无损检测：超声波检测对直缝埋弧焊钢管的质量控制技术

1、回波信号分析

焊接接头由焊缝及热影响区两部分组成。焊接熔池从高温冷却到常温，期间经历一次结晶和二次结晶。二次结晶发生在焊缝和靠近焊缝的金属区域，该区域在焊接过程中收到不同程度加热，在不同温度下停留一段时间后又以不同速度冷却下来，最终获得各不相同的组织和机械性能，称为热影响区。根据组织特征可将热影响区划分为熔合区、过热粗晶区、相变重结晶区和不完全重结晶区四个小区。其中熔合区和过热粗晶区组织晶粒大、塑性低，是产生裂纹局部脆性破坏发源地，是焊接接头的薄弱环节。所以热影响区缺陷问题不同于焊缝中的缺陷，处理起来较为复杂，对钢管质量影响较大。根据对超声报警超出验收标准的部位取样进行热酸蚀等理化分析和碳弧气刨及胶片拍片，进行了下列分析。

1.1 钢管热影响区母材存在夹杂物等

依据API 5L(44版)标准，用2.5P 8×12 K2探头检测φ1016×21mm 规格的钢管，发现深度在14mm—18mm左右，水平距离定位在焊趾边靠母材约2mm—5mm处有强烈反射波出现，缺陷信号断断续续。超基准波幅 (φ1.6mm竖通孔100%波高)10dB，探头移到焊缝对侧则缺陷波反射很低或较难探测到。同时缺陷波根较宽，波峰为毛粗，主峰边上有小峰，根部带有小波，探头移动时，波形变化明显，从各个方向探测，反射波幅不相同，呈现出夹杂反射波特征。该信号出现在热影响区的母材区域，按照API 5L(44版)标准，PSL2的钢管母材不许补焊。为慎重起见，抽取超过基准波幅10dB以上且连续长度超过10mm的多处反射波位置进行细颗粒胶片拍片，发现部分反射波位置在内焊趾轮廓线处有点状夹杂，夹杂按API 5L(44版)标准评定合格。根据超声波和X射线探伤确定缺陷的横断面部位截取试样进行热酸腐蚀，发现熔合线靠母材侧有孔洞和夹杂物，该夹杂物符合 ASTM E45标准要求。

1.2 焊角回波及变形波

少部分反射信号时由于焊缝与母材交界处的焊角回波及变形波产生，因此需准确调整超声仪器，判定回拨产生的位置。当横波声束入射到探头对侧焊缝下表面的某些部位时，其反射横波S′和反射纵波L′垂直入射至上表面的某些特殊部位，再垂直反射沿原路返回，形成变形横波和变形纵波，与第一次底波一起，在荧光屏上显示，形状像“山”字形(图4)。内坡口变形波的传播和波形，在示波屏上有些变形波正好在二次波探测的范围内，往往可能被误判为二次波发现的缺陷。识别方法是：变形波在很大范围内，甚至在整个焊道的周围都有。因此可将探头平行于焊缝移动以审视鉴别。

1.3 焊趾裂纹

用于油气输送的直缝埋弧焊管，一般均需冷扩径。在冷扩径后，焊管在焊趾或热影响区部位可能会出现裂纹，产生的原因是多方面的。API 5L(44版)规定，冷扩径管焊缝要求无损检测应在冷扩径后进行，超声检测裂纹反射波信号特征：反射率高，当探测方向有利时反射波高度较大，波形较宽，探头平行移动时，反射波连续出现，波幅有变动，探头摆动时，波峰有上下错动现象，多峰波交替出现最大值，摆动角度较大。部分超声反射波形判定为裂纹缺陷信号的，经过取样金相实验证实裂纹的存在。

1.4 偏析回波

在对材质为X70、厚度为21mm的钢结构钢管焊缝探伤中，发现一条焊缝在板厚一半深处左右，有一反射信号出现。当反射波出现时，波型特征似微小裂纹波型，反射位置偏向焊缝坡口边沿母材侧，沿焊缝长度方向，断断续续出现。在其反射波的位置上，切取试样进行分析，磨制金相观察面后经抛光盐酸煮沸观察，未发现裂纹等缺陷。在超声波探伤一侧母材区域发现有一个弧形亮白区，经测定，弧形亮白区超声衰减系数大于其他部位，说明弧形亮白区的晶粒结构粗大，对超声传播产生很大影响。显微组织观察发现弧形亮白区为与母材色泽不同的部位，呈严重带状分布的组织，这是因为成份偏析所造成的一种粗晶粒组织。其对传播的影响很大，所以横波探伤时，在弧形亮白区位置产生回波信号。根据探伤中遇到的情况，初步判断为金属元素偏析的超声回波信号。偏析的回波信号波幅低而稳定，波峰尖锐、陡峭，波根狭窄。从波型特征分析，探头移动到回波信号位置，反射波幅不高，缺陷深度出现在板材厚度的中间，偏向焊缝边沿，当探头垂直于焊缝前后移动时，反射波很快消失，相似于板材夹层对焊缝边沿的影响，探头平行于焊缝移动时，反射波稳定，可以移动一定距离后慢慢消失。此类波型，很容易误判为裂纹缺陷波。部分超基准波幅按API 5L验收为不合格。因回波在母材区域，按API 5L PSL2要求母材不许返修，重新对该母材区域进行直探头检测，与钢板探伤时的反射信号一样,另外反射信号最高的部位取样作金相实验，看到母材有断续的分层。

3、提高伪缺陷波判别准确性的方法

在钢管焊缝超声探伤中，因为钢管焊接的工艺特点，示波屏上常常除始波和缺陷波外，还会出现一些由其他原因引起的伪缺陷回波，这些伪缺陷波干扰了对缺陷波的正确判别。以下是四种伪缺陷波的成因和鉴别方法。

3.1 耦合剂反射波

理论上要求耦合层厚度为半径长的整数倍，若耦合剂过于粘稠、流动性不好、耦合层厚度太厚，容易堆积在探头前部，从压电晶片反射的纵波有一部分转换成表面波，造成反射信号，用手轻轻抹掉探头前部的耦合剂，该波即会消失。

3.2 焊缝表面焊痕反射波

这种反射波在钢管现场对接焊缝中出现较多，由于钢管长度偏差，加上多层结构的累积误差，使部分钢管柱对接时焊缝宽度过大，多道施焊使焊缝表面形成一道道焊痕(图8)。当超声波扫查到焊缝时，会引起焊痕反射，该反射波信号不强烈、迟钝，一般出现在一、二次底波稍偏后位置。识别方法是将探头固定不动，用手沾耦合剂轻轻拍打焊痕处，该波则轻轻跳动。

3.4 焊缝余高或咬边形成的非缺陷波

当焊缝过高或咬边，很容易形成边角反射，影响判别。判别方法是①精确计算声程距离，根据显示屏显示的数据，确定缺陷的深度或水平位置来判别是否为缺陷波;② 用手沾耦合剂轻轻拍打焊缝两侧，如反射波信号出现跳动，则说明该反射波是因为焊缝余高而造成的边角反射，并非缺陷波;③利用手动电磨对焊缝余高或疤痕进行打磨后再进行检测，若此时反射波消失，则该反射波是非缺陷波。

4、结论

(1)超声反射信号超标，根据回波形等判为缺陷且符合补焊要求的严格按补焊规程补焊，补焊后按原超声标准进行复探。

(2)综合运用各种无损检测方法和破坏性方法相结合。对于钢管热影响区反射信号超标，如不能准确判断缺陷性质，可采用射线拍片进行确认，为弄清缺陷性质，位于管端的可取样分析。