張志剛, 藍冬梅(番禺珠江鋼管有限公司, 廣州 511450)

自動超聲串列檢測工藝對雙面埋弧焊鋼管焊縫檢測結果的影響

張志剛, 藍冬梅
(番禺珠江鋼管有限公司, 廣州 511450)

根據(jù)DEP 31.40.20.37:2013的要求，采用折射角為45°的兩組探頭，對φ610 mm×15 mm雙面埋弧焊鋼管焊縫進行自動超聲檢測，分別從焊縫兩側對焊縫中心部位缺陷進行串列檢測。串列檢測過程中發(fā)現(xiàn)，人工參考反射體的回波信號微弱且不穩(wěn)定，且檢測探頭實際位置與按主聲束中心聲束所得出的理論位置存在較大偏差。通過理論分析和試驗驗證，發(fā)現(xiàn)檢測工藝中焊縫余高對檢測結果產(chǎn)生了較大的影響。最后根據(jù)問題產(chǎn)生的原因對檢測工藝進行了調整，有效解決了串列檢測中存在的問題。

雙面埋弧焊鋼管；焊縫；超聲檢測；串列檢測；焊縫余高

焊接鋼管是將鋼板(或鋼卷)成型，并將一組相對邊焊接在一起所形成的中空管狀物。雙面埋弧焊是焊接鋼管采取的主要焊接工藝之一，所形成的焊縫型式如圖1所示[1]。

圖1 雙面埋弧焊鋼管的焊縫型式Fig.1 Weld seam pattern of the double-side submerged-arc welding pipe

多通道自動超聲檢測技術是雙面埋弧焊鋼管焊縫的主要檢測手段，即每組探頭覆蓋一定的檢測區(qū)域，通過多組探頭組合的形式完成焊縫截面的100%聲束覆蓋。有的標準還會要求增加串列檢測，用以檢測焊縫中部垂直于檢測面的缺陷，如未焊透缺陷等。

DEP 31.40.20.37:2013[2]要求，當鋼管壁厚為12～17.9 mm時，應采用折射角為45°的兩組探頭分別從焊縫兩側對焊縫中心部位缺陷進行串列檢測。某天然氣輸送用雙面埋弧焊鋼管規(guī)格為φ610 mm×15 mm，執(zhí)行標準為DEP 31.40.20.37:2013，依標準規(guī)定需進行串列檢測，但在靈敏度校驗過程中發(fā)現(xiàn)存在很多問題。主要是人工參考反射體φ3 mm平底孔的反射回波信號微弱且不穩(wěn)定，平底孔的反射回波幅度與噪聲信號相近。另外，檢測探頭實際位置與按主聲束中心聲束所得出的理論位置存在較大偏差。對此，筆者結合串列檢測原理對檢測工藝進行了分析，分析產(chǎn)生問題的原因，以期通過調整檢測工藝解決該問題。

1 原因分析

1.1 串列檢測原理

對于垂直于檢測面的缺陷，采用單斜探頭檢測技術時回波當量較小，容易產(chǎn)生漏檢。該類缺陷采用斜探頭串列檢測技術可取得較好的檢測效果，缺陷表面越光滑檢測效果越好。當工件較厚時，采用直射法和一次反射法相結合的形式；當工件較薄時，可采用一次或多次反射形式。靈敏度調校通常采用人工參考反射體為平底孔，如GB/T 11345-2013[3]中檢測技術4采用φ6 mm平底孔，DEP 31.40.20.37:2013中采用φ3 mm平底孔。檢測時將檢測儀的檢測方式設置成一發(fā)一收，在同一檢測位置兩檢測探頭的實際工作狀態(tài)可為圖2或圖3所示形式。

圖2 前端探頭發(fā)射、后端探頭接收的形式Fig.2 Pattern of transmitting by the front probe and receiving by the back probe

圖3 前端探頭接收、后端探頭發(fā)射的形式Fig.3 Pattern of receiving by the front probe and transmitting by the back probe

1.2 工藝分析

根據(jù)DEP 31.40.20.37:2013的要求，串列檢測的人工參考反射體采用φ3 mm側向平底孔。為避免加工平底孔時割口對平底孔信號的干擾，平底孔的深度應盡量大。兩個平底孔分別在焊縫兩側，在焊縫長度方向上兩人工參考反射體應間隔一定距離以避免相互干擾。φ610 mm×15 mm雙面埋弧焊鋼管焊縫的幾何形狀以及平底孔如圖4和圖5所示，選用的檢測探頭規(guī)格為2.5 MHz 12×14 K1(晶片尺寸為12 mm×14 mm，主聲束在鋼中的折射角為45°)充水式斜探頭，探頭前沿為12 mm。為避免探頭外焊縫余高和探頭尺寸的影響，其中一個探頭設于1.25倍跨距處，另一個探頭設于2.75倍跨距處。不考慮焊縫余高及耦合水膜的影響，探頭楔塊中聲速按2.73×103m·s-1，鋼管中橫波聲速按3.23×103m·s-1，根據(jù)斯涅爾定律對檢測探頭的主聲束中心聲束傳播路徑進行計算機繪圖，檢測探頭的理論位置如圖6所示。

