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带内加工倒角钢管对接焊接接头超声波检测
［摘要］火力发电厂中的各种管道部件对接接头时有在焊件内侧加工倒角的情况，给超声波检测带来很大困难，文章介绍带内加工倒角对接焊接接头的结构特点和超声波检测的一般技术方法，全面分析该类接头超声波探伤中可能出现的各种非缺陷回波并进行定位计算，以便对缺陷回波的甄别，避免检测过程中的误判。
　　 ［关键词］焊接接头；超声波；检验
　　一、 前言
　　 带内加工倒角对接焊的情况在实际检验工作中经常碰到，超声波检测回波复杂，对缺陷回波的判断有一定技术难度。对不等厚平板对接焊件或能用手接触到内壁的带内加工倒角管对接焊件的超声波检测，回波的判断相对来说还容易些，而对无法触及内壁的情况检测就困难得多。大型火力发电厂中的蒸汽管道、高压给水管道和各种集箱等对接接头不管两侧焊件等厚或不等厚，时有在焊件内侧加工倒角的情况，给超声波检测带来很大困难。不了解接头结构或没有一定技术水平和丰富经验的检测人员对该类焊接接头进行检测时，面对杂乱的回波往往感到困惑，或者是妄下错误的结论，造成不必要的返修和重大经济损失。某锅检所在对一电厂主蒸汽管焊接接头监检时就发生过这样的情况，错误认为连接流量孔板管的几道焊接接头有多处严重的超标缺陷波，要求更换设备，严重拖延了工期，并给厂家造成重大经济损失。事后经笔者和多方专家检验确认，所谓的“缺陷”波其实是由于带内加工倒角焊接接头结构的特殊性导致的变形波，由于检测人员技术不熟练和经验不足引起误判。为避免类似的情况再次发生，本文对该类焊接接头的超声波检测技术作一些介绍，以供同行参考。
　　二、焊件的坡口结构
　　 按有关技术规范（如DL/T869-2004火力发电厂焊接技术规程）规定，焊件组对时应使内壁齐平，不同厚度焊件对口时一般应按图1所示的形式进行加工。内加工倒角距焊件边有一水平段，这样在超声波检测时由内倒角引起的反射波一般不会干扰判伤。但安装现场组对时由于加工条件有限或由于其他原因，往往加工成图1（d）的形式，超声波检测时接头内倒角反射的回波会干扰判伤，内倒角角度条件符合时还会产生变形纵波，使得判伤更加复杂，对没有一定经验的检验人员非常容易导致误判。本文只针对一种典型的情形进行分析讨论，其余可以类推。试验的焊件按图1（d）的形式加工组焊，属于等外径不等厚对接，材质为12Cr1MoV，管厚侧规格为Φ273×35，管薄侧规格为Φ273×30，焊缝余高3mm，内倒角30°，即t1=30mm，t2=35mm，γ=30 °，△t=3mm。
　　三、 准备工作
　　 （一）仪器设备
　　 超声波探伤仪：采用水平线性较好的可记录的数字式超声波探伤仪，能预先调节存储多个探头参数，记录波型，进行准确定位计算，方便操作。本文采用的是美国泛美EPOCH Ⅲ-2300型测厚探伤两用数字式超声波探伤仪。
　　 探头：由于工件表面是曲面，晶片不能太大，对一般材料选用2.5MHZ的频率是合适的，按照工件厚度选用适当K值。为便于分析说明，充分考虑变形波的情况，本文采用2.5P13×13K1.5和2.5P13×13K2.5两种斜探头检测。
　　 试块：CSK—ⅠA，CSK—ⅢA
　 耦合剂：机油
　　 （二）仪器调节方法
　　 检测前用CSK—ⅠA试块的R100圆弧面准确测定探头前沿长度，用CSK—ⅠA试块中深Φ50阶梯孔准确测定探头的实际K值，在CSK—ⅢA试块上按深度1∶1的比例调节扫描速度。注意，扫描速度的调节范围应能保证探伤时在屏幕上出现二次底波，并预留有足够的探伤高灵敏度余量。
　　 （三）探测面
