陳志浩 馬楊勇

摘 要：熱裂紋是不銹鋼管道對(duì)接焊縫的常見(jiàn)焊接缺陷，該缺陷會(huì)導(dǎo)致管道密封性能損傷，在壓力環(huán)境下容易形成管道安全威脅，超聲波檢測(cè)技術(shù)是一種監(jiān)測(cè)不銹鋼管道焊接缺陷的有效手段，應(yīng)用該技術(shù)可以通過(guò)分析回波信號(hào)快速發(fā)現(xiàn)不銹鋼管道對(duì)接焊縫處的熱裂紋，以便及時(shí)開(kāi)展對(duì)管道的維修維護(hù)工作，為管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)安全提供技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：不銹鋼管道;對(duì)接焊縫;熱裂紋;超聲波檢測(cè)技術(shù)

1 前言

1.1 熱裂紋對(duì)不銹鋼管道對(duì)接焊縫的影響

不銹鋼管道具有良好的耐酸蝕性能、耐磨損強(qiáng)度和綜合力學(xué)性能，在工業(yè)生產(chǎn)和危險(xiǎn)品輸送中有重要應(yīng)用。對(duì)接焊縫是影響不銹鋼管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。焊接熱裂紋是在焊接過(guò)程的高溫作用下鋼材內(nèi)的硫、磷、碳結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象，又稱結(jié)晶裂紋，在不銹鋼管道的幾種焊縫缺陷當(dāng)中，焊接熱裂紋常隱藏在焊縫鋼材內(nèi)部，肉眼不可見(jiàn)，在顯微鏡下才能觀察到，因此屬于結(jié)構(gòu)隱患，容易誘發(fā)其它焊接缺陷，影響不銹鋼管道系統(tǒng)穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)可誘發(fā)爆破、泄漏等事故，因此應(yīng)第一時(shí)間予以檢測(cè)、維修及排除。

1.2 超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)管道檢測(cè)的意義

超聲波檢測(cè)技術(shù)在不損壞不銹鋼管道結(jié)構(gòu)材料的前提下，對(duì)被檢驗(yàn)管道對(duì)接焊縫的內(nèi)外部焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查，主要意義有：①有助于施工方改善不銹鋼管道的焊接工藝，降低熱裂紋缺陷的產(chǎn)生幾率，提高對(duì)接焊縫耐腐蝕、高強(qiáng)度的物理特性;②降低檢測(cè)成本，與X射線探傷檢測(cè)技術(shù)相比，超聲波檢測(cè)技術(shù)用于平滑、連續(xù)管道內(nèi)的靈敏度、效率都有明顯的比較優(yōu)勢(shì)，有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性;③技術(shù)簡(jiǎn)單，靈活性高。超聲波檢測(cè)設(shè)備儀器構(gòu)成簡(jiǎn)單、容易攜帶，可大規(guī)模開(kāi)展檢驗(yàn)檢測(cè)工作，對(duì)人體的危害性非常小，提高不銹鋼管道系統(tǒng)的使用年限;④有助于不銹鋼管網(wǎng)系統(tǒng)完善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

2 超聲波檢測(cè)技術(shù)概述

2.1 超聲波檢測(cè)技術(shù)工作原理

超聲波屬于物質(zhì)或能量發(fā)生彈性機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的聲波，其聲波頻率一般大于2萬(wàn)赫茲，超聲波的頻率高、能量大，衍射現(xiàn)象與一般聲波相比不明顯，在固、液、氣態(tài)介質(zhì)中傳播的方向性、連續(xù)性非常強(qiáng)，當(dāng)尤其是在均勻介質(zhì)中的直線傳播過(guò)程體現(xiàn)出優(yōu)良的束射性，在金屬探傷、檢測(cè)工作中常常通過(guò)回波信息將檢測(cè)工件的表面及結(jié)構(gòu)情況。因而超聲波在不銹鋼管道內(nèi)部傳播時(shí)，當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)性能構(gòu)成影響的焊縫熱裂紋尺寸大于超聲波波長(zhǎng)，在熱裂紋處超聲波會(huì)發(fā)生影響連續(xù)性的反射，通過(guò)探傷儀可確定超聲波發(fā)生反射的具體位置，因此可以通過(guò)超聲波在直線方向的回波幅度變化情況，來(lái)反映出在不銹鋼管道對(duì)接焊縫中是否存在表面、內(nèi)部的缺損情況[1]，應(yīng)用于管道焊接缺陷的超聲波檢測(cè)技術(shù)主要有脈沖反射法和脈沖透射法兩種。

