关于焊缝超声检测中人工反射体回波位置提前出现的讨论-

关于焊缝超声检测中人工反射体回波位置提前出现的讨论我国近几年长输油气管道建设正处于高峰期，油气长输管道主要元件钢管的质量决定了管道的安全。在钢管制造过程中主要执行美国石油学会的APISPEC5L标准和我国的GB/T9711标准。标准中规定了超声波人工规则反射体的类型和尺寸，均为N5刻槽或Φ1.6竖通孔【2】【3】【4】。在螺旋埋弧焊缝超声检测工作中通常会有这样的现象出现，焊道反射回波或对比试块上人工反射体最高回波的位置往往在理论值之前出现，例如：水平1:1调节扫描比例，用一个实测K值为2的探头检测厚度为17.5mm的工件时下焊道最高位置不是出现在理论值35mm处，而是在32mm处出现，使用常用人工反射体Ф1.6竖通孔和N5刻槽调节灵敏度时也普遍出现这种现象（见图1～图4闸门中的回波）。图中所用探头实测K值1.98，对比试块厚度17.5mm。为避免焊道反射波的影响，N5槽和Ф1.6竖通孔均加工在母材完好区。图1下表面N5槽回波（水平读数30.5mm）图2上表面N5槽回波（水平读数59.5mm）图3Ф1.6竖通孔下端部回波（水平读数31.3mm）图4Ф1.6竖通孔上端部回波（水平读数61.8mm）因为工件材质、规格和制作对比试块时有一定的加工误差，所以焊道反射回波和人工反射体回波提前的程度会有不同。焊道反射回波是超声波束扫到对侧焊缝反射回探头形成的，因为不同规格钢管焊缝的形貌有差异，会使焊道反射回波形貌和位置发生改变，所以在这里不讨论焊道反射回波前移的原因。N5刻槽和Ф1.6竖通孔是螺旋埋弧焊缝超声波探伤中常用的人工反射体，所以本文我们重点讨论N5刻槽和Ф1.6竖通孔最高反射回波位置前移的原因。下面举几组N5刻槽和Ф1.6竖通孔最高回波位置前移的实例，让大家直观感受理论值与实际值的差异（见表1）。为了避免对比试块制作时刻槽或钻孔误差的影响，表中每种规格试块各做三块，实际回波位置取三者平均值。表1人工反射体实际最高回波位置与理论最高值对比表试块规格mm实测探头K值mm一次波最高回波理论值mm下表面N5槽最高回波实际值mmФ1.6竖通孔一次波最高回波实际值mm二次波最高回波理论值mm上表面N5槽最高回波实际值mmФ1.6竖通孔二次波最高回波实际值mmФ426×82.52018.721.064037.840.2Ф610×7.92.519.7517.31839.538.738.9Ф610×9.52.523.7522.223.547.543.544.7Ф711×9.52.523.752123.447.54447.2Ф813×11.72.529.2526.52858.555.255.8Ф813×17.51.8832.924.831.865.851.562.5Ф1016×15.71.8829.5224.728.259.0354.857.6Ф1016×17.51.933.252831.566.561.564.4从表中可以看出，Ф1.6竖通孔最高反射回波位置前移的幅度比N5刻槽前移幅度小一些，这是因为Ф1.6竖通孔通常加工在焊缝上，有焊缝余高做厚度补偿，水平值会比N5槽稍大些，其回波前移的幅度也小些。Ф1.6竖通孔在制作过程如果钻孔偏斜，可能会出现实际值大于理论值的现象，如表1中粗黑字体的数据。为了避免焊缝结构回波对N5槽产生影响，N5槽通常刻在母材上，因此没有焊缝余高做补偿，其水平值相应的要小一些，其回波前移的幅度也稍大些。下面我们再从超声检测基础知识着手讨论N5刻槽和Ф1.6竖通孔最高回波前移的可能原因。一、从外圆曲面探伤与平面探伤水平位置有差异钢管有一定曲率，我们扫描比例调节时通常是在标准试块CSK-ⅠA上进行水平1:1调节（水平调节方法一般用于壁厚较小时，我公司产品规格一般在20mm以下，所以使用水平调节法），然后在与钢管同规格的对比试块上做适当调整。在焊缝两侧母材上探伤相当于从外圆曲面做周向探伤【1】，由圆柱曲面工件外圆周向检测水平定位公式：R-工件半径K-探头K值d-平面工件中缺陷深度可知实际水平值（即弧长L）大于平板中的水平值，N5刻槽和Ф1.6竖通孔最高回波位置应在理论值之后出现，但现在恰恰是实际最高回波位置在理论值之前出现。由此可见被检工件有一定曲率并不是使人工反射体回波提前的原因。（说明：我们工作用的探伤仪没有曲面补偿功能，示波屏上显示的水平值为平板工件中探伤的水平值。）