何 照 羅俊勇 潘躍宏 張 續(xù) 孔德榮

（樂山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，四川樂山，614000）

我國敷設(shè)和在用的壓力管道無論是種類和數(shù)量都呈現(xiàn)高速增長的態(tài)勢。壓力管道使用條件苛刻，運行風(fēng)險較大，做好壓力管道的安全管理和檢驗檢測是保證壓力管道安全運行的迫切要求。壓力管道相對其它承壓類特種設(shè)備而言，一般直徑較小、壁厚較薄，大都采用單面焊。未焊透是壓力管道焊接接頭中最常見的一種危險性缺陷，其危害性取決于缺陷的形狀、高度和長度［1］。它不僅減少了焊縫的有效面積還會引起應(yīng)力集中，在削弱焊縫承載能力的情況下更嚴重降低焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度。未焊透作為疲勞裂紋源使焊接結(jié)構(gòu)失效而導(dǎo)致安全事故發(fā)生的案例并不少見。未焊透極大地危害著壓力管道的安全運行，是造成管道完整性破壞的重要原因。

正是由于未焊透對壓力管道安全運行的嚴重威脅，研究者們對含未焊透缺陷壓力管道的強度分析與安全評定進行了持續(xù)和深入的研究，取得了大量的研究成果［2，3］。國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局也發(fā)布了《在用工業(yè)管道定期檢驗規(guī)程（試行）》，對未焊透的定級進行了規(guī)定。對未焊透進行準確測量是研究成果和安全技術(shù)規(guī)范對未焊透進行安全評定的一個前提。射線檢測和超聲波檢測目前仍是壓力管道埋藏缺陷檢測的兩種基本方法。管道曲率半徑小，射線檢測透照厚度差大，未焊透深度和長度的準確測試存在很大的難度；在用壓力管道量大面廣，使用單位的檢修期很短，單純采用射線檢測也很難保證生產(chǎn)的需要。客觀現(xiàn)實要求超聲波檢測必須在壓力管道焊接接頭的檢測中發(fā)揮更大的作用，實際上超聲波檢測也正在成為壓力管道定期檢驗中埋藏缺陷檢測的主要手段。

壓力管道結(jié)構(gòu)特點是細而長，曲率半徑小，管壁厚度薄，常規(guī)超聲波檢測困難很大。管道曲率半徑小，普通探頭檢測時與管道接觸面小，曲面耦合損失大。同時超聲波在管道內(nèi)表面反射發(fā)散嚴重，二次波的檢測靈敏度更低。管道壁厚小，檢測時雜波多，有時造成缺陷波和干擾波難以分辨，大大增加了判傷難度［4］；在有效的檢測范圍內(nèi)，超聲波的近場區(qū)長度往往所占比重較大，不利于缺陷的定量。目前超聲波檢測儀的性能已達到相當(dāng)?shù)某潭?，壓力管道超聲波檢測工藝優(yōu)化的關(guān)鍵就是要合理選擇探頭的參數(shù)。

1 探頭參數(shù)對壓力管道未焊透檢測的影響

在超聲波檢測中，超聲波的發(fā)射和缺陷回波的接收是通過探頭來實現(xiàn)的，壓力管道焊接接頭超聲波檢測典型的橫波聲場如圖1所示。為提高壓力管道未焊透定量的準確度，應(yīng)通過斜探頭參數(shù)的合理選擇，盡量使聲束擴散角小，未焊透位于近場區(qū)外；為提高壓力管道未焊透檢測靈敏度，缺陷回波幅度應(yīng)盡量高。探頭晶片尺寸、頻率、前沿長度及K值都會對檢測工藝可靠性產(chǎn)生影響。

圖1 典型橫波聲場

1.1 探頭晶片尺寸的影響［4］

對曲率半徑小的壓力管道焊接接頭來說，晶片在管道接觸面上的散射是一個不容回避的問題，如圖2所示。由于探頭楔塊多為平面，晶片尺寸大，會導(dǎo)致探頭與管道接觸面過小，耦合損失大，探頭邊緣聲束會產(chǎn)生散射，有效聲束變窄，晶片尺寸越大，散射越嚴重。

