《不锈钢管道对接焊缝热裂纹超声波检测技术分析》
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摘 要：热裂纹是不锈钢管道对接焊缝的常见焊接缺陷,该缺陷会导致管道密封性能损伤,在压力环境下容易形成管道安全威胁,超声波检测技术是一种监测不锈钢管道焊接缺陷的有效手段,应用该技术可以通过分析回波信号快速发现不锈钢管道对接焊缝处的热裂纹,以便及时开展对管道的维修维护工作,为管网系统运营安全提供技术保障.
关键词：不锈钢管道;对接焊缝;热裂纹;超声波检测技术
1 前言
1.1 热裂纹对不锈钢管道对接焊缝的影响
不锈钢管道具有良好的耐酸蚀性能、耐磨损强度和综合力学性能,在工业生产和危险品输送中有重要应用.对接焊缝是影响不锈钢管道结构强度的关键节点.焊接热裂纹是在焊接过程的高温作用下钢材内的硫、磷、碳结晶时产生的开裂现象,又称结晶裂纹,在不锈钢管道的几种焊缝缺陷当中,焊接热裂纹常隐藏在焊缝钢材内部,肉眼不可见,在显微镜下才能观察到,因此属于结构隐患,容易诱发其它焊接缺陷,影响不锈钢管道系统稳定,严重时可诱发爆破、泄漏等事故,因此应第一时间予以检测、维修及排除.
1.2 超声波检测技术对管道检测的意义
超声波检测技术在不损坏不锈钢管道结构材料的前提下,对被检验管道对接焊缝的内外部焊接质量进行检查,主要意义有：①有助于施工方改善不锈钢管道的焊接工艺,降低热裂纹缺陷的产生几率,提高对接焊缝耐腐蚀、高强度的物理特性;②降低检测成本,与X射线探伤检测技术相比,超声波检测技术用于平滑、连续管道内的灵敏度、效率都有明显的比较优势,有较强的经济性;③技术简单,灵活性高.超声波检测设备仪器构成简单、容易携带,可大规模开展检验检测工作,对人体的危害性非常小,提高不锈钢管道系统的使用年限;④有助于不锈钢管网系统完善结构强度,保证系统运行安全性.
2 超声波检测技术概述
2.1 超声波检测技术工作原理
超声波属于物质或能量发生弹性机械振动所产生的声波,其声波频率一般大于2万赫兹,超声波的频率高、能量大,衍射现象与一般声波相比不明显,在固、液、气态介质中传播的方向性、连续性非常强,当尤其是在均匀介质中的直线传播过程体现出优良的束射性,在金属探伤、检测工作中常常通过回波信息将检测工件的表面及结构情况.因而超声波在不锈钢管道内部传播时,当对结构性能构成影响的焊缝热裂纹尺寸大于超声长,在热裂纹处超声波会发生影响连续性的反射,通过探伤仪可确定超声波发生反射的具体位置,因此可以通过超声波在直线方向的回波幅度变化情况,来反映出在不锈钢管道对接焊缝中是否存在表面、内部的缺损情况[1],应用于管道焊接缺陷的超声波检测技术主要有脉冲反射法和脉冲透射法两种.
2.2 超声波脉冲反射法
超聲波脉冲反射法的原理是利用介质界面变化产生的声阻抗引发的超声波反射现象.具体技术主要有散点：①超声波检测仪器的探头同时兼有发射、接收超声波功能,通过探头发射高频负脉冲,传导入换能器形成超声波,由探头发射入管道内部;②探头接收回波信号,进入换能器转化为电信号,在探伤仪的可视屏幕上通过基轴坐标系显示出一次回波、二次回波,通过比较两次回波的时间轴位置作为管道缺陷判断依据;③检测人员根据二次反射回波的大小情况、基轴相对位置等情况来判断缺陷的大小及位置情况,原理如图.
脉冲反射检测法灵敏度较高,能够检测出只有初始声压1%强度的反射声压,对于微小的结晶热裂纹具有较强的适应性和定位精度,在垂直、水平方向上的误差率低于2%,而且仪器操作简单方便[2].但脉冲反射法对于材料要求比较高,具有吸音性能的管道会对超声波产生衰减作用,对管道壁的厚度也有一定要求,因此超声波脉冲反射法用于不锈钢管道系统结构检验检测方面是一种适用性较强的检测方法.
