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2016-04-11 09:41
埋弧焊直缝钢管超声波探伤标准
1焊缝超声波探伤工况简介
    焊缝质量是埋弧焊管质量控制最重要的环节之一。现在钢管制造厂家普遍的配置为:钢管埋弧焊焊缝使用超声波自动探伤检测;管端自动探伤的盲区使用手工探伤检测;补焊焊缝采用手动超声波探伤检测;自动探伤报警处再次采用手工探伤确定缺陷是否超标。目前,大多数自动探伤设备采用水膜法耦合,并选用横波探头,其探头折射角为60°~70°之间(探头K值为2~2.5)。手动探伤也使用和自动探伤相同角度的横波探头。
2标准中对焊缝超声波探伤灵敏度的规定
    管线设计过程中常常根据管线的各种使用环境、承受压力等因素选择不同的基础标准,并结合管线的特殊要求提出附加技术条件。国内现在使用较多的油气管线制造基础标准包括:GB/T9711.1—1997《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分:A级钢管》、GB/T 9711.2—1999《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分:B级钢管》、GB/T 9711.3—2005《石油天然气工业输送钢管交货技术条件第3部分:C级钢管》,API SPEC 5L《管线钢管规范》,Q/SY GJX 101—2009《天然气输送管道用通用钢管技术条件》等。重要的油气输送管线普遍在以上基础标准上附加工程的具体技术要求,如西气东输二线管线的附加技术条件为Q/SYGJX 0102—2007《西气东输二线管道工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件》。
    在以上标准中,焊缝超声波探伤方法普遍引用的标准有:ASTM E273—2001《焊接管道焊接区域的超声波检验标准实施规程》,ISO 9765—1990《埋弧焊承压钢管纵向和(或)横向缺陷测定超声波试验》或与ISO 9765—1990等效的SY/T6423.3—1999《石油天然气工业承压钢管无损检测方法埋弧焊钢管焊缝纵向和横向缺欠的超声波检测》。
    上述标准中,焊缝超声波探伤的灵敏度规定为使用刻槽和竖孔2种类型的标准人工缺陷作为超声波探伤验收极限的参考反射体。其中ASTME273—2001对于标准人工缺陷规定为:熔化焊焊缝要求使用N5刻槽,深度为壁厚的5%,最大值为1.5 mm,最小值0.3 mm,公差为刻槽深度的±15%,刻槽宽度为小于1.5 mm;或使用直径为1.6 mm的竖孔,深度为壁厚的一半,内外表面各一个,位置在焊冠上。如果用户许可,检测时可以用一个贯穿的竖通孔代替上下表面的两个竖孔。
    SY/T 6423.3—1999规定“超声波检测设备应采用四个纵向刻槽和/或一个对比通孔校准,其中两个对比刻槽位于样管外表面,另外两个位于内表面。检测纵向缺陷的探头应采用纵向刻槽校准,检测横向缺陷的探头应采用通孔校准。”
部分附加标准中也规定了自动探伤用标定样管的人工缺陷要求,例如,西气东输二线等天然气输送管线明确要求标定样管应包含9个人工缺陷,焊缝自动探伤样管缺陷示意如图1所示。
 
3反射体对超声波探伤灵敏度的影响
3.1反射面形状的影响
    超声波探伤反射波的高度与超声波有效反射面的面积成正比。超声波声束有一定的扩散宽度,对于刻槽,反射面的尺寸为槽的深度乘以声束宽度;对于竖通孔,反射面的尺寸为超声波声束的高度乘以孔的有效反射面的宽度。
    竖通孔反射回探头的最高反射波在人工缺陷与表面形成的边角位置,其他位置超声波声束的反射主路径不能回到晶片位置,即弧面与钢管表面的端角反射。由于竖孔钻在焊冠上,焊缝形状的变化会影响端角的形状,如图2所示,在同一钻孔的两侧进行灵敏度调整,由于钻孔位置焊缝角度的变化,孔的端角形状变化很大,反射波高度会有较大差异。
刻槽的回波同样来自于槽的端角反射,如果槽刻在焊冠位置,也存在与竖孔探测相同的问题。但是由于刻槽的深度较浅、长度较长,对反射波波高的影响更多取决于槽的深度,因此,端角形状的影响相对较小。
 
