王晉生 溫 堅

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西030024)

電廠的受熱面管如水冷壁、過熱器、省煤器以及再熱器等，其直徑僅為32 mm～60 mm，壁厚僅為3 mm～6 mm。對這些焊管選用超聲波探傷相對射線探傷有以下優(yōu)點：

—焊接中的裂紋和未熔合等危害性較大的面狀缺陷易于發(fā)現(xiàn)。

—超聲波探傷的成本較低，只需要一些偶合劑即可進行。

—檢驗周期短，工效高，超聲波探傷的評定可以連續(xù)進行。

—可以與其他的工種交叉作業(yè)，而不影響工程安裝的進度。

隨著機組容量的擴大，參數(shù)提高，焊管的焊口數(shù)量也隨之增加。為了避免漏檢，提高焊口的檢驗速度，焊管焊口超聲波探傷勢在必行。

1 焊管對接焊縫超聲波探傷分析[1]

1.1 焊管自身因素

焊管內(nèi)、外表面曲率較大，容易造成聲束的擴散，使探傷的靈敏度降低。焊管的管壁薄，管壁厚度相對公差較大，影響了對焊縫根部缺陷的判斷。焊管的管面曲率較大以及管壁較薄，加上焊縫根部形狀復(fù)雜，探傷過程容易產(chǎn)生變形波，表面波信號干擾了對真正缺陷的判斷。

1.2 對探頭性能的特殊要求

普通探頭的前沿尺寸均在10 mm以上，一次波掃查不到焊縫的根部。利用三次波探測，因探頭發(fā)射聲束寬，聲束擴散，曲面散射，回波游動范圍大，反射回波同聲程信息雜亂，給缺陷判定和定位等帶來很大的困難，從而影響了探傷的可靠性。探傷時，要考慮一次能掃查到焊縫根部1/4壁厚的范圍，給探頭探測焊縫根部有一個移動的范圍，即需要短的前沿探頭。依據(jù)聲波的折射定律：

sinα/sinβ=CL/CS

式中，α——楔塊材料入射角；

β——被檢測材料橫波折射角；

CL——楔塊材料縱波聲速；

CS——被檢測材料橫波聲速。

當β、CS不變時，α隨CL的變化而減小，見表1。

表1 α和β值(度)Table 1 The value of α and β(unit: degree)

注：α1有機玻璃入射角；α2聚楓材料入射角。

選用一、二次波對焊管的焊縫進行探傷時，由于焊縫的寬度和探頭前沿尺寸對探頭移動范圍的限制，應(yīng)選用大角度的探頭，才能使聲束掃查到整個鋼管焊縫的截面。

近場區(qū)超聲場存在一些聲壓極大值和極小值，其聲壓反射不符合球面波的反射規(guī)律，即在近場內(nèi)的缺陷大小與反射聲波高度不成比例，落在近場區(qū)的焊縫是無法進行探傷的。

對焊管壁進行探傷時，選用何種類型的探頭才能保證焊縫不落在近場區(qū)內(nèi)，這是一個非常關(guān)鍵的問題。

橫波斜探頭工件中近場區(qū)長度計算：

NS=ab/πλS×cosβ/cosα

l2=l1×tgα/tgβ

NS1=NS-l2

式中，NS——方形晶片探頭橫波近場區(qū)長度；

l1——晶片至入射射點長度；

l2——橫波虛構(gòu)源至入射射點長度；

a、b——分別為矩形晶片二邊長；

NS1——工件中橫波近場長度。

以頻率5 MHz，晶片尺寸為6 mm×6 mm和7 mm×7 mm的探頭，對壁厚4 mm，焊縫寬度6 mm的焊管探傷為例，l1取4.5 mm，見表2。

表2 晶片至入射射點長度l1Table 2 the length l1 between the crystal and the incidence point

從以上分析可以看出，選用普通斜探頭前沿尺寸磨短后的探頭，作為焊管對接焊縫探傷的探頭是不適宜的，對接焊縫可能落在近場區(qū)內(nèi)(尤其是晶片尺寸大于7 mm時)。使用聚楓材料制作的5p6 mm×6 mm探頭是完全可以避開近場區(qū)進行探傷的。當然，普通探頭磨制還應(yīng)考慮聲束是否落在探頭的磨制表面，否則，有一固定反射波。

2 焊管探傷工藝的編制[2]

2.1 標準試塊

標準試塊有以下作用：

—評價儀器與探頭的綜合性能；

—測量探頭聲束折射角；

—測量探頭的前沿尺寸；

—調(diào)整儀器掃描速度；

—測定探頭分辨力；

—確定探傷靈敏度。

2.2 焊管焊縫自然缺陷試塊

自然缺陷是指焊縫中常見的氣孔、夾渣、未焊透、內(nèi)凹、未熔合以及裂紋等缺陷。A型超聲波探傷中缺陷均以反射波高、大小來表示，即以某個人造反射體的當量來表示，沒有一個直觀性。為了摸清焊管焊縫中各種缺陷波的反射規(guī)律，以及缺陷大小與當量波高的關(guān)系，特制作了一套焊縫自然缺陷試塊，進行X射線探傷對比試驗，以便超聲波探傷對焊縫缺陷進行“直觀”判斷。