　　 用K1.5和K2.5两种K值的探头在焊缝的两测分别以一、二次波检测，在薄管侧检测的情况与一般等厚对接接头无大差别，不作过多介绍。由于产生变形波是由管内倒角反射引起的，这也正是检测困难的原因所在。所以，本文着重讨论的是在管壁厚侧的二次波检测情况，一次波检测与一般接头没有什么大的区别，不作介绍。
　　 （四）焊件的测量
　　 最好是焊接前用工具准确测量接头两侧的壁厚及内倒角的长度和角度，以便计算分析。很多情况是焊接已完成，无法直接测量。这种情况下用小探头的测厚仪从接头母材侧慢慢接近焊缝测厚，也可以大概估计内倒角的长度和角度，另外也可查看施工图纸或向组装焊件的有关人员询问。
　　四、反射回波分析
　　 （一）一次波检测
　　 在厚管侧一次波检测时前后移动探头一般会出现两个回波信号。前一个信号是焊根的反射，其显示深度对于本文给定的焊件约是h1=30mm，水平定位于焊缝中心线对侧一点；后一个信号是内倒角引起的反射，显示深度h2=35mm，信号较强，位置固定，水平定位于探头侧焊缝边沿。这两个信号都容易分辨，如果在深度30 mm以内出现反射信号就是缺陷波。
　　 （二）二次波检测
　　 二次波检测是本文分析的重点。当探头离焊缝较远时，超声波主声束没打到内倒角，传播路径与一般的等厚对接焊缝的情况没什么区别，移动探头屏幕将出现经焊缝表面反射回的二次波信号，仪器上的深度读数h3=70mm ，注意此处是以管壁厚侧计算。当探头往焊缝推近时，超声波主声束打到内倒角并发生反射。由于内倒角的倾斜，超声波的传播路径与常规的底面反射发生了偏折，另外依据内倒角的角度和探头K值不同有时还会出现内倒角反射时横波入射角小于第三临界角，横波向纵波转换情况。如果不了解这种情况，简单地看，回波信号水平定位于焊缝或热影响区内，离表面有一定深度，非常容易误判为缺陷。入射波在内倒角坡口面的反射位置不同，定位计算的结果略有差异，一般情况下内倒角坡口面只有几毫米宽，入射波主声束打到内倒角坡口面中间位置反射回波最大。下面按两种K值探头检测情况进行近似的计算分析。

　　 1.K2.5探头检测时非缺陷回波分析
　　 这种情况下不产生波形转换，出现经内倒角反射再经焊缝表面反射回的二次波，总声程S=S1 +S2，S1为内倒角坡口反射前的声程，S2为经内坡口反射后的声程，CO和AO分别是底面和倒角斜面的法线，参见图2标注。
　　 已知 K=2.5，γ=30°，t1=30mm，t2=35mm，△t=3mm，
　　 得 β= arctgk=arctg2.0=68.2°
　　 S1=［( t1+ t2)/2］/cosβ= 32.5/cos68.2°=87.5
　　 AO= ( t1+ t2)/2+△t=35.5
　 按光的反射原理及几何学原理不难证明:
　　 ∠AOC=γ=30°，∠AOD=β=68.2°
　　 ∠COD=∠BOC=∠AOD -∠AOC =68.2°-30°=38.2°
　　 ∠AOB=∠BOC-∠AOC =38.2°-30°=8.2°
　　 S 2=AO/cos∠AOB=35.5/cos8.2°=35.9
　　 S= S1 +S 2=87.5+35.9=123.4
　　 仪器显示的深度读数 h4 = S×cosβ=123.4×cos68.2°=45.8，按常规折算为离焊缝表面深度h4'=2t2- h4=2×35-49.3=20.7。由此可见，本来是焊缝外表面反射的回波信号在仪器上显示为焊缝内部的伪缺陷信号。
2.K1.5探头检测时非缺陷回波分析
　　 这种情况下将产生波形转换，同时现经内倒角反射再经焊缝表面反射回的二次横波和纵波。总声程S=S1 +S 2，S'= S1 + S 3'，S1为内倒角坡口反射前一段的横波声程，S 2为经内倒角坡口反射后一段的横波声程，S 3为经内倒角坡口反射后一段的纵波声程，S3'是S3折算成相当于横波的声程，CO和AO分别是底面和倒角斜面的法线，参见图3标注。
