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1、管道焊缝超声波检验有 关 问 题 的 探 讨唐化山（四川电建二公司，成都 610051）【摘 要】本文分析了管道焊缝UT特点及存在问题。对探头的频率f、折射角的正切值K、晶片尺寸对近场长度N的影响进行了分析及计算；折射角选择对检测结果影响进行了比较。提出减少近长区长度N的方法及探头参数不同时其适用范围。【关键词】管道焊缝 超声波 检验 1前言超声波探伤作为一种先进的检验技术应用于焊缝检验，具有灵敏度高、工作速度快、设备成本及检验成本低等特点，已经应用于工业检验的各个部门。对检验灵敏度高而言，许多重要焊缝，如大型压临界、超临界火力发电机机组中承压管道，因其承受高温高压，这些管道大多用低合金及至高
2、合金制成。在管道焊接过程中，焊缝容易产生裂纹。由于受射线穿透厚度的影响，如用射线对其检验，往往会使具有很大危害性但细小的裂纹及一定方向性的层间未熔合漏检。如某电厂#1机组再热热段设备焊缝缺陷处理后，用射线检验，存在于HAZ处的裂纹未即时发现而导致管道断裂事故。和一般对接焊缝相比，管道焊缝UT存在一些特点：（1）管道焊缝采用的单面施焊双面成形的焊接工艺，所形成的接头是环形接头。超声检测的是环形焊缝的整个横断面。探头接触面是圆弧面。平面探头与弧面接触已是线接触，耦合条件差。（2）因管道内部也是凸面，由于声波的扩散，超声波在凸面上产生散射，这种散射随着一次波声程的增加而增加，使得反射声压下降，而影响
3、缺陷检出能力。（3）在检测过程中，如果探头沿管道转动或绕动，会使声耦合恶化。因此，管道焊缝的UT较板焊缝的UT困难。2探头参数选择对钢板近场区长度影响的分析 超声探伤中，声波的发射和接收都是通过探头实现的。因此，探头的正确选择是决定检测结果准确与否的重要保证。 因为焊缝危害性缺陷大多是与探侧面锤直或成一定角度的缺陷，（如根部裂纹.未焊透.未溶合）所以管道焊缝的检测只能选择斜探头。斜探头其参数有：探头频率f，晶片尺寸及K值。它们的大小都影响近场区长度。由于近场区内声压存在极大极小值，探伤时声束都应避免在此范围内的检测。根据横波声场理论，我们可以得出横波声场在钢中的近场区长度公式： N=Fs/s&
4、#215;cosL1×(tg/tg) （21） 式中：FS-探头晶片面积。FS=a×b； s-钢中S波波长； tg=K值（探头折射角的正切值）； ：入射角； L1：入射点至波源距离；根据斯涅尔定律，我们可以求出（=）sin/C1=sins/Cs2 （22）1=arcsin（C1/CS2×sins）式中：C1-斜探头有机玻璃中L波声速：2730m/s 1-L波入射角由（21）式可以看出，钢中近场长度N与f、Fs及有关，对N 影响现讨论如下：2.1 f选择对N的影响：由（2-1）式可以看出，在探头Fs，K相同时f不同，N显然不同，如2.5Z10×16K1（L
5、1=8）与5Z10×16K1（L1=8）它们的N值相差很多。通过计算可以说明：对于2.5=10×16K1探头。 因为K=tg , 所以=arctgK=arcsin(C1/CS2×sin450）=arcsin(2730/3230×sin450） =36.70 波长 =C/f （2-3）对于2.5MZ的探头 波长 =C/f =3.23×106 mm/s/2.5MHz=1.292mm N=Fs/s2×cos/cosL1×tg/tg =10×16/×1.292×cos450/cos36.708×
6、;cos36.70/1 =28.8mm（钢中近场区长度）同样可以算出5Z10×16K1探头的N=72mm。所以频率选择越高，钢中近场越长。2.2 晶片尺寸Fs对N的影响：由于晶片尺寸不同，不同探头其入射点到实际波源距L1也不同。 例如：K值相同的两个探头2.5Z8×12K2，2.5Z13×13K3测得它们的L1分别为7m和14mm,按（21式）计算，不难求得它们在钢中的近场长度分别为12.1mm和25mm，所以晶片越大，近场长度也越大。2.3 K值对N的影响：通过实测我们可以看出：对与f相同，晶片尺寸相同，而K值不同的探头，其L1也不同，K越大L1越大。如：2.5
7、Z10×16K1.5的探头，L1为10mm，而2.5Z10×16K2.5的探头，其L1为12mm。而它们在钢中的近场区长度分别为24.2mm和17.6mm。所以K值越大，N值就越小。 表1就是汕头超声仪器研究生产的几种常用探头在钢中的近场长度数据：3.避免在近场区探伤方法的讨论根据标准：斜探头折射角的选择以直射（波）声束中心线至少能扫查焊接接头厚度的2/5为原则，这就要求探头在钢中近场区所对应钢中深度小于（T-2/5T），即N（h）3/5T，由此可以得出对应T5/3N（h）。（注：N（h）表示钢中近场区长度所对应同一探头的钢中深度。） 上表中2.5Z14×14A6
