蒲英俊，李圣爭，劉廣興，馮璨，盛瑞明

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，濟南250003；3.國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

爬波檢測特高壓鋼管塔薄壁管對接焊縫的常見問題分析

蒲英俊1，2，李圣爭1，2，劉廣興1，2，馮璨3，盛瑞明3

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，濟南250003；3.國網(wǎng)山東省電力公司菏澤供電公司，山東菏澤274000）

為避免超聲爬波檢測特高壓鋼管塔薄壁管對接焊縫時檢測靈敏度和缺陷回波判斷不準確造成的漏檢與誤判，根據(jù)爬波檢測的原理與特點，找出影響爬波檢測靈敏度的因素和判斷缺陷回波的方法，以提高檢測的靈敏度和缺陷定位的準確度，達到提高檢測精度的目的。

爬波檢測；薄壁管；對接焊縫；靈敏度；準確性

0 引言

隨著同塔雙回、同塔多回及特高壓工程的展開，我國輸電線路鐵塔逐漸向大載荷和大型化發(fā)展，推廣應用鋼管塔成為輸電鐵塔的主要發(fā)展方向。在鋼管塔的質量管控中，焊接是鋼管塔加工工藝的關鍵環(huán)節(jié)，但在實際檢測中，爬波檢測薄壁管對接焊縫存在靈敏度與定位難于掌握的問題，造成漏檢與誤判，因此有必要深入探討檢測過程中影響爬波檢測靈敏度的因素和判斷缺陷回波方法的難點問題。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 檢驗依據(jù)

國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q／GDW 384—2009《輸電線路鋼管塔加工技術規(guī)程》的要求，全焊透的一、二級焊縫一般采用超聲波檢測的方法進行內部質量檢驗，當設計文件有要求或進行仲裁時，應采用射線檢測的方法進行檢驗。超聲波檢驗時，對鋼管厚度大于8 mm的對接焊縫按GB／T 11345—2013的規(guī)定進行檢驗；對鋼管厚度小于或等于8 mm的對接焊縫按Q／GDW 707—2012的規(guī)定進行檢驗，且不得出現(xiàn)該標準中不允許的缺陷。

1.2 爬波檢測的常見問題

特高壓鋼管塔薄壁管焊接接頭缺陷在爬波檢測時的缺陷回波與常規(guī)橫波檢測相比有不同的特點，爬波檢測時存在靈敏度與缺陷回波判斷難于掌握的問題。存在的難點：缺陷回波幅度低，靈敏度低，回波復雜；選擇不同的探頭、試塊靈敏度孔會造成檢測靈敏度偏差；不同缺陷類型的檢出率存在較大差異；缺陷深度無法定位；水平定位不準確。

2 問題的分析與應對

2.1 爬波檢測的主要影響因素

超聲爬波在特高壓鋼管塔對接焊縫檢測應用中自身檢測技術的影響主要考慮因素：爬波聲場原理、爬波檢測的優(yōu)缺點、爬波檢測的厚度范圍、爬波檢測的適用缺陷、爬波檢測不同缺陷的波形特點。

超聲爬波在特高壓鋼管塔對接焊縫檢測應用中實際操作的影響主要考慮因素：爬波探頭的選取、爬波檢測試塊的靈敏度的校準、檢測環(huán)境與掃查方式、缺陷回波的分析判斷。

2.2 爬波檢測分析

2.2.1 爬波聲場

爬波可認為是表面下縱波［1］，其傳播速度與縱波相同。根據(jù)Snell定律，入射角（27.6°附近）等于第一臨界角（有機玻璃內）的換能器可產生爬波，同時還伴隨大角度主束縱波［3］（折射角約為76°），同時還產生了橫波和頭波［1］（折射角約為33°）如圖1。因此對薄壁管材來說，利用存在于表面的爬波檢測垂直于管外表面的橫向缺陷，利用主束縱波檢測管材內部和內表面的橫向缺陷是可行的［4］。理論與試驗研究的結果證明，可在一定程度上控制主瓣的角度［2］，如圖2。

圖1 爬波探頭聲場示意

圖2 爬波的近場與遠場

對鋼而言，主瓣經(jīng)驗公式為

式中：α0為主瓣角度；d為晶片長度；λL為鋼中的縱波波長。

式（1）表明，晶片越大，主瓣角度越大，當晶片尺寸無限大時可認為主瓣的角度為90°，但這在實際是不可行的。因此通過調整晶片尺寸來確定其在厚度方向上的敏感深度，可提高內部和內表面缺陷的探測靈敏度［2］。