圖2 不同晶片尺寸的散射作用

探頭晶片尺寸還影響超聲波的指向性和近場區(qū)長度，由半擴散角公式［圓形晶片］或者［方形晶片］可知，隨著探頭晶片尺寸D的增加，半擴散角θo會隨之減小，聲束指向性變好，超聲波能量集中，有利于提高檢測靈敏度和缺陷定量。但是在晶片尺寸增加的同時，由近場區(qū)長度公式［圓形晶片縱波聲場］與［橫波聲場，第二介質(zhì)近場區(qū)］可知，近場區(qū)長度N也會迅速增加，對缺陷定量不利。

1.2 探頭頻率的影響

探頭頻率越高，波長λ和脈沖寬度越小，分辨力也就越高，有利于發(fā)現(xiàn)更淺的未焊透，便于區(qū)分未焊透回波和焊接接頭根部的干擾回波。

探頭頻率對壓力管道未焊透檢測的影響還體現(xiàn)在指向性和近場區(qū)長度上。同樣由半擴散角公式與近場區(qū)長度公式可知，隨著頻率的增加，超聲波的波長λ變小，半擴散角θo也隨之變小，聲束的指向性好、能量集中，回波幅度大。但在頻率增加的同時，波長λ減小，如晶片尺寸等其他參數(shù)不變，近場區(qū)長度N也會隨之增加，同時聲束擴散角小會造成檢測區(qū)域變小，這又對檢測不利［4］。

1.3 探頭前沿及K值的影響

在壓力管道檢測過程中，由于壁厚較薄，內(nèi)壁反射發(fā)散嚴重，二次波靈敏度會明顯低于一次波。為了保證未焊透的檢測靈敏度，應(yīng)盡可能增加一次波在焊縫中的掃查面積，保證一次波能掃查到焊縫根部。探頭前沿的長度如果過大，對于壁厚較薄的管道，由于存在焊縫余高，會使一次波無法掃查到焊縫根部的缺陷。對壓力管道焊接接頭超聲波檢測工藝優(yōu)化方面的研究和實踐都認為應(yīng)通過探頭自身的優(yōu)化，盡量在檢測中選用短前沿探頭［5－7］。

對于橫波斜探頭來說，不同K值的探頭的靈敏度不同，對同一根部未焊透其回波高度相差較大。這是因為未焊透具有良好的反射面且多垂直于管子表面，超聲波在未焊透缺陷構(gòu)成的直角面內(nèi)形成端角反射。由圖3可知，對于單面焊根部未焊透，由于存在端角反射，當(dāng)橫波入射角在35°～55°之間，即K＝0.7～1.43時，檢測靈敏度較高，當(dāng) K＜0.7或 K＞1.5時，端角反射率很低，檢測靈敏度較低，容易引起漏檢。入射角在0或90°附近時，端角反射率理論上都很高，但實際由于入射波、反射波在邊界互相干涉而抵消，這個時候的檢測靈敏度實際上不高［4］。

圖3 橫波入射端角反射率

K值對探頭的近場區(qū)還有一定的影響，橫波探頭晶片尺寸一定時，隨著K值的增加，近場區(qū)長度將減小，這對于缺陷的定量是有利的。

超聲波傾斜入射時，K值還會影響聲壓往復(fù)透射率。圖4為有機玻璃/鋼界面上的聲壓往復(fù)透射率，由圖可知聲波入射角、折射角與聲壓往復(fù)透射率的關(guān)系。當(dāng)入射角位于第一臨界角27.6°和第二臨界角57.7°之間時，鋼中只有折射橫波，無折射縱波，折射橫波的往復(fù)透射率不超過30%［4］。當(dāng)折射角大于80°時，往復(fù)透射率顯著下降，說明K值的增加是有限制的。

圖4 有機玻璃/鋼界面上的聲壓往復(fù)透射率

2 典型單晶探頭橫波聲場的計算及分析

在對管道未焊透的檢測過程中，要想得到較為準確的檢測結(jié)果，就應(yīng)該有高的檢測靈敏度，好的定量準確性以及盡量少的雜波干擾。要滿足這些條件，就需要在滿足一次波掃查的情況下，使未焊透反射波幅盡量高；使未焊透缺陷位于超聲場的近場區(qū)外，保證反射波的定量更為準確；超聲場擴散角適當(dāng)，盡量不產(chǎn)生對檢測結(jié)果有干擾的雜波。檢測標準對壓力管道焊接接頭超聲波檢測斜探頭的選擇只提出了原則的要求［8］，由前面分析可知，斜探頭的晶片尺寸、頻率和K值對橫波聲場尺寸的影響是交互的，為優(yōu)化檢測工藝，應(yīng)進行定量計算。

