埋弧焊管超声波探伤标准反射体的选择

摘要：简要分析了超声波探伤对油气输送用埋弧焊管安全运行的意义。介绍了目前埋弧焊管焊缝超声波探伤的基本工况，以及管线制造标准和超声波探伤标准中对焊缝超声波探伤灵敏度的规定。着重分析了标准反射体的选择对于超声波探伤灵敏度的影响。分析结果表明，在钢管生产过程中，检测纵向缺陷应优先选择刻槽作为灵敏度调整的标准反射体，或者使用刻槽作为纵向缺陷探伤灵敏度调节的标准反射体，使用竖通孔作为横向缺陷探伤灵敏度调节的标准反射体。

0前言

目前高压流体输送钢管广泛应用于高压流体输送管线。管线能否安全运行的关键是钢管焊缝的内在质量，而焊缝的内在质量主要通过超声波检测来保障，超声波检测的灵敏度由标准反射体决定。埋弧焊管焊缝探伤标准中规定，其探伤灵敏度可以有竖孔和刻槽2种选择。在钢管生产过程中，合理选择标准反射体，既可以使钢管焊缝质量达到标准和用户的要求，又不会造成质量过剩，因此，标准反射体的选择成为钢管生产过程中的技术关键之一。

笔者分析了目前钢管检验过程中常用标准反射体反射波高度的影响因素，提出了焊缝检测过程中反射体选用的基本原则。

1焊缝超声波探伤工况简介

焊缝质量是埋弧焊管质量控制最重要的环节之一。现在钢管制造厂家普遍的配置为：钢管埋弧焊焊缝使用超声波自动探伤检测；管端自动探伤的盲区使用手工探伤检测；补焊焊缝采用手动超声波探伤检测；自动探伤报警处再次采用手工探伤确定缺陷是否超标。目前，大多数自动探伤设备采用水膜法耦合，并选用横波探头，其探头折射角为60°～70°之间（探头K值为2～2.5）。手动探伤也使用和自动探伤相同角度的横波探头。

2标准中对焊缝超声波探伤灵敏度的规定

管线设计过程中常常根据管线的各种使用环境、承受压力等因素选择不同的基础标准，并结合管线的特殊要求提出附加技术条件。国内现在使用较多的油气管线制造基础标准包括：GB/T9711.1—1997《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分:A 级钢管》、GB/T 9711.2—1999《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分：B 级钢管》、GB/T 9711.3—2005《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第3部分：C 级钢管》，API SPEC 5L《管线钢管规范》，Q/SY GJX 101—2009《天然气输送管道用通用钢管技术条件》等。重要的油气输送管线普遍在以上基础标准上附加工程的具体技术要求，如西气东输二线管线的附加技术条件为Q/SYGJX 0102—2007《西气东输二线管道工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件》。

在以上标准中，焊缝超声波探伤方法普遍引用的标准有：ASTM E273—2001《焊接管道焊接区域的超声波检验标准实施规程》，ISO 9765—1990《埋弧焊承压钢管纵向和（或）横向缺陷测定超声波试验》或与ISO 9765—1990等效的SY/T6423.3—1999《石油天然气工业承压钢管无损检测方法埋弧焊钢管焊缝纵向和横向缺欠的超声波检测》。

上述标准中，焊缝超声波探伤的灵敏度规定为使用刻槽和竖孔2种类型的标准人工缺陷作为超声波探伤验收极限的参考反射体。其中ASTME273—2001对于标准人工缺陷规定为：熔化焊焊缝要求使用N5刻槽，深度为壁厚的5%，最大值为1.5 mm，最小值0.3 mm，公差为刻槽深度的±15%，刻槽宽度为小于1.5 mm；或使用直径为1.6 mm的竖孔，深度为壁厚的一半，内外表面各一个，位置在焊冠上。如果用户许可，检测时可以用一个贯穿的竖通孔代替上下表面的两个竖孔。

SY/T 6423.3—1999规定“超声波检测设备应采用四个纵向刻槽和/或一个对比通孔校准，其中两个对比刻槽位于样管外表面，另外两个位于内表面。检测纵向缺陷的探头应采用纵向刻槽校准，检测横向缺陷的探头应采用通孔校准。”

部分附加标准中也规定了自动探伤用标定样管的人工缺陷要求，例如，西气东输二线等天然气输送管线明确要求标定样管应包含9个人工缺陷，焊缝自动探伤样管缺陷示意如图1所示。

3反射体对超声波探伤灵敏度的影响

3.1反射面形状的影响

超声波探伤反射波的高度与超声波有效反射面的面积成正比。超声波声束有一定的扩散宽度，对于刻槽，反射面的尺寸为槽的深度乘以声束宽度；对于竖通孔，反射面的尺寸为超声波声束的高度乘以孔的有效反射面的宽度。

竖通孔反射回探头的最高反射波在人工缺陷与表面形成的边角位置，其他位置超声波声束的反射主路径不能回到晶片位置，即弧面与钢管表面的端角反射。由于竖孔钻在焊冠上，焊缝形状的变化会影响端角的形状，如图2所示，在同一钻孔的两侧进行灵敏度调整，由于钻孔位置焊缝角度的变化，孔的端角形状变化很大，反射波高度会有较大差异。

刻槽的回波同样来自于槽的端角反射，如果槽刻在焊冠位置，也存在与竖孔探测相同的问题。但是由于刻槽的深度较浅、长度较长，对反射波波高的影响更多取决于槽的深度，因此，端角形状的影响相对较小。

3.2壁厚的影响

壁厚对灵敏度的影响：一方面是反射体反射面积的变化；另一方面是声程的变化。

如果选择竖孔作为标准反射体，对于不同壁厚的钢管，均使用准1.6 mm的竖通孔，反射面积相同；如果选择N5刻槽作为标准反射体，不同壁厚的钢管槽的深度不同，相应的反射面积也不同。

根据超声波探伤的基本理论，超声波的声场在1.64倍的近场区范围内可以认为基本没有扩散，不同距离的反射体仅考虑材质衰减。在未扩散区外，对于同一反射体，如果反射体与超声波探头距离越远，回波声压越低。

不同厂家生产的自动探伤设备使用的探头晶片尺寸不同，但探头晶片面积一般均在80～160mm2之间。以较小的8 mm×12 mm的晶片计算，焊缝中未扩散区的长度（B）为：B=abcosβ/πλs2cosα×1.64-（L1tanα/tanβ），（1）式中：a，b—晶片的尺寸，这里，a=8 mm，b=12 mm；β—折射角，β=arctan2=63.43°；α—入射角，α=arcsin（2 730÷3 230×sin63.43°）=49.11；λs2—横波波长，λs2=3 230 000÷5 000