3.2壁厚的影响
    壁厚对灵敏度的影响:一方面是反射体反射面积的变化;另一方面是声程的变化。
   如果选择竖孔作为标准反射体,对于不同壁厚的钢管,均使用准1.6 mm的竖通孔,反射面积相同;如果选择N5刻槽作为标准反射体,不同壁厚的钢管槽的深度不同,相应的反射面积也不同。
    根据超声波探伤的基本理论,超声波的声场在1.64倍的近场区范围内可以认为基本没有扩散,不同距离的反射体仅考虑材质衰减。在未扩散区外,对于同一反射体,如果反射体与超声波探头距离越远,回波声压越低。
    不同厂家生产的自动探伤设备使用的探头晶片尺寸不同,但探头晶片面积一般均在80~160mm2之间。以较小的8 mm×12 mm的晶片计算,焊缝中未扩散区的长度(B)为:B=abcosβ/πλs2cosα×1.64-(L1tanα/tanβ),(1)式中:a,b—晶片的尺寸,这里,a=8 mm,b=12 mm;β—折射角,β=arctan2=63.43°;α—入射角,α=arcsin(2 730÷3 230×sin63.43°)=49.11;λs2—横波波长,λs2=3 230 000÷5 000 000=0.646;L1—探头中声程,L1=10 mm。因此,B=(8×12×cos63.43°)÷(π×0.646×cos49.11°)×1.64-(10×tan49.11°÷2)≈47 mm。
    一次波和二次波的声程分别为1KT和2 KT。壁厚较薄时,两种波的声程通常在未扩散区内或刚刚出近场区,例如壁厚为12.7 mm时,2 KT=12.7×2×2=50.8 mm,刚刚出近场区,因此一次波和二次波反射波高度基本相同;壁厚较厚时,一次波声程在未扩散区内,二次波声程在未扩散区外并且较远,声波明显发散。因此在使用标准反射体进行基准灵敏度调节时,薄壁厚的钢管一次和二次反射波高度基本相当,但当壁厚大于12.7mm时,随着壁厚的增加,一次和二次反射波的波高差距越来越大。
3.3探伤灵敏度与实际缺陷的关系
钢管焊缝中实际的缺陷形状各异,很难把使用标准反射体调节的探伤灵敏度与实际缺陷尺寸做准确的对照。笔者在钢管探伤实践中对不同壁厚的气孔缺陷,分别与准1.6 mm竖通孔和N5刻槽标准反射体进行对比,并进行拍片检验和解剖,使用仪器为GE公司生产的USN60型仪器,显示的读数为增益读数,使用的探头为5P8×12K2的探头,结果见表1。
 
    从上述检测结果可以看出,随着壁厚增加,N5刻槽和准1.6 mm竖通孔的差距逐渐增大。同样使用准1.6 mm竖通孔做灵敏度调整,在3个自然缺陷分别超标1 dB,2 dB,2 dB。但是实际缺陷的尺寸越来越小,壁厚越大,准1.6 mm竖通孔的实际探伤灵敏度越高。不同壁厚下与N5刻槽等当量缺陷的实际尺寸与准1.6 mm竖通孔等当量缺陷的实际尺寸更为接近。
    可以在理论上做定性的解释,壁厚较小时,声束在厚度方向的扩展占孔深的比例较大,而且主声束能量比较集中,端角反射波相对较高。壁厚增加时,超声波声场已经超出了未扩散区,在壁厚方向上扩散的长度占孔的比例较小,而且声束扩展,主声束的能量降低,端角反射明显降低。对于N5刻槽,从超声波声场分析上同样存在这些影响因素,但是刻槽深度随壁厚增加,抵消了由于声程增加引起的反射波降低。
4 结论
    壁厚较小时,选用N5刻槽和准1.6 mm竖通孔做标准反射体调节的探伤灵敏度基本相当;壁厚较大时,选择准1.6 mm竖通孔作为标准反射体调节的探伤灵敏度与N5刻槽差距较大。
    通过以上分析,笔者认为在焊冠上加工的准1.6 mm竖通孔作为灵敏度调整的标准反射体,探伤灵敏度随着加工位置不同和壁厚变化会造成较大的改变,引起质量控制的不一致,刻槽的一致性优于通孔。因此在钢管生产过程中,检测纵向缺陷应优先选择刻槽作为灵敏度调整的标准反射体。或者采用SY/T 6423.3—1999的方式,使用刻槽作为纵向缺陷探伤灵敏度调节的标准反射体,使用通孔作为横向缺陷探伤灵敏度调节的标准反射体。
    由于实际探伤过程中影响因素比较复杂,自然缺陷的形状无法控制,标准反射体的加工精度控制也存在一定困难,对于钢管探伤的灵敏度进行定性分析很困难。笔者的分析仅仅包括了一些简单的定性影响因素,想通过这些因素的分析提高业内同仁对于钢管焊缝探伤灵敏度标准反射体选择的重视,从而使埋弧焊管焊缝的超声波探伤更为规范。  

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