浅谈钢制小径薄壁管环向对接接头的超声波检测工艺

浅谈钢制小径薄壁管环向对接接头的超声波检测工艺
摘要：在承压类特种设备的制造和安装过程中，当钢制小径薄壁管环向对接接头因为受到结构或位置限制而不能优先选择射线检测方法时，超声波检测无疑是更为合理的检测方法。

本文较为详细地介绍了钢制小径薄壁管环向对接接头超声波检测的一般性工艺方法，包括探头和试块的选用、仪器探头系统的校准，以及DAC曲线的制作方法等方面内容，可做为承压类特种设备中钢制小径薄壁管环向对接接头采用超声波检测时的参考。

关键词：钢制小径薄壁环向对接接头超声波检测一般性工艺方法
1、前言
在承压类特种设备的无损检测中，时常遇见公称直径150mm以下，壁厚为4～8mm的小径薄壁管(一般为无缝管)的环向对接接头。

通常情况下，对该类对接接头，采用射线检测是最为可靠的检测手段。

但由于对接接头的位置以及检测现场条件等因素的限制，当不能优先选择射线检测方法时，选择超声波检测更为合理。

下面，依据JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》超声检测部分的第 6.1章节，浅谈一下钢制小径薄壁管(材质仅限于碳素钢和低合金钢)环向对接接头的横波接触法超声检测工艺，仅作参考。

2、探伤仪、探头、试块和耦合剂的选用
2.1探伤仪
必须满足JB/T4730.3-2005标准中3.2.2.1条关于仪器的要求。

2.2探头
必须满足JB/T4730.3-2005标准中3.2.2.2条关于探头的要求。

小径管曲率半径小，管壁厚度薄，常规横波斜探头与管材接触面积小，耦合不良，波束扩散严重，检测灵敏度很低。

因而，在选用探头时，应从以下几个方面考虑：
(1)曲面耦合：小径管表面为曲率半径较小的曲面，为了实现良好的耦合，一般将探头楔块加工成与管子外径相吻合的曲面，以减少耦合损失。

(2)晶片尺寸：探头楔块加工成曲面后，探头边缘声束将会产生散射。

晶片尺寸越大，散射越严重。

为了减少这种散射的不利影响，晶片尺寸不宜太大。

此外，为了尽量减少近场区的不利影响，也应该选择较小尺寸的晶片。

实际探伤中，一般要求所选用的探头的晶片边长不大于8mm。

(3)频率：探头晶片尺寸小，指向性较差。

小径管壁薄，反射杂波多，为了改善探头指向性和提高分辨率力，一般宜采用较高的探测频率，如5MHz。

(4)前沿长度：小径薄壁管的超声波探伤中，由于内壁反射发散严重，因此二次波灵敏度明显低于一次波。

为了尽可能增加一次波在焊接接头中的扫查面积，保证一次波能扫查到焊接接头根部，所选用探头的前沿长度应予以限制，一般要求不大于6mm。

(5)K值：小径管壁薄，若探头K值小，则一次波声程小，对缺陷定位、定量的误差较大，因而宜采用大K值的探头进行探伤。

JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》超声检测部分第6.1章节要求，探头的一次波至少能探测到焊接接头的根部，即所选用的探头的K值必须满足K≥(a/2+b/2+10)/T，式中a、b分别为焊接接头上下底面的焊缝宽度，10为前沿长度，T为板厚。

在满足标准要求的前提下，一般常选用K2.5或K3.0的探头。

综上所述，由于小径薄壁管的曲率较大，易使斜入射横波的回波进一步发散，使得缺陷回波反射率大大降低，而且管壁较薄时，裂纹和未焊透等危害性较大的缺陷往往产生在小径薄壁管对接接头的根部，因此在选择探头时，应选用一种短前沿(前沿长度≤6mm)、高频率(5MHz)、大K值(选取K值为2.5～3.0)、小品片(6mm×6mm或8mm×8mm)的专用探头，从而保证探头能达到信噪比高、分辨力高、探伤盲区小、指向性好的性能。

目前国内已有不同规格的小径管超声检测专用探头，探头性能均能满足相关检测要求，可根据小径管的尺寸选择相应的专用探头。

2.3试块
(1)标准试块：JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》超声检测部分的第6.1章节中，并没有明确提到用于仪器探头系统性能测试校准的标准试块。

因此，我们可以使用电力部或石油部的标准试块，即DL-1系列试块或sGB系列试块。

如果没有DL-1系列或SGB系列的标准试块，也可以选用相应的GS试块进行仪器探头系统性能的校准。

(2)对比试块：依据JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》超声检测部分的第6.1章节的要求，试块的曲率应与被检管径相同或相近，其曲率半径之差不应大于被检管径的10％。

根据被检的管子的外径尺寸，从GS系列对比试块中选择相应的试块。

不论标准试块，还是对比试块，都必须满足JB/T4730.32005标准中3.5条和6.1.2条关于试块的要求。

(3)耦合剂：必须满足JB/T4730.3-2005标准中3.3p步骤1、利用DL-1试块：在DL-1试块上移动探头分别找到R25、R50处的最大回波B1、B2，反复调节“零点”与“声速”按键，使B1、B2分别对准读数为25mm、50mm，进行时基扫描线的调节按深度1:1调整；在DL-1试块上找到R50处的最大回波B2，测定探头的
前沿长度。