2.2 超聲波脈沖反射法

超聲波脈沖反射法的原理是利用介質(zhì)界面變化產(chǎn)生的聲阻抗引發(fā)的超聲波反射現(xiàn)象。具體技術(shù)主要有散點(diǎn)：①超聲波檢測(cè)儀器的探頭同時(shí)兼有發(fā)射、接收超聲波功能，通過(guò)探頭發(fā)射高頻負(fù)脈沖，傳導(dǎo)入換能器形成超聲波，由探頭發(fā)射入管道內(nèi)部;②探頭接收回波信號(hào)，進(jìn)入換能器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在探傷儀的可視屏幕上通過(guò)基軸坐標(biāo)系顯示出一次回波、二次回波，通過(guò)比較兩次回波的時(shí)間軸位置作為管道缺陷判斷依據(jù);③檢測(cè)人員根據(jù)二次反射回波的大小情況、基軸相對(duì)位置等情況來(lái)判斷官網(wǎng)缺陷的大小及位置情況，原理如圖。

脈沖反射檢測(cè)法靈敏度較高，能夠檢測(cè)出只有初始聲壓1%強(qiáng)度的反射聲壓，對(duì)于微小的結(jié)晶熱裂紋具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和定位精度，在垂直、水平方向上的誤差率低于2%，而且儀器操作簡(jiǎn)單方便[2]。但脈沖反射法對(duì)于材料要求比較高，具有吸音性能的管道會(huì)對(duì)超聲波產(chǎn)生衰減作用，對(duì)管道壁的厚度也有一定要求，因此超聲波脈沖反射法用于不銹鋼管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)檢測(cè)方面是一種適用性較強(qiáng)的檢測(cè)方法。

2.3 超聲波脈沖透射法

超聲波脈沖透射法的原理是當(dāng)不銹鋼管道內(nèi)部存在破損界面或裂紋時(shí)，超聲波在通過(guò)該缺陷界面時(shí)受到缺陷結(jié)構(gòu)的聲波阻抗作用，產(chǎn)生透射、反射、繞射等現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為：①發(fā)射超聲波，在另一端的接收器上產(chǎn)生顯示本次透射的聲波能量，在遭遇聲波阻抗作用區(qū)域時(shí)候可視屏幕上的透射能量降低;②不銹鋼管道對(duì)接焊縫存在氣泡、裂紋、未焊透等缺陷時(shí)，超聲波發(fā)生的到達(dá)時(shí)間、能量衰減、頻率變化等一系列數(shù)據(jù)反映了測(cè)試區(qū)域內(nèi)管道對(duì)接焊縫的聲學(xué)參數(shù)，并記錄、儲(chǔ)存在檢測(cè)儀器中;③通過(guò)對(duì)接焊縫聲學(xué)參數(shù)與連續(xù)分布管道的參考聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較分析，從而判斷對(duì)接焊縫缺陷屬于哪一種缺陷型態(tài)，原理如圖。

相比于反射法的單一發(fā)射器兼換能器，脈沖透射法需要設(shè)置2個(gè)發(fā)射器兼換能器，分別布置于待測(cè)管道、待測(cè)區(qū)域兩端，因此脈沖透射法更適用于目標(biāo)相對(duì)明確的管道對(duì)接焊縫節(jié)點(diǎn)。