圖4 檢測面在焊縫A側時的平底孔示意圖Fig.4 Schematic diagram of the flat-bottom hole when the test surface was at the side A of the weld seam

圖5 檢測面在焊縫B側時的平底孔示意圖Fig.5 Schematic diagram of the flat-bottom hole when the test surface was at the side B of the weld seam

圖6 未考慮余高的情況下檢測探頭的理論位置Fig.6 Theoretical position of the detection probe without considering the reinforcement

按圖6所示的理論位置布置探頭，探頭安裝在串列檢測掃查架上，探頭間距及探頭與焊縫的距離在理論數(shù)據(jù)基礎上微調以達到最佳位置。但實際測試中無法得到平底孔反射信號，初步判斷焊縫余高對聲束傳播路徑造成了影響。

聲束傳播過程中考慮焊縫余高時，可發(fā)現(xiàn)前端探頭(后端探頭發(fā)射的情況與之類似)置于圖6位置，主聲束中心聲束的二次反射點已在外焊縫余高部位，受余高影響二次反射波無法入射到平底孔底面。雖然探頭和外焊縫間尚有足夠的可移動距離，但將探頭移動到圖7所示位置，主聲束中心聲束的二次反射點仍處于外焊縫邊緣。此位置是有效移動的極限位置，可以看出即使在極限位置，主聲束中心聲束依然無法入射到平底孔的底面。

圖7 考慮余高的情況下檢測探頭有效移動的極限位置Fig.7 Limit position of effective movement of the detection probe with considering the reinforcement

采用6 dB主聲束分析方法[4]，晶片中心到入射點距離按12 mm，對前端探頭發(fā)射和后端探頭發(fā)射的6 dB主聲束傳播路徑分別采用計算機繪圖，可以得到6 dB主聲束的最佳位置，如圖8～9所示。按圖8及圖9所示的理論位置布置探頭，將探頭安裝在串列檢測掃查架上，探頭間距及探頭與焊縫的距離在理論數(shù)據(jù)基礎上微調以達到最佳位置。此時人工參考反射體φ3 mm平底孔的反射回波信號微弱且不穩(wěn)定，平底孔的反射回波幅度與噪聲信號相近。從圖8～9可以看出，前端探頭發(fā)射時6 dB主聲束僅可以入射到平底孔底面的下邊緣，后端探頭發(fā)射時6 dB主聲束僅可以入射到平底孔底面的上邊緣，檢測探頭所處位置較圖6中位置存在較大偏差。

圖8 前端探頭6 dB主聲束的最佳位置Fig.8 Best position for 6 dB mian beam of the front probe

圖9 后端探頭6 dB主聲束的最佳位置Fig.9 Best position for 6 dB mian beam of the back probe

1.3 分析與討論

綜上分析，上述問題產(chǎn)生的原因如下。

(1) 入射聲能和反射聲能的大小直接影響平底孔底面反射信號的強弱。依照DEP 31.40.20.37:2013用折射角為45°探頭進行檢測時，主聲束的中心聲束無法入射到平底孔底面。即使利用6 dB主聲束也僅能入射到平底孔底面的邊緣，前端和后端探頭間沒有形成有效的聲束交叉覆蓋區(qū)，再加上平底孔尺寸較小，無法形成較強的平底孔底面反射回波，因此導致反射信號微弱。如采用10 dB主聲束或12 dB主聲束可以覆蓋到平底孔底面更多的部分，但主聲束邊緣的聲能本身較弱，信號無法得到有效增強。

(2) 由于聲束沒有完整有效地覆蓋到平底孔底面，檢測機構運行過程中輕微的跟蹤偏差就足以使得本已微弱的平底孔反射信號變得很不穩(wěn)定。

(3) 檢測過程中實際上是利用主聲束的邊緣聲束進行檢測，這使得檢測探頭實際位置與按照主聲束中心聲束所得出的理論位置產(chǎn)生較大偏差。

此工藝完全依照DEP 31.40.20.37:2013的要求制定，若利用此工藝檢測將會產(chǎn)生漏檢，通過上述分析足以說明該工藝不可靠。在檢測前加工去除內(nèi)外焊縫余高或減小內(nèi)外焊縫余高的寬度，就可以消除余高對串列檢測的影響。此舉可以保證檢測工藝有效實施，但這是不現(xiàn)實的做法，因此只能通過調整檢測工藝來解決問題。

