双面埋弧焊钢管焊缝热影响区

双面埋弧焊钢管焊缝热影响区超声检测回波信号探讨z摘要：双面埋弧焊钢管焊缝超声检测时，一般要求要用斜探头在焊缝单面双侧或双面双侧的母材表面上使用一次、二次声程扫查整个焊缝截面，以便于检出焊缝中各个方向的缺陷。本文探讨由于超声声束经过的热影响区区域缺陷信号和非缺陷信号引起超声（横波）报警的问题。z关键词：双面埋弧焊钢管焊缝热影响区超声检测回波信号报警一、引言z双面埋弧焊钢管焊缝超声（横波）检测时热影响区不时出现回波信号报警问题，此问题成为阻碍焊管生产线正常流动的因素之一。同时也对超声检测人员的判定带来严重的干扰和影响。本文探讨的超声（横波）回波信号特指由于热影响区边缘缺陷（欠）和热影响区母材的偏析，夹杂，板边轻微分离以及和板面成一定夹角的线性缺陷和微裂纹等而引起超声（横波）报警的缺陷信号或非缺陷回波信号。二、相关技术标准规定焊缝检测宽度区域zAPI5L（44版）/ISO3183（第二版）标准规定:超声设备应能检验到焊缝全壁厚及焊缝两侧相邻1.6mm（1/16in）宽度的母材。zJB/T4730.3-2005标准规定:超声检测区的宽度应是焊缝本身，再加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的一段区域，这个区域昀小为5mm,昀大为10mm。zGB/T11345-89标准规定:超声检测区的宽度应是焊缝本身，再加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的一段区域，这个区域昀小为10mm,昀大为20mm。三、回波信号分析z焊接接头由焊缝及热影响区两部分组成。焊接熔池从高温冷却到常温，期间经历两次组织变化过程：第一次是液态金属转变为固体金属的结晶过程，称为一次结晶；第二次是温度降低到相变温度时，发生组织转变，称为二次结晶。二次结晶不仅仅发生在焊缝，也发生在靠近焊缝的基本金属区域，该区域在焊接过程中受到不同程度加热，在不同温度下停留一段时间后又以不同速度冷却下来，昀终获得各不相同的组织和机械性能，称为热影响区。z根据组织特征可将热影响区划分为熔合区，过热区，相变重结晶区和不完全重结晶区四个小区。其中熔合区和过热区组织晶粒粗大，塑性很低，是产生裂纹，局部脆性破坏发源地，是焊接接头的薄弱环节。所以热影响区缺陷(欠)问题不同于焊缝中的缺陷,处理起来较为复杂,对钢管实物质量影响较大。根据对超声(横波)报警超出验收标准的部位取样进行热酸蚀等理化分析和碳弧气刨（用碳弧气刨在返修中观察缺陷较为理想）及胶片拍片,得出下列结论:1、钢管热影响区母材存在不同程度的夹杂物等问题z我们采用API5L(44版)标准，在用2.5P13X13K2探头检测Φ1016X19.1mm规格的钢管，发现深度在14到16mm左右，水平距离定位在焊趾边靠母材约2～3mm处有强烈反射波出现,缺陷信号呈断断续续出现。超基准波幅（Φ1.6mm竖通孔100%波高）10dB,探头移到焊缝对侧则缺陷波反射很低或较难探测到。同时缺陷波根较宽,波峰为毛粗，主峰边上有小峰，根部带有小波，探头移动时，波形变化明显，从各个方向探测，反射波幅不相同，呈现出夹渣反射波特征。z该信号出现在热影响区的母材区域，按照API5L(44版)标准，PSL2的钢管母材不许补焊。为慎重起见，我们抽取超过基准波幅10dB以上且连续长度超过10mm的多处反射波位置进行细颗粒胶片拍片,发现部分反射波位置在内焊趾轮廓线处有点状夹渣,夹渣按API5L（44版）标准评定合格。根据超声波和X射线探伤确定缺陷的横断面部位截取试样进行热酸腐蚀，发现熔合线靠母材侧有空洞和夹杂（渣）。根据ASTME45标准，夹杂物符合标准要求。腐蚀试样见图1和图22、焊角回波及变形波z少部分的反射信号是由于焊缝与母材交界处的焊角回波及变形波产生,因此需准确调整超声设备仪器，判定回波产生的位置。