8、0的N（h）为14.95mm，就是说2.5Z14×14A60的探头，只能检测大于24.9mm厚度的焊缝。由此可以看出，每个探头所要满足检测的最小厚度是不同的。Tmin =5/3N（h）=5/3N cos=5/3Fs/×cos/cos-LI×tgcos （31）所以每个探头检测的最小厚度应满足（31）式。 表1探头型号L1N对应钢中深度 2.5Z14×14A60929.914.952.5Z14×10A601011.95.952.5Z10×12K2712.15.415Z8×12K2728.312.652.5Z13×13
9、K2142511.182.5Z10×16K1828.920.435Z10×16K187250.92.5Z10×16K1.51024.213.422.5Z10×16K2.51217.66.532.5Z8×12K2.58183.71如果允许检测最小厚度以14mm为限的话，通过（31）式计算不难求得出：上表中能满足此要求的探头是2.5Z10×10A60；2.5Z8×12K2；2.5Z10×16K2.5；2.5Z8×12K2.5而2.5Z14×14A60探头能检测的最小厚度为25mm；2.5Z13
10、15;13K2探头为19mm；5Z8×12K2探头为21mm；2.5Z10×16K1.5探头为23mm；2.5Z10×16K1探头为34mm以上；5Z10×16K1探头只能检测85mm以上的管道。通过我们的分析和计算知道，避免在近场区探伤首先是选择合适参数的探头。（1）在晶片尺寸较大（如13×13或10×16）时，不宜选用较高f（5MHz以上）的探头。一般说来，8×12或10×10的晶片（最大不超过13×13）可满足管道焊缝检验要求，再大的晶片面积会使耦合变差。（2）f选择不宜超过5MHz，可选在2.5M
11、Hz左右即可。（3）K值选择视管道厚薄决定，薄管选用大K值（K2.5以上），厚管选用小K值（K1.5或K1及以下）4.K值（）选择对缺陷检测结的影响焊接缺陷是不规则并具有一定方向性的，在满足超声波主声束扫查整个焊缝断面的前提下，还必须考虑缺陷性质及方向性，以选择合适的探头K值的探头，往往会得出不同检验结果，这是因为缺陷最强反射点方向性不一样所致。下表就是用不同K值探头检测同一裂纹的波幅情况，如图。（汕头超声仪器研究所产ECHOPE220，探测面与试块相同，探测对象：15CrMO ，50×50×300倾斜裂纹）探头型号标准孔读数dB/mm端角反射波dB/mm裂纹波幅dB/mm
12、裂纹波高于2×40孔裂纹波低于端角反射面2.5Z1×10A4534dB/5014dB/5030dB/50+ 4dB+ 16dB2.5Z1×10A6049dB/5429dB/5440dB/54+ 9dB+ 11dB2.5Z13×13K241dB/5036dB/5038dB/50+ 8dB+ 2dB2.5Z×13K2.541dB/4428dB/4436dB/44+ 5dB+ 8dB 从上表可以看出，用K2探头测出裂纹波幅与端角反射波幅相当，仅差2dB，而用K1（=45。）测出的裂纹最高波幅低于端角反射波幅16dB。由此可见，对有一定角度的缺陷，不同
13、值的探头会得出不同的检测结果。角度选得不合适，还会造成漏检。对于高合金管道如F11、F12、P91、P92、P122耐热钢来说，如TIG打底工艺不当，根部就容易产生裂纹。开始时裂纹基本上处于垂直表面状态，对此类缺陷，选用K1（=45。）探头往往会获得很高的反射回波。而用=60。的探头则反射回波很低。5.现场应用及检验存在的问题我们在国电华蓥山电厂2×300MM工程#2机组安装、四川泸州电厂2×600MM工程#2机组安装的主蒸汽、主汽再热热段等承压焊缝超声波检验中，以避免在近场区检验选用超声波探头进行检验，结果发现6道主蒸汽焊缝声程在近场以外的超标缺陷；同样检验条件，改用不同
14、的K、不同的晶片尺寸在近场区选用的探头对这些缺陷复查，结果大多发现不了缺陷或缺陷波幅不高。在对超标缺陷部位挖开证实：缺陷为气孔、坡口上未熔合。挖补后重新按原条件及参数进行检验，这些部位没有发现超标缺陷。5.1管道焊缝根部无法用肉眼看到，如成形不好，同样有很强的反射信号，应正确区分缺陷信号还是变形波信号。5.2关于频率f的影响（1）频率误差：每个探头的实际f与标称f有差异，这样使得钢中近场区实际值与计算值有差异，这样有时会影响检测结果。（2）f大小选择应考虑衰减因素及指向角要求。5.3探头晶片尺寸选择应考虑耦合、穿透厚度、指向性及N值问题。5.4仅考虑避免近场区而探头晶片的尺寸选择过小,探伤灵敏
15、度余量不够.6.结论6.1管道焊缝超声检测避免在近场区，要选用较小（10×10、8×12），最大不超过13×13的晶片。选择较大K值及较低频率（2.5MHz）f的探头，但同时要考虑灵敏度足够问题。6.2角不同时会影响缺陷检测结果。6.3选用8×12、10×10晶片的探头还应考虑f来满足N值问题。6.4f选用5MHz，Fs=10×16（或13×13）K1的探头，检测根部缺陷时只能在T85mm是适用。参考文献：1.电力工业出版社超声波探伤.M1985年1月2.唐化山超声检测中几种常见焊接缺陷的判定 电力系统第七届NDT学术会议论文集1996年10月 福建泉州