2.3 編制探傷工藝

2.3.1 探頭前沿尺寸與折射角的測定

焊管管壁的厚度相對公差較大，為了不影響缺陷的定位以及定性，有必要對探頭的前沿尺寸與折射角作準確的測定。

2.3.2 探頭角度的選擇

原則上是探頭一次波的聲束能掃查到焊縫根部和近根部，即焊縫的中線1/4壁厚以下的斷面，二次波能掃查到焊縫的中上部。

探頭的角度要適宜，選用聚楓材料制作探頭。當橫波折射角達到73°時，其縱波的入射角為42°。而第Ⅱ臨界角44°，由于聲束的前端擴散作用，其擴散聲束角度大于聲束的軸線角度，很容易產(chǎn)生強烈的表面波，易引起表面凹坑、飛濺以及焊縫加強面的強烈回波。探頭角度的選擇見表3。

表3 探頭角度的選擇Table 3 The selection of the probe angle

2.3.3 探傷靈敏度的選擇

靈敏度是儀器在規(guī)定的范圍內(nèi)對最小缺陷的檢出能力，是儀器的一項綜合指標。靈敏度偏高、噪音大以及雜波較多將會影響對缺陷信號的識別；靈敏度偏低對小缺陷易漏檢。

焊管對接焊縫一、二次波探傷應(yīng)考慮聲程差、對聲壓的反射差。對試塊的長橫孔而言，一次波和二次波的聲程靈敏度相差9 dB。因此，一、二次波探傷應(yīng)分別制定探傷的靈敏度。

2.3.4 表面聲能損失的測定

焊管內(nèi)、外表面曲率大，探頭要加工成與外表面相同的弧面。一次波探傷只考慮表面偶合補償，不考慮曲面對聲能的擴散損失。表面偶合補償值與管子的外表加工狀態(tài)有關(guān)，其數(shù)值依管子表面凹凸度的大小而定。表面偶合補償值順序為：砂輪磨制>銼刀磨制>冷拔表面>砂皮磨制>薄而致密的油漆層。

二次波探傷不但應(yīng)考慮一次波探傷時表面偶合補償，而且要同時考慮管子內(nèi)曲面對聲能擴散的補償。

2.3.5 焊管焊縫探傷掃查

選用一、二次波在焊縫兩測掃查。先用探傷靈敏度對整個焊管的焊縫進行初探，發(fā)現(xiàn)缺陷后先作好標記，然后再進行細探。探頭掃查軸向移動每次不得超過晶片寬度的一半。二次波掃查時探頭移動應(yīng)到位，即保證二次波聲束掃查到整個焊管焊縫的截面。

2.3.6 缺陷波的確定

探傷時屏幕上除真正的缺陷信號外，還會出現(xiàn)變形波，表面波干擾信號。探測過程需要用沾油手觸拍探傷面以及探頭前沿，觸摸到的變形波與表面波信號均會發(fā)生跳動，并注意觀察探頭下小飛濺和凹坑出現(xiàn)的反射波。

應(yīng)根據(jù)水平定位確定反射波與探頭位置的反射波。

當發(fā)現(xiàn)近根部的位置出現(xiàn)反射波時，應(yīng)對焊縫二側(cè)管壁進行測定，然后再依據(jù)掃描速度與探頭參數(shù)確定是一次波還是二次波得到的反射。

3 缺陷波型分析

3.1 裂紋回波

聲波反射當量高，波型尖銳，從鋼管焊縫的兩側(cè)均可以發(fā)現(xiàn)。當探頭作橫向移動或轉(zhuǎn)動3°～5°時，波幅變化不大。隨著裂紋深度的變化，探測聲程不同反射體水平位置幾乎相同。當探頭向前移動聲束越過裂紋端點時，聲波急劇下降。

3.2 焊瘤回波

焊瘤，包括根部成形不良時的回波均大于一個壁厚標記點。從焊管焊縫兩側(cè)反射波水平位置均落在偏離焊縫中心遠離探頭的一側(cè)。

3.3 內(nèi)凹回波

反射波幅明顯低于未焊透，聲波位置落在偏離焊縫中心靠近探頭的一側(cè)，從焊縫兩側(cè)發(fā)現(xiàn)反射波的間距大于未焊透間距(對口間距)，探頭繼續(xù)前移可以測到內(nèi)凹的深度。

4 結(jié)束語

通過一段時間對自然缺陷試塊超聲波探傷的應(yīng)用，在現(xiàn)場對焊管焊口開始應(yīng)用性探傷。有條件時選用射線探傷復(fù)檢對比；無條件時，直接控補觀察驗證。

焊管對接焊縫超聲波探傷關(guān)鍵在于選擇探頭儀器以及確定探傷的靈敏度。只有正確掌握超聲波探傷工藝，焊管對接焊縫超聲波探傷法可以成為一種方便、快捷、可靠的檢測手段。

[1] 李生田，李家鰲，康紀黔.鋼焊縫手工超聲波探傷和探傷結(jié)果分級.北京：中國標準出版社，GB11345-1989，687-713.

[2] 李克明，劉德榮，張志永.超聲波探傷.北京：電力出版社，1980.