如图3所示，当横波声束入射到探头对侧焊缝下表面的某些部位时(如下图3双面埋弧自动焊钢管内焊缝)，其反射横波S＇和反射纵波L＇垂直入射至上表面的某些特殊部位时，再垂直反射沿原路返回，形成变形横波和变形纵波，与第一次底波（焊角反射波）一起，在荧光屏上显示，形状象“山”字形（图4）。图3横波探伤时产生的变形波图4自动焊中的山Ⅲ字波变形波:z内坡口变形波的传播和波形，在示波屏上有些变形波正好在二次波探测的范围内，往往可能被误判为二次波发现的缺陷。识别方法是：变形波在很大范围内，甚至在整个焊道的周围上都有。因此可将探头平行于焊缝移动以审视鉴别。焊角反射波可作如下判别（如图5和图6）：图5：探头在A位置时有反射波，在B位置时没有反射波图5：探头在C位置时有焊角反射波，在D位置时无焊角反射波焊角反射波:z图6：红线(探头A)若没有缺陷就没有焊角反射波，黑线(探头B)有焊角反射波。焊角反射波:z图6：红线(探头A)若没有缺陷就没有焊角反射波，黑线(探头B)有焊角反射波。z另外变形波还可作如下判别：用手指沾油拍打焊缝表面，波峰跳动可判为变形波；若不动，可能是变形横波，亦可能是缺陷波。此时应结合其它的判断方法综合判断，如更换不同K值探头。3、母材的层状撕裂缺陷z我们在对某海外体育馆钢结构件的双面埋弧焊钢管焊缝（规格为Φ610X18mm）进行超声波检测，执行GB/T11345—1989《钢焊缝手工超声探伤方法和探伤结果分级》标准，B类II级合格。使用HS600型数字超声波探伤仪和2.5P10X10K2的斜探头，从焊缝的两侧对整条焊缝进行100%扫查。在批量检测过程中，发现部分热影响区母材始终存在一个微弱的回波信号，昀大当量高出定量线10dB;波幅较宽，探头转角时波幅有明显的变化;探头稍微平移，回波立即消失，再平移，回波又出现，回波位于深度方向13～15mm和水平位置靠近焊缝边缘处。z由于回波幅度远低于II区，当时未能引起足够重视，然而整条焊逢全长约有6米，连续间断发现类似反射回波信号。为弄清缺陷性质，对焊缝指定的位置进行了气刨,结果在对接接头的熔合区发现了连续性间断裂纹。随后进行破坏性取样理化实验,其化学成分和力学性能指标均符合GB/T1591—1994《低金高强度结构钢》标准。但在进行金相检验中发现，在母材的中间层碳、硫、磷、锰等元素明显偏高，存在严重的偏析，正是因为母材存在严重的偏析，在高温和焊接应力的作用下，昀终开裂形成了层状撕裂。4、焊趾裂纹和热影响区裂纹z用于油气输送的直缝埋弧焊管，一般均需冷扩径。在冷扩径后，焊管在焊趾或热影响区部位可能会出现裂纹，产生的原因可能是多方面的。API5L(44版)规定，冷扩径管焊缝要求的无损检验应在冷扩径后进行。超声检测裂纹反射波信号特征：反射率高，当探测方向有利时回波高度较大（与裂纹面的方向有关），波形较宽，会出现多峰，探头平行移动时，反射波连续出现，波幅有变动，探头摆动时，波峰有上下错动现象，多峰波交替出现昀大值，摆动角度较大。部分超声反射波动态和静态波形判定为裂纹缺陷信号的，经过取样分析证实裂纹的存在。如下图7、8所示图7焊趾裂纹图8热影响区母材裂纹5、偏析回波z我们在对材质为Q345B，厚度为28mm的钢结构钢管焊缝探伤中，发现一条焊缝在板厚一半深处左右，有一反射信号出现。当反射波出现时，波型特征似微小裂纹波型，反射波位置偏向焊缝坡口边沿母材侧，沿焊缝长度方向，断断续续出现。为弄清信号产生的原因，选取一处进行气刨，在碳弧气刨返修过程中，肉眼未发现任何缺陷，补焊后超声波探伤复检，其反射波还在。z在其反射波的位置上，切取试样进行分析，磨制金相观察面后经抛光盐酸煮沸后观察，未发现裂纹等缺陷，在超声波探伤一侧母材区域发现有一个弧形亮白区，经测定，弧形亮白区超声衰减系数大于其它部位，说明弧形亮白区的晶粒结构粗大，对超声传播产生很大影响。显微组织观察发现弧形亮白区为与母材色泽不同的部位呈严重带状分布的组织，这是因为成份偏析所造成的一种粗晶粒组织。晶粒粗对传播的影响很大，所以横波探伤时，在弧形亮白区位置，会产生回波信号。z根据探伤中遇到的情况，初步判断为金属元素偏析的超声回波信号。