在現(xiàn)有超聲檢測的器材中，斜探頭已經(jīng)系列化，用于管道焊縫檢測的單晶斜探頭頻率一般有2.5MHz和5MHz兩種，晶片尺寸主要是5×5、6×6、8×8三個系列，K值一般有 K1、K2、K2.5、K3四種。通過對各種常用單晶斜探頭的超聲場尺寸進行定量計算，可以為合理選擇探頭提供依據(jù)。表1為計算所得的不同斜探頭超聲場尺寸。

表1反映了探頭的晶片尺寸、頻率和K值對橫波聲場尺寸的交互影響，為壓力管道未焊透檢測時探頭的選擇提供了依據(jù)。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，超聲波檢測時應(yīng)根據(jù)管道的直徑、壁厚、坡口型式等條件進行綜合考慮。小口徑、薄壁管道，探頭晶片小才能更好地減小散射損失，短前沿、大K值是一次波掃查到根部的先決條件，盡管高頻率可以提高定量準確性，但對于寬度較大的焊接接頭，為增加掃查范圍，選用低頻探頭或許更好。大口徑管，散射損失不是突出問題，可以適當(dāng)增大晶片尺寸，以提高掃查效率，如發(fā)現(xiàn)未焊透，再用高頻率、小晶片探頭來準確定量。對于厚壁管道，近場區(qū)不是一個突出的問題，特別是對于坡口帶鈍邊的壓力管道，應(yīng)當(dāng)采用K1的斜探頭來準確測量未焊透。對于需要用當(dāng)量法提供未焊透高度的檢測，還應(yīng)再考慮斜探頭頻率，即超聲波波長與缺陷高度的比值，使缺陷回波幅度與缺陷高度的關(guān)系處于單調(diào)區(qū)間。

3 結(jié)束語

未焊透是壓力管道焊接接頭中最常見的危害性缺陷，對管道的安全使用威脅很大，檢驗的現(xiàn)狀要求超聲波檢測發(fā)揮更大的作用。超聲波斜探頭的合理選擇是超聲檢測工藝優(yōu)化的關(guān)鍵，需要綜合考慮探頭晶片尺寸、探頭頻率、折射角（K值）、前沿長度對檢測工藝的影響。

鑒于超聲波探頭已經(jīng)系列化，對超聲波檢測中斜探頭參數(shù)對檢測的影響進行了分析，對壓力管道焊接接頭檢測常用斜探頭超聲場尺寸進行了計算，得到了表1的超聲場數(shù)據(jù)，在檢測工作中應(yīng)當(dāng)根據(jù)該表數(shù)據(jù)結(jié)合管道的直徑、壁厚、坡口型式等條件進行優(yōu)化選擇，以提高管道未焊透的檢測水平，更好地保證壓力管道的安全運行。

表1 常用單晶斜探頭超聲場尺寸

［1］GB/T 19624－2004，在用含缺陷壓力容器安全評定［S］.

［2］王曉芳，翁荻，等.含未焊透缺陷工業(yè)管道的強度分析與安全評定［J］.輕工機械，2010，（01）.

［3］王文和，於孝春，等.含缺陷壓力管道安全評定方法研究的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2007，（02）.

［4］鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

［5］徐東生，林書生.小徑管對接環(huán)焊縫的超聲波探傷［J］.焊接技術(shù)，2010，39（7）：59－63.

［6］吳剛，羅曉明，胡文杰.小口徑薄壁管壓力管道對接焊縫超聲波檢測［J］.無損檢測，2004，（06）：284－288.

［7］范宇，陳文虎，等.薄壁小徑管超聲波檢測探頭設(shè)計及性能［C］.第二屆全國管道技術(shù)學(xué)術(shù)交流會議論文集，2002.

［8］JB/T 4730.1～6－2005.承壓設(shè)備無損檢測［S］.