2.3 超声波脉冲透射法
超声波脉冲透射法的原理是当不锈钢管道内部存在破损界面或裂纹时,超声波在通过该缺陷界面时受到缺陷结构的声波阻抗作用,产生透射、反射、绕射等现象.具体表现为：①发射超声波,在另一端的接收器上产生显示本次透射的声波能量,在遭遇声波阻抗作用区域时候可视屏幕上的透射能量降低;②不锈钢管道对接焊缝存在气泡、裂纹、未焊透等缺陷时,超声波发生的到达时间、能量衰减、频率变化等一系列数据反映了测试区域内管道对接焊缝的声学参数,并记录、储存在检测仪器中;③通过对接焊缝声学参数与连续分布管道的参考声学参数进行比较分析,从而判断对接焊缝缺陷属于哪一种缺陷型态,原理如图.
相比于反射法的单一发射器兼换能器,脉冲透射法需要设置2个发射器兼换能器,分别布置于待测管道、待测区域两端,因此脉冲透射法更适用于目标相对明确的管道对接焊缝节点.
4 利用脉冲透射法检测不锈钢管道对接焊缝热裂纹的技术工序
4.1 超声波检测技术选择
一般超声脉冲透射法波检测技术常根据管网系统常压、母材厚度分为A、B、C三个等级,绝大多数不锈钢管道的管壁厚度在0.01～250mm之间,因此可以确定工艺：①本文选例为B级超声波检测级别;②对接焊缝处选择单面双侧作业,检验区域宽度为对接焊缝本身以及两侧8mm的一段母材;③对接焊缝接头余高不需磨平,也不需再对管身母材区域进行探头查扫检测.
4.2 检测前准备工作
超声脉冲透射法检测工作开展前应进行一系列准备工作,以保证合理的技术参数,一般情况需开展如下工作：①确定不锈钢管道的材质规格、焊接工艺、热处理情况坡口形式,标定待测对接焊缝接头中心位置;②清理焊接移动区表面,对影响超声波透射的表面形状修磨至圆滑,清除焊接飞溅、氧化、锈蚀、污垢;③设定探头移动跨距,确定探头移动距离覆盖整个对接焊缝及热影响区.④设定探头扫查速度,不能因为过快而导致采样过程漏过较细微的热裂纹,或加装自动报警装置以防止速度不合理;⑤检查探头覆盖率,应使探头发出超声波束的查扫范围保持在探头直径的15%以上,以对检测区域的实际情况作更加全面的结果反馈.⑥探头自身设定与调试,包括选择合适的耦合剂、探头频率、探头晶片、探头K值等等,需要针对不锈钢管道焊接工艺及材质的的质量参数而进行选择.
4.3 检测操作与分析
①调节扫描速度,检测人员通过手动调节,使可视屏幕中基轴上的水平刻度值与超声波在介质中的传波过程形成合理比例,在本次检测过程中水平刻度值应直接与反射体垂直深度成比例;②绘制距离——波幅曲线,根据可视屏幕上的回波高度与距离的变化关系,分析面板曲线上评定线、定量线、判废线之间的分区;③进行查扫动作,通过控制探头在作业面上的移动以及方向,检测裂纹的发生处、深度、方向、长度、形状等,并计算相关数值;④评定对接焊缝质量级别,进一步根据反射波幅在面板曲线分区的位置关系,对热裂纹造成的缺陷影响进行分析.
结语：本文对超声波检测技术进行了原理分析,解析了两种可应用于不锈钢管道缺陷检测的超声波检测技术,认为脉冲透射法对不锈钢管道对接焊缝热裂纹的检测具有较强针对性,并提出了在应用方面实践性较强的基本工艺工序流程.
参考文献：
[1]王玥霁.用数字信号处理技术初探超声回波信号模型[D].大连：大连理工大学,2003：5-6.
[2]中国机械工程学会无损检测分会.超声波检测[M].北京：机械工业出版社,2005：56-60,71-72.
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