根据静态波型特征方面看，偏析的回波信号波幅低而稳定；波峰尖锐；陡峭；波根狭窄；从动态波型特征方面分析，探头移动到回波信号位置，反射波幅不高，缺陷深度出现在板材厚度的中间，偏向焊缝边沿，当探头垂直于焊缝前后移动时，反射波很快消失，相似于板材夹层对焊缝边沿的影响，探头平行于焊缝移动时，反射波稳定，可以移动一定距离，后慢慢消失。此类波型，很容易误判为裂纹缺陷波。6、母材的分层z我们在对某订单的钢板按ISO12094标准进行板边复查时，部分钢板的板边有未到达报警闸门的反射信号(见图10)，因未超标，故按合格转入下道制管工序。但在焊缝探伤时，在斜探头扫查声束经过的焊趾边至热影响区母材区域10mm范围内有断续的反射回波出现。z动态波型特征方面分析，探头移动到回波信号位置，反射波幅不高，缺陷深度出现在板材厚度的中间，偏向焊缝边沿，当探头垂直于焊缝前后移动时，反射波很快消失。部分超过Φ1.6mm竖通孔的100%波高，按API5L验收则不合格。因回波在母材区域，按API5LPSL2要求母材不许返修，重新对该母材区域进行直探头检测，和钢板探伤时的反射信号一样（见图10），另对反射信号昀高的部位取样作理化腐蚀分析，看到母材有断续的分层(见图9)。图9母材的分层（金相腐蚀试样）图10母材分层的超声直探头A扫描信号7、母材重皮z重皮是在金属表面，通常只有一端与基体金属相连的极薄的金属长条(见图11)。在超声斜探头探伤过程中，当声束扫查经过的重皮翘起或张开部位，会出现尖锐的反射信号。深度大都定位在近表面1至2mm左右，且肉眼可见，较易判断。图11内焊缝边的热影响区母材重皮四、回波信号处理z为保证交货钢管的实物质量和理顺生产过程，对存在热影响区信号问题的钢管一般按下列方式处理：1、超声反射信号超标，根据回波波形等判断为缺陷且符合补焊要求的严格按补焊规程补焊，补焊后按原超声标准进行复探。回波信号处理:2、综合运用各种无损检测方法以及和破坏性方法相结合。严格按超声执行标准检验，API5L(44版)规定，动态模式下对焊管的超声波检验，超出表E.8给出的相应验收极限的任何缺欠应归为缺陷，除非有以下情况之一者：a、在静态模式下的缺欠超声波检验如小于表E.8给出的相应验收极限且信号幅度确实是该缺欠产生的昀大幅度；b、引起信号的缺欠确定是不属于9.10中描述的表面缺陷；c、对于SAW和COW钢管，射线检验确认引起信号的缺欠是符合E.4.5要求的夹渣或气孔型缺欠。热影响区反射信号超标，静态和动态模式不能准确判断缺陷性质，可采用射线拍片进行确认，按以上C条处理。为弄清缺陷性质，在管端的可取样分析。拍片检验不出的钢管，符合返修要求的可对缺陷进行补焊。回波信号处理:3、判断为可能由于焊趾或变形波而引起的反射信号，需准确调整好超声仪器，进行精确定位，或用砂轮机对反射信号区域进行仔细打磨，打磨后再进行超声波复验，可发现反射信号消失，则可判断为焊趾反射或变形波。4、判断为表面或近表面缺陷（欠），如重皮,需先标识，然后用砂轮机进行仔细修磨，修磨后再进行超声波复验，并进行磁粉检验和测厚，确保缺陷彻底消除。回波信号处理:5、对采用JB/T4730.3-2005标准和GB/T11345-89标准C级要求检测的，斜探头扫查声束通过的母材区域，应先用直探头检测，以便检测是否有影响斜探头检测结果的分层或其它种类缺陷存在。6、缺陷（欠）位于管端或靠近管端，不符合补焊要求或切除含有缺陷（欠）管段后仍满足交货长度要求的钢管，可进行切除处理。7、整根钢管拒收。参考文献zAPISPEC5L:2007,管线钢管规范第44版zJB/T4730.3-2005，承压设备无损检测超声部分zGB/T11345-89，钢焊缝手工超声探伤方法和探伤结果分级z张文钺著《金属熔焊原理及工艺》北京，机械工业出版社，1981年作者简介z甘正红（1973-），男，湖南湘阴人，无损检测高级人员，主要从事承压设备无损检测和质量管理工作。Email:[e-mail]:13952753689谢谢！