4 利用脈沖透射法檢測(cè)不銹鋼管道對(duì)接焊縫熱裂紋的技術(shù)工序

4.1 超聲波檢測(cè)技術(shù)選擇

一般超聲脈沖透射法波檢測(cè)技術(shù)常根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)常壓、母材厚度分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，絕大多數(shù)不銹鋼管道的管壁厚度在0.01～250mm之間，因此可以確定工藝：①本文選例為B級(jí)超聲波檢測(cè)級(jí)別;②對(duì)接焊縫處選擇單面雙側(cè)作業(yè)，檢驗(yàn)區(qū)域?qū)挾葹閷?duì)接焊縫本身以及兩側(cè)8mm的一段母材;③對(duì)接焊縫接頭余高不需磨平，也不需再對(duì)管身母材區(qū)域進(jìn)行探頭查掃檢測(cè)。

4.2 檢測(cè)前準(zhǔn)備工作

超聲脈沖透射法檢測(cè)工作開(kāi)展前應(yīng)進(jìn)行一系列準(zhǔn)備工作，以保證合理的技術(shù)參數(shù)，一般情況需開(kāi)展如下工作：①確定不銹鋼管道的材質(zhì)規(guī)格、焊接工藝、熱處理情況坡口形式，標(biāo)定待測(cè)對(duì)接焊縫接頭中心位置;②清理焊接移動(dòng)區(qū)表面，對(duì)影響超聲波透射的表面形狀修磨至圓滑，清除焊接飛濺、氧化、銹蝕、污垢;③設(shè)定探頭移動(dòng)跨距，確定探頭移動(dòng)距離覆蓋整個(gè)對(duì)接焊縫及熱影響區(qū)。④設(shè)定探頭掃查速度，不能因?yàn)檫^(guò)快而導(dǎo)致采樣過(guò)程漏過(guò)較細(xì)微的熱裂紋，或加裝自動(dòng)報(bào)警裝置以防止速度不合理;⑤檢查探頭覆蓋率，應(yīng)使探頭發(fā)出超聲波束的查掃范圍保持在探頭直徑的15%以上，以對(duì)檢測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況作更加全面的結(jié)果反饋。⑥探頭自身設(shè)定與調(diào)試，包括選擇合適的耦合劑、探頭頻率、探頭晶片、探頭K值等等，需要針對(duì)不銹鋼管道焊接工藝及材質(zhì)的的質(zhì)量參數(shù)而進(jìn)行選擇。

4.3 檢測(cè)操作與分析

①調(diào)節(jié)掃描速度，檢測(cè)人員通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，使可視屏幕中基軸上的水平刻度值與超聲波在介質(zhì)中的傳波過(guò)程形成合理比例，在本次檢測(cè)過(guò)程中水平刻度值應(yīng)直接與反射體垂直深度成比例;②繪制距離——波幅曲線，根據(jù)可視屏幕上的回波高度與距離的變化關(guān)系，分析面板曲線上評(píng)定線、定量線、判廢線之間的分區(qū);③進(jìn)行查掃動(dòng)作，通過(guò)控制探頭在作業(yè)面上的移動(dòng)以及方向，檢測(cè)裂紋的發(fā)生處、深度、方向、長(zhǎng)度、形狀等，并計(jì)算相關(guān)數(shù)值;④評(píng)定對(duì)接焊縫質(zhì)量級(jí)別，進(jìn)一步根據(jù)反射波幅在面板曲線分區(qū)的位置關(guān)系，對(duì)熱裂紋造成的缺陷影響進(jìn)行分析。

結(jié)語(yǔ)：本文對(duì)超聲波檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了原理分析，解析了兩種可應(yīng)用于不銹鋼管道缺陷檢測(cè)的超聲波檢測(cè)技術(shù)，認(rèn)為脈沖透射法對(duì)不銹鋼管道對(duì)接焊縫熱裂紋的檢測(cè)具有較強(qiáng)針對(duì)性，并提出了在應(yīng)用方面實(shí)踐性較強(qiáng)的基本工藝工序流程。

參考文獻(xiàn)：

[1]王玥霽.用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)初探超聲回波信號(hào)模型[D].大連：大連理工大學(xué)，2003：5-6.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì).超聲波檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：56-60，71-72.