2.2.2 爬波探頭

根據(jù)爬波聲場的特點［1］與目前爬波探頭制作的研究成果［5］，考慮影響爬波探頭性能的主要因素是爬波探頭的結構特點，爬波探頭的設計，晶片的選取，α′、θ和γ的確定，楔塊尺寸的確定，探頭的磨制［5］。

提高靈敏度的主要方式有：1）合理調整晶片尺寸確定其在厚度方向上的敏感深度，提高內部和內表面缺陷的探測靈敏度；2）探頭有機玻璃斜楔根據(jù)鋼管的曲率半徑選擇最佳的，以實現(xiàn)鋼管的高靈敏度探傷；3）選取盡量大的晶片長度使主瓣角度盡量大；4）為保證爬波的有效激發(fā)和與管材良好耦合，還需將探頭磨制成與鋼管外徑吻合的弧面［5］；5）探測靈敏度還與爬波探頭的聲波頻率f和探頭晶片直徑D有關，可通過合理選擇f·D值，改變對表面附近缺陷的敏感程度［2］。

2.3 爬波檢測的優(yōu)缺點

超聲波入射方向的選擇原則是使超聲波入射方向盡可能垂直于主要危險缺陷的方向［2］，如圖3。常規(guī)厚壁焊縫超聲波檢測時，這一原則無法實現(xiàn)，只能采用斜入射的方式來完成檢測。而爬波檢測技術采用超聲波接近與缺陷垂直入射的方式檢測，具有以下優(yōu)勢［7］：探頭在距離焊縫的一定距離上聲束能夠覆蓋整個焊縫截面，能夠實現(xiàn)立體掃查；入射聲束與焊縫中的裂紋、未熔合、未焊透等基本垂直；檢測過程操作方便、工作效率高。

圖3 爬波檢測示意

爬波檢測存在缺點：不能實現(xiàn)缺陷的深度定位；

缺陷性質判斷難于掌握；爬波在傳播過程中連續(xù)發(fā)生由縱波向橫波的波形轉換，衰減嚴重，聲程較短。

2.4 爬波檢測的厚度范圍

爬波適合表面粗糙工件的近表面缺陷或薄件中缺陷的檢測，文獻［8］利用爬波測定表面裂紋深度，實驗表明利用爬波測定表面裂紋的深度是1～9 mm，對于深度大于9 mm的裂紋，可用端部回波法測定。特高壓鋼管塔的對接焊縫檢測依據(jù)國家電網(wǎng)企業(yè)標準［9］與電力行業(yè)標準［10］，爬波檢測適用的厚度范圍是4 mm≤T≤8 mm。

2.5 爬波檢測的適用缺陷

特高壓輸電線路鋼管塔薄壁管對接環(huán)焊縫是由直縫焊管與帶頸法蘭通過焊接而成，承受著與結構鋼管同樣的應力。在焊接過程中，由于直縫焊管橢圓度、直線度、焊件組對、施焊條件、焊工技術水平等因素的影響，焊縫中最易產生未熔合、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷。其中危害性大、影響使用壽命最嚴重的是裂紋、未熔合、未焊透缺陷。而爬波檢測技術采用超聲波接近與缺陷垂直入射的方式檢測，非常有利于這3種缺陷的檢測。

2.6 不同通孔校驗靈敏度的差異

2.6.1 問題的提出

對壁厚4 mm≤T≤8 mm的對接焊縫，采用SG-Ⅰ試塊［10］（圖4），進行靈敏度校驗或繪制爬波距離—波幅曲線時，會存在以下問題：1）探頭在不同水平位置下，深度為2 mm和深度為5 mm的直徑1 mm通孔的反射波高不同；2）在相同參數(shù)下，選擇深度為2 mm或者5 mm的直徑1 mm通孔，調節(jié)好水平距離后，在另一深度的通孔進行檢測校驗，通孔的實測水平距離與儀器顯示的水平距離存在較大偏差。即相同實際水平距離時，不同深度的橫通孔深校驗的爬波距離波幅曲線水平定位顯示存在偏差。