2 檢測工藝調整與驗證

GB/T 11345-2013中規(guī)定，串列檢測僅應用于斜探頭(折射角為45°)檢測厚度不小于15 mm的焊縫，但標準的規(guī)范性附錄B也同時指出,受檢測對象的幾何條件限制時可使用折射角不為45°的斜探頭。

通過問題原因的分析，受焊縫余高的影響45°斜探頭已不適用。因此參考GB/T 11345-2013的規(guī)定，選擇折射角更大的探頭，將檢測探頭規(guī)格更換為2.5 MHz 12×14 K1.5(晶片尺寸為12 mm×14 mm，主聲束在鋼中的折射角為56.3°)充水式斜探頭(探頭的前沿為12 mm)。根據(jù)斯涅爾定律，分別對檢測探頭的主聲束中心聲束傳播路徑以及6 dB主聲束的覆蓋情況進行計算機繪圖，如圖10～11所示。從圖10可以看出，主聲束的中心聲束未受到焊縫余高的影響，鄰近焊縫邊緣的反射點和焊縫邊緣存在2～3 mm的有效移動空間，可以保證檢測過程的穩(wěn)定性。從圖11可以看出，前端探頭和后端探頭6 dB主聲束之間存在一定的交叉重疊覆蓋區(qū)，保證了檢測的有效性和檢測過程的穩(wěn)定性。

圖10 前、后端檢測探頭的主聲束中心聲束的傳播路徑Fig.10 Propagation path of centre of main beam from front and back probes

圖11 前、后端檢測探頭6 dB主聲束的覆蓋情況Fig.11 Coverage condition of 6 dB main beam from front and back probes

按照上述檢測工藝調整后，如圖12中報警閘門A中的回波即為φ3 mm側向平底孔的回波，靈敏度校驗取得了較好的效果。鑒于檢測技術的調整與DEP 31.40.20.37:2013的要求存在偏離，通過技術溝通確認了該工藝的調整方案，從而在工藝上確保了檢測的有效性和可靠性。

圖12 工藝調整后φ3 mm側向平底孔的回波記錄Fig.12 Record of the echo wave from the φ3 mm lateral flat-bottom hole after adjusting the testing process

3 結束語

斜探頭串列檢測技術用于檢測垂直于檢測面的缺陷可取得較好的檢測效果。雙面埋弧焊鋼管焊縫自動超聲串列檢測時，焊縫余高會對檢測結果產(chǎn)生較大的影響。制定檢測工藝時，在選用探頭時應充分考慮到焊縫余高的影響，科學地作出工藝調整，以保證檢測結果的有效性和可靠性。

[1] 張志剛.雙面埋弧焊鋼管管端焊縫射線檢測黑度規(guī)定的合理性[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(1):45-48,54.

[2] DEP 31.40.20.37:2013 Line pipe for critical service (Amendments/Supplements to ISO 3183:2012 and API Spec 5L 45thedition)[S].

[3] GB/T 11345-2013 焊縫無損檢測 超聲檢測 技術、檢測等級和評定[S].

[4] 張志剛.高頻焊接鋼管焊縫的超聲波自動檢測工藝[J].理化檢驗-物理分冊,2011,47(3):151-154.

Effect of Auto-UT Tandem Detection Technology on Detection Results of Welding Seam of Double-side Submerged-arc Welding Steel Pipes

ZHANG Zhi-gang, LAN Dong-mei
(Panyu Chu Kong Steel Pipe Co., Ltd., Guangzhou 511450, China)

According to the requirements in DEP 31.40.20.37:2013, auto-UT detection was down to the welding seam ofφ610 mm×15 mm double-side submerged-arc welding steel pipes by two probes of which the refraction angle was 45°. The defects in the welding seam center were tested from the two sides of the welding seam through the tandem detection. During the tandem detection process, it was found that: not only the echo wave signal from artificial reference reflectors was weak and instable, but also there was a large deviation between the actual position of detection probes and theoretical position calculated according to the center of the main beam. Through the theoretical analysis and experimental verification, it was proved that the welding reinforcement had big effect on the detection results. Finally, the detection technology was adjusted according to the cause of the problems, and the problems existing in the tandem detection were effectively solved.

double-side submerged-arc welding steel pipe; welding seam; ultrasonic testing; tandem detection; welding reinforcement

2016-07-14

張志剛(1978-)，男，高級工程師，主要從事石油天然氣鋼管質量管理工作，zhangzg@pck.com.cn。

10.11973/lhjy-wl201703007

TG115.28+5

A

1001-4012(2017)03-0178-04