二、从影响声速传播因素方面讨论影响声速传播的因素有波型、介质性质和尺寸、温度、应力、材料组织均匀性等。超声波型、工件、温度是固定的，所以这三个因素对理论值和实际值的影响是一样的。我们公司常用的卷板都是X70、X80等高钢级管线钢，其内部组织均匀性好，晶粒度在No.10级以上，所以材料组织均匀性的影响可以不计。由于焊接应力影响，焊缝两侧母材承受拉伸应力，会使声速减慢，那么人工反射体实际最高回波位置应该在滞后于理论值的位置出现，但现在是实际值小于理论值，所以焊接应力的影响也不是使理论值与实际值产生误差的原因。三、从焊缝中变型波的影响角度讨论焊缝探伤时声束入射到探头对侧焊缝下表面，当焊缝下表面的形状使αS＜αⅢ时，焊缝中就会出现反射横波和变型反射纵波（见图1），变型反射纵波如果直接被探头接收在示波屏上显示出来则应在理论值的1/2处出现（因为钢中纵波声速约是横波声速的2倍），现在人工反射体回波实际位置在理论值之前出现，但又远远滞后于1/2倍理论值，所以直接反射回探头的变型纵波对其不产生影响。如果变型纵波不直接反射回探头，只有当纵波垂直入射至焊缝上表面某些特殊位置时，再垂直反射，沿原路径返回倾斜入射至下表面，再进行一次波型转换，产生反射纵波和变型反射横波后才能在示波屏上显示出来（见图2）。因为经过多次波型转换，其声波经过的路径远大于直射横波的路径，这个波应在理论值之后很远的地方出现，所以人工反射体回波位置提前也不是焊缝中变型波导致的。图5声束入射到探头对侧焊缝下表面图6变型波的产生示意图四、对比试块制作不规范造成的影响对于N5刻槽试块，N5槽自身是有一定高度的（见图7）。N5槽的反射回波是入射声束在BC面和CD面形成的直角内形成端角反射后被探头接收而形成的，但实际情况是超声波束有一定宽度，尤其是在远场区发生波束扩散后声束截面增大，使声波把AB面也覆盖，AB面的声能多数被反射损失消耗，有少数声能沿原路径反射回探头，如果刻槽时不规范，使AB面未能与工件表面平行，而是形成一定的倾角(见图4）则AB面反射回探头的声能将会增多，此时示波屏上显示的人工反射体回波位置将会更加提前。对于Ф1.6竖通孔的对比试块，因为通孔是钻在焊缝中心，有焊缝余高做补偿，使竖通孔处的截面厚度大于母材厚度，那么竖通孔一次最高回波位置应在K×（T+△t）=a处（△t为余高高度），其数值理论应大于K×T=b处,但实际a的数值往往小于b值或与b值相等，很少有a值大于b值的情况，除非焊缝余高过高或竖通孔钻斜的情况发生时两者数值会相等，甚至出现实际值大于理论值的现象（如表1中粗黑字体的数据）。由此看出，对比试块制作不规范会对N5槽和Ф1.6竖通孔位置改变带来影响，但这不是唯一的影响因素。图3图4五、对比试块与标准试块材质不同产生的影响标准试块材质均匀，内部杂质少，通常用平炉镇静钢或电炉软钢制成，对比试块则为钢管上取材制成，钢板的金相组织为针状铁素体，人为添加了合金元素，如钛、铬、铌等，声速与标准试块略有不同，但这种声速差异带来的影响很小。六、上、下半扩散角的影响由于横波斜探头存在两个半扩散角，而且上半扩散角θ上大于下半扩散角θ下，因此使主声束能量更多的分布在θ下覆盖的范围内，那么与之相对应的真实折射角应为β′（β′=β-θ下）。显然β′＜β（β为探头折射角），所以tanβ′＜tanβ,令tanβ′=K′，实际由主声束反射回的一次回波位置即为K′T，很明显K′T＜KT，所以人工反射体实际最高回波位置较理论值提前出现。在分析了各种对回波位置可能产生影响的因素之后，发现对比试块制作不规范和真实折射角β′小于探头折射角β这两个因素是导致人工反射体回波位置提前的主要原因，掌握了这一规律，在实际探伤中调节灵敏度时不仅要记住人工反射体最高回波的dB值作为缺陷定量的依据，还应记住人工反射体上下表面最高回波位置作为判别缺陷位置的参考条件,这将提高对缺陷定位的精度，对避免缺陷误判有一定帮助。参考文献：【1】《超声检测》中国劳动社会保障出版社【2】APISPEC5L美国石油学会标准管线钢规范【3】GB/T9711.1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【4】GB/T9711.1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