圖4 SG-Ⅰ試塊

2.6.2 問題的分析與實驗

問題1）產生的原因。探頭在距離橫通孔水平距離5 mm內時，存在2 mm通孔波幅高于5 mm通孔的情況，主要由于2 mm通孔比5 mm通孔更接近于主聲束。如果探頭在第二介質中的縱波折射角偏小或者探頭前沿較大時，探頭距離直徑1 mm橫通孔大于10 mm時，深度為5 mm通孔比深度為2 mm通孔更接近于主聲束，所以5 mm通孔反射波幅比2 mm通孔高，即爬波主聲束存在一定的角度范圍［1］，與缺陷垂直距離越短反射回波越高，如圖5所示。

圖5 主聲束與不同深度橫通孔的反射

問題2）產生的原因。實際檢測中，爬波并不是平行于檢測面，而是有一定角度，探頭在第二介質的縱波折射角一般為76°～80°［1］。在水平距離相同而橫通孔深度不同時，存在聲程偏差，深度5 mm通孔聲程距離大于深度2 mm通孔的聲程距離；在采用深度2 mm通孔調節(jié)好水平定位后，對深度5 mm通孔校驗時，顯示水平距離大于實際距離，反之，則變小，即存在“三角效應”，如圖6所示。圖中：S1為深度2 mm通孔聲程；S2為深度5 mm通孔聲程。

圖6 水平定位的三角效應

因此，在同一水平距離下，偏差隨著通孔深度的增大而增大，在不同水平距離下，隨著水平距離的增大偏差減小。

在以深度2 mm橫通孔做校準后，檢測深度5 mm孔深時的水平距離偏差

式中：α為主聲束與平面的夾角；L為實際水平長度；L差為水平距離偏差。

問題2）試驗驗證。采用爬波探測厚度為7 mm的點缺陷，探頭前沿距離缺陷位置為12 mm，分別用深度2 mm通孔和深度5 mm通孔繪制的距離—波幅曲線進行探測。深度5 mm通孔校準時水平定位準確，顯示為12 mm，深度2 mm通孔校準時的水平距離顯示為13.1 mm，如圖7、圖8所示。

圖7 5 mm通孔距離—波幅曲線探測缺陷圖

圖8 2 mm通孔距離—波幅曲線探測缺陷圖

實際檢測中，用深度5 mm通孔繪制距離—波幅曲線校驗靈敏度時，探測4～6 mm壁厚的焊縫，檢測靈敏度低于用深度2 mm通孔的距離波幅曲線，靈敏度偏低。而用2 mm通孔繪制距離—波幅曲線，探測6～8 mm壁厚的焊縫，聲程偏差過大，儀器顯示的缺陷水平距離大于實際缺陷水平距離，有可能把缺陷定位到焊縫以外，造成漏檢。

2.6.3 小結

實際檢測中，缺陷可能存在于焊縫的各個部位，為了滿足檢測靈敏度要求和減小水平定位偏差，應根據(jù)板厚選擇不同深度的橫通孔，校驗和制作距離—波幅曲線。檢測壁厚為4 mm≤T<6 mm的工件時，應選擇SG-Ⅰ試塊2 mm通孔調節(jié)距離-波幅曲線；檢測壁厚為6 mm≤T≤8 mm的工件時，應選擇SG-Ⅰ試塊5 mm通孔調節(jié)距離—波幅曲線，可保證缺陷的檢測靈敏度、準確率［11］。

2.7 檢測環(huán)境與掃查方式

檢測前的環(huán)境要充分到位，檢測面的粗糙度、宏觀質量等要達到標準要求［10］，避免因表面飛濺、銹蝕等宏觀缺陷，造成偽缺陷雜波的形成，耦合劑應具有良好的濕潤能力和透聲性。

當縱波從第一介質以第一臨界角附近的角度入射于第二介質時，在第二種介質中不僅存在折射橫波、表面縱波、次表面波（爬波），還存在表面縱波激發(fā)出的橫波（頭波）。因橫波吸收能量，爬波離開探頭后衰減很快，回波聲壓約與距離的4次方成反比［2］，檢測距離較小，通常只有幾十毫米。因此，當探頭距離焊縫較近甚至貼近焊縫時，缺陷回波較高，而當探頭距離焊縫較遠時，缺陷回波較低甚至不易發(fā)現(xiàn)。