　　 已知 K=1.5，γ=30°，t1=30mm，t2=35mm，△t=3mm
　　 得β=arctgk=arctg1.5=56.3°
　　 S1=［( t1+ t2)/2］/cosβ= 32.5/cos56.3°=58.6
　　 AO= ( t1+ t2)/2+△t=35.5
　　 按光的反射原理及几何学原理不难证明：
　　 ∠AOC=γ=30°，∠AOD=β=56.3°
　　 ∠COD=∠BOC=∠AOD -∠AOC =56.3°-30°=26.3°
　　 ∠AOB=∠AOC -∠BOC =30°-26.3°=3.7°
　　 S 2=AO/cos∠AOB=35.5/cos3.7°=35.6
　　 S= S1 +S 2=58.6+35.6=94.2
　　 仪器显示的深度读数 h5 = S×cosβ=94.2×cos56.3°52.3，按常规折算为离焊缝表面深度h5'=2t2- h5=2×35-52.3=17.7。由此可见，本来是焊缝外表面反射的回波信号在仪器上显示为焊缝内部的伪缺陷信号。
　　 另外，由于内倒角坡口反射时入射角∠COD=26.3°小于钢的第三临界角33.2°，所以会产生变形纵波。下面计算其纵波声程：
　　 根据斯涅尔定律计算，∠COE=arc(5900÷3230×sin26.3°)=54°
　　 ∠AOE=∠COE-∠AOC=54°-30°=24°
　　 S 3= AO/cos∠AOE=35.5/cos24°=38.8
　　 折算成横波声程S 3'=38.8×3230/5900=21.2
　　 S'= S1 + S 3'=58.6+21.2=79.8
　　 仪器显示的深度读数 h6 = S / ×cosβ=79.8×cos56.3°=44.3，按常规折算为离焊缝表面深度h6'=2t2- h6=2×35-44.3=25.7。由此可见，本来是焊缝外表面反射的变形纵波回波信号在仪器上显示为焊缝内部的伪缺陷信号。
　　五、结论
　　 对带内倒角的焊接接头用二次波进行超声波检测时，如果底面一次反射点位于倒角斜面上，反射回波可能有路径改变了的横波和纵波信号，回波信号的定位计算不能套用常规的方法。超声波仪器上显示的深度读数是依据声程按设定的折射角计算来的，对二次波探伤而言，一次波反射平面必须与检测平面平行，显示的深度读数才是真实可靠的，否则会有很大偏差。经内倒角一次反射后再经焊缝表面反射的回波一般较有规律，位置相对固定，有较大连续长度，水平一般定位于对侧热影响内，有时也定位于焊缝边沿，用沾油的手指轻拍焊缝边缘可看到信号抖动，结合计算综合判断是可以与缺陷波分辨开的。如果把焊缝打磨与母材平整，由于不具备超声波反射回路，这些非缺陷回波一般不再出现。如果在本文非缺陷回波计算结果以外深度出现信号，则为缺陷波，利用以上例子倒推的方法即可确定其实际深度，在此不再赘述。
　　六、几点体会
　　 第一，不等厚带内倒角管焊接接头超声波检测反射回波较复杂，需要检测者有一定的理论知识和丰富的实践经验，在不进行全面分析的情况下，不宜轻易下结论。
　　 第二，探伤前一定要做好准备工作，了解清楚焊接接头的坡口结构，准确测量两侧母材壁厚，掌握声波的传播路径，通过画图进行计算分析。
　　 第三，必要时可采用射线透照或着色探伤等辅助手段进行补充检验。
　　［参考文献］
　　［1］JB/T 4730.3-2005承压设备无损检测［S］.
　　［2］GB11345-89钢焊缝手工超声波探伤结果分级［S］.
　　［3］胡天明.超声波探伤［M］.武汉:武汉测绘大学出版社 ,1995.
　　［4］管道焊接接头超声波检验技术规程［S］ .DL/T820-2002.
　　［5］钢制管道对接环焊缝超声波探伤方法和检验结果分级［S］.GB/T15830-1995.