则K值增大，表面波干扰增多，影响探伤。故在保证探头K值的情况下，尽可能使用短前沿的探头探伤，提高一次直射波的扫查范围。

  图为K2.5探头扫查Φ406.4 mm×6.4 mm直缝双面埋弧焊接不锈钢管的情况，晶片1为探头前沿距离等于5 mm的扫查范围（a以下区域）。晶片2为探头前沿距离等于10 mm的扫查范围（b以下区域）。可以看出，由于焊缝余高的限制，探头K值不变时，短前沿探头对焊缝的扫查区域明显大于长前沿探头对焊缝的扫查区域。

 实践证明，使用前沿距离为5 mm的K2.5探头检测时，能够利用一次直射波有效地检出上焊缝边缘、距离母材表面深度1.5～4 mm的扩径裂纹缺陷，且检出灵敏度很高。对缺陷定位和定量均比二次波的条件好。此方法增大了一次直射波的检测范围，提高了对焊缝边缘缺陷的检出率，降低了对缺陷定位、定量的误差。该方法是外圆周向横波探测有余高焊缝的较理想方法，适用于小直径直缝埋弧焊管的超声波探伤。

三、焊缝余高与边缘裂纹缺陷回波的区别

 因不锈钢焊接钢管扩径产生的裂纹大都分布在焊缝边缘的熔合线区域，通过分析检测时探头所处的位置、相对于焊缝的水平距离以及是否产生反射回波等条件，来判定焊缝边缘是否存在裂纹缺陷。

 1. 外焊缝

  超声波主声束扫查焊缝中上部区域，如图所示。当上焊缝边缘无缺陷时，探头置于焊缝水平距离位置1和位置2的部位，均无反射回波显示，超声波声束被钢管表面反射后向远方传播，无反射回波。

  若外焊缝被扩裂，缺陷处于焊缝边缘的焊趾部位，探头置于位置1和位置2时，均有回波显示，如图所示，声束扫查到缺陷产生反射回波。

  当探头置于位置3时，外焊缝边缘有缺陷和无缺陷时都有回波显示。无缺陷时，焊缝边缘的轮廓部位会产生反射回波，如图8所示。a部位有缺陷时也产生回波，如图所示。由于两者的反射回波在同一坐标位置出现，波幅相互重叠覆盖，故无法判定部位是否真的存在缺陷。

  通过实践得知，外焊缝扩裂时，当反射回波显示的坐标位于探头同一侧的焊缝边缘部位，则可判定为扩径裂纹缺陷回波；若回波坐标位于探头另一侧的焊缝边缘部位，暂不能确定为缺陷。应将探头置于焊缝的另一侧，主声束扫查方向调转180°检测评定，若发现回波所处的坐标位于探头同一侧的焊缝边缘部位，则判定为扩径裂纹缺陷。

 2. 内焊缝

  超声波主声束扫查焊缝中下部区域，当内焊缝边缘无缺陷时，探头置于焊缝水平距离位置4无回波显示，如图所示。

  若内焊缝扩裂时，探头置于位置4，声束扫查到缺陷产生反射回波有回波显示，如图所示。探头位于位置5时，内焊缝边缘有缺陷和无缺陷时都有回波显示。无缺陷时b部位回波情况如图所示，有缺陷时回波情况如图所示，两者的回波出现在同一位置，波幅相互重叠覆盖，无法判定b部位是否存在缺陷。

  通过以上分析可知，当内焊缝扩裂时，示波屏上出现的回波坐标位于探头一侧的焊缝边缘时，则可判定为缺陷。回波坐标位于探头另一侧的焊缝边缘部位，则不能确定为缺陷波。

  由此可得出结论，检测过程中无论是外焊缝或内焊缝，发现回波位于探头同一侧的焊缝边缘时，可判定为扩径裂纹缺陷；若回波位于探头对面的焊缝边缘部位，则不能判定为缺陷波，应将探头置于焊缝的另一侧，主声束扫查方向调转180°再次检测评定，此时回波若位于探头同一侧的焊缝边缘部位，则判定为扩径裂纹缺陷。从焊缝两侧检测显示的回波坐标，用直尺测量定位可知，缺陷在焊缝部位的实际位置不会改变。

四、结论

 1. 在确定探头K值后应尽可能采用短前沿的探头（推荐使用前沿距离为5 mm的探头），并选用晶片尺寸和探头外观尺寸较小的探头，以达到良好的耦合效果。

 2. 应确保在焊接不锈钢管焊缝两侧均进行一次直射波和二次反射波的扫查探伤，只在焊缝单面单侧扫查存在缺陷漏检的隐患较大。

 3. 探伤过程中发现回波坐标位置处于探头一侧的焊缝边缘时，则可判定为不锈钢焊接管扩径裂纹缺陷，回波坐标位置处于探头另一侧的焊缝边缘部位，则不能确定为缺陷波。