特高壓鋼管塔薄壁管對接環(huán)焊縫的焊接方法主要是氣體保護自動焊，該焊接工藝會造成焊接接頭的寬度大。對于壁厚4 mm≤T≤8 mm的焊接接頭，外表面焊縫寬度一般在12～20 mm左右。探測面檢測環(huán)境較差時，探頭只能在距離焊縫較遠的位置進行檢測，會造成爬波聲束的嚴重衰減，易造成靠近焊縫根部的缺陷漏檢。因此，探頭不能距離被檢測區(qū)域太遠，也不宜過小，以減小“三角效應”對水平定位偏差的影響。探頭靠近焊縫太近，可能會把靠近法蘭側的缺陷定到焊縫以外，造成漏判、誤判。一般距離焊縫中心15～20 mm為宜［7］，如圖9。

2.8 缺陷回波的分析判斷

工件較厚時，缺陷回波單一；工件較薄時，缺陷回波復雜，即被檢工件厚度不同，爬波檢測回波也不相同。在工件較薄時，除縱波反射波，還有頭波反射波等其他反射波被探頭接收，各種反射回波混合在一起，會出現(xiàn)多個高點，回波波形較復雜?；夭ㄟx取不同，缺陷定位和定量也就不同，造成漏判、誤判。隨

著被檢工件厚度的增大，由于縱波和橫波聲速的差異，聲程差也增大，回波波形也變得單一易于區(qū)分。

對水平距離11.3 mm的焊縫根部缺陷檢測時，缺陷的反射回波較復雜，出現(xiàn)多個高點，定位時選取圖10（a）中第一道回波，檢測水平距離為11.3 mm，與實際一致；如選取圖10（b）中的最高波，則檢測水平距離為21.5 mm。

圖9 爬波探傷掃查方式

圖10 回波波形

2.9 爬波檢測不同缺陷的波形特點

制作了帶有缺陷的焊接試樣，規(guī)格分別是Ф133×5 mm、Ф133×8 mm、Ф159×6 mm。分別采用爬波檢測、射線透照檢測［6］和解剖檢驗驗證，然后對測試數(shù)據(jù)進行比較和分析。

圖11 兩側未焊透反射波形

圖12 夾渣反射波形

以上對比試驗表明，爬波檢測對于未焊透缺陷

超聲波檢出率較高，缺陷波幅高，測長與射線所檢出的尺寸較吻合；單個氣孔和圓形夾渣的波幅較低，超聲波測長比射線所檢出的尺寸較大；密集氣孔的波幅較高，波形密集相互彼連，超聲波測長比射線所檢出的尺寸大；條形夾渣波幅較低，超聲波測長與射線所檢出的尺寸相差不大；裂紋和未熔合缺陷波幅高，檢出率高，超聲波測長與射線所檢出的尺寸相差較大。因此不同缺陷檢出率存在差異。

圖13 氣孔反射波形

3 結語

爬波探頭的選取、爬波檢測試塊的校準、靈敏度孔的選擇、檢測環(huán)境與掃查方式等，會直接影響爬波檢測的靈敏度。

不同缺陷的結構特點造成了爬波檢測對不同缺陷類型的檢出率存在較大差異。

不同通孔校驗靈敏度的差異、缺陷回波的選取錯誤，會造成缺陷水平定位不準確。

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Analysis of Common Problems in the Butt Weld of the Thin Wall Tube for UHV Steel Tubular Tower by Ultrasonic Creeping Wave Testing

PU Yingjun1，2，LI Shengzheng1，2，LIU Guangxing1，2，F(xiàn)ENG Can3，SHENG Ruiming3
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Electric Power Industry Boiler＆Pressure Vessel Inspection Center Co.，Ltd.，Jinan 250003，China；3.State Grid Heze Power Supply Company，Heze 274000，China）

In order to avoid miss detection and miscarriage of justice caused by the inaccurate judgement of detection sensitivity and defect echo during the ultrasonic creeping wave testing of the butt weld for UHV steel tube tower thin-walled tube，actors of influencing creeping wave detection sensitivity and the methods of judging the defect echo are find out according to the principle and characteristics of creeping wave testing，so as to improve the sensitivity of detection and the accuracy of defect location.

creeping wave testing；thin-walled tube；butt weld；detection sensitivity；accuracy

TM754

A

1007－9904（2016）09－0024－06

2016-04-20

蒲英?。?990），男，工程師，從事電網(wǎng)、電廠金屬材料的無損檢測工作。