步骤2、利用GS-3试块上埋深24mm处的φ2通孔最大回波，测定探头的K 值。

步骤3、距离一波幅曲线的绘制：
(1)在GS-3试块上，移动探头，仪器自动调节增益使深度为4mm处的φ2×20通孔的最高回波达到基准波高的80％，在参数区有“DAC”三字提示时，按“回车”确认此回波，屏幕上将显示一条与该波峰同高的直线，再移动探头寻找深度为9mm孔的最高回波，旋转旋钮，将光标移至9mm孔的回波上，按“确认”键确认，屏幕上显示由4mm和9mm两孔所得的DAC母线，同样确定14mm、19mm、24mm 各孔的波高，各点采集完成且经确认存储后，DAC母线即制作完成。

(2)在GS-3试块上，移动探头，调节增益，分别使深度为4mm、9mm、14mm、19mm、24mm各处的φ2×20通孔的最高回波达到基准波高的80％，并分别记录各个孔所对应的增益读数。

考虑到计算纸上画的DAC曲线是衰减型曲线，深度为4mm、9mm、14mm、19mm、24mm各处的衰减读数为探伤仪最大增益读数减去对应孔的增益读数，此时，所得的数据即可绘成不考虑补偿情况下的实测母线。

方法二：GS-3试块
步骤1、在GS-3试块上进行时基扫描线的调整：
为了避免近场区的干涉现象对仪器调试的不利影响，选择GS-3试块上的19mm、29mm两处φ2横通孔进行时基扫描线的调节按深度1:1调整。

在GS-3试块上移动探头，分别找到19mm、29mm处φ2横通孔的最大回波B1、B2，反复调节“零点”与“声速”按键，使B1、B2分别对准读数为19mm、29mm，此时时基扫描线按深度1:1调整完毕。

步骤2、在GS-3试块上测定探头的K值和前沿长度：
选择GS-3试块上的19mm、29mm两处φ2横通孔，移动探头找到埋深19mm 处φ2横通孔的最高反射波，记录探头前沿到对应方向试块边缘的距离L1；同样，移动探头找到埋深29mm处φ2横通孔的最高反射波，记录探头前沿到对应方向试块边缘的距离L2。

步骤3、距离波幅曲线的绘制：
同“方法一”的步骤3。

3.3检测灵敏度的确定
依据JB/T4730.3-2005标准，确定相应的距离一波幅曲线的灵敏度，评定线为φ2×20-16dB，定量线为φ2×20-16dB，判废线为φ2×20-10dB。

关于探伤灵敏度补偿量的测定，可参考JB/T4730.3-2005《承压设备无损检测》超声检测部分的附录F。

确定补偿量后，在制作好了的DAC曲线上补偿相应的补偿量即可。

3.4探伤扫查
扫查灵敏度不低于最大声程处的评定线灵敏度。

一般将探头从对接焊接接头两侧垂直于焊接接头扫查，探头前后移动距离应符合要求，探头左右移动距离应小于探头晶片宽度的一半。

扫查时主要采用一次波、二次波、三次波探测，即一次波、三次波探测对接接头的下部缺陷，二次波探测对接接头的上部缺陷。

3.5回波分析
对小径薄壁管的环向对接接头进行超声检测时，对接接头区域的反射波比较多且比较复杂，内凹、未焊透、焊瘤、未熔合、裂纹、内咬边、内部错边、气孔及夹渣所产生的缺陷反射波形千变万化。

所以，如何识别和判定这些反射波，对检测结论显得非常重要。

这就要求在焊缝缺陷的类型识别和性质估判上，检测人员不但要具备熟练的超声波探伤技术，而且要十分熟悉相关的焊接基础知识，如焊接接头型式、坡口型式、焊接方法和缺陷性质等。

只有这样，检测人员才能针对各种不同的焊接接头，采用适当的检测方法，从而获得比较正确的检测结果。

在检测中，当发现反射回波时，应根据反射波的位置、反射波的静态和动态波形、坡口型式、焊接工艺及焊接方法进行综合分析，判别反射回波是否为缺陷回波，并尽可能确定缺陷的实际性质。

对于在役的小径薄壁管的环向对接接头，可能存在腐蚀、减薄或其他不规则情况，二次声程的反射回波不能如实反映缺陷的的真正情况，因而不宜采用超声检测。

3.6质量评定
依据JB/T4730.3-2005中6.1部分进行质量评定。

如有超标缺陷，应在返修后按原检测条件进行复验。

4、结语
本文是针对小径薄壁管环向对接接头的超声波探伤提出的一般性工艺方法。

评判一种超声波探伤工艺的可行性，需要从多个方面来考虑，但其中最重要的一点，就是必须能够保证缺陷的检出率和检出的准确率。

小径薄壁管在焊接过程中常常会出现未焊透、未熔合、裂纹、气孔、夹杂、咬边、错边等危害性缺陷。

这些缺陷是否能够准确检出，虽然往往也对检验人员提出了更高的要求，但只要检验人员能够掌握各种缺陷回波的分析方法，并在实践中不断积累经验，就一定能够保证不会漏检误判。