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            直縫埋弧焊管焊縫橫向裂紋的超聲波檢測

            閱讀次數[] 發布時間:2014-3-29 10:36:17

             

            摘要:針對海洋平臺用厚壁直縫埋弧焊鋼管生產過程中產生的焊縫橫向裂紋,給出了常用的超聲波檢測方法,如帶余高焊縫的斜平行掃查、去掉焊縫余高后的平行掃查、雙探頭橫跨焊縫的交叉掃查和帶余高焊縫的平行掃查。比較了幾種掃查方式對焊縫橫向裂紋的檢測效果,結果表明,采用9×9K1(45°)小晶片的橫波斜探頭,進行帶余高焊縫的平行掃查,能有效地檢出焊縫的橫向裂紋。最后給出了橫向裂紋缺陷的返修處理措施。
                目前,直縫埋弧焊管應用已擴展到眾多領域,除石油天然氣長輸管道外,還向海洋平臺、海上浮吊等海洋結構方面發展。埋弧焊管作為海洋結構用管具有明顯的優勢,如壁厚均勻,工藝簡單,性能受制管工藝影響較小,易于實現高強度、高韌性的要求,且其規格調整靈活,可滿足不同管徑的要求。但是,由于海洋結構用管的服役環境與陸路流體輸送管有所不同,海洋結構用管服役在波浪、海潮、風暴及寒冷流冰等嚴峻的海洋工作環境中,因而,對海洋結構用管除了要求具有一般管道性能外,還對其強韌性和焊縫質量提出了更高的要求。鋼管的主要材質為D36鋼、S355鋼及具有Z向性能的結構鋼板,厚度一般在20~50 mm之間,由于板材厚度較大,且碳含量及碳當量均較大,可焊性較差,淬硬傾向大,使焊接接頭的熔合性能降低,且易產生冷裂紋。揚州亞聯鋼管有限公司采用上述材質和厚度的鋼板生產某些國內外海洋平臺結構鋼管時,發現部分厚壁鋼管存在橫向裂紋缺陷。有效檢出橫向裂紋、及時返修并消除缺陷,對確保鋼管質量、保證海洋平臺的安全使用具有重要意義。
            1 厚壁直縫埋弧焊管焊縫存在的橫向裂紋
            分別采用厚度為20~50mm的D36,D36-Z35和S355結構鋼板,通過JCOE成型方式生產海洋經驗交流·54·HAN GUAN焊管平臺用直縫埋弧焊管,直徑為508~1372mm。焊縫采用X形坡口,內焊為三絲埋弧焊,外焊為多層多道三絲埋弧焊。焊接完成24h或48h后對焊縫進行超聲波檢測,橫向掃查時發現在焊縫壁厚中間位置有林狀回波出現,進一步檢測發現有時整條焊縫斷續存在類似信號,深度在焊縫中間位置。為了查清缺陷的性質,對某些反射信號最高的地方進行X射線拍片,未發現缺陷。經碳弧氣刨后再次進行磁粉檢測,證實該缺陷為橫向裂紋。裂紋大部分橫穿焊縫,但未擴展到母材中,裂紋深度在焊縫壁厚的中間位置,為外焊的第一層,與超聲波檢測的深度基本吻合,裂紋磁痕顯示如圖1所示。
            2 焊縫橫向裂紋缺陷的超聲檢測方法
                橫向裂紋危害性較大,與其他缺陷相比,其超聲波檢測難度也較大,這主要是由于超聲波檢測較難判別缺陷的性質。為了提高橫向裂紋的檢出率,并準確判定橫向裂紋,結合AWS D1.1/D1.1M和API RP 2X等標準規定,總結出了超聲波對橫向裂紋的掃查方式。實踐證明,這些方法對厚壁焊縫中橫向裂紋檢測與判定較為有效。
            2.1帶余高焊縫的斜平行掃查
            為了檢測出帶余高焊縫中的橫向裂紋,檢測時,可在焊接接頭兩側邊緣分別布置探頭,且使探頭與焊接接頭中心線成10°~20°,進行兩個方向的斜平行掃查,如圖2所示。
                筆者曾使用2.5MHz,13×13 K1(45°)探頭,沿焊縫做橫向掃查,角度控制在10°左右,橫向缺陷回波波幅很低,部分缺陷還不能發現?梢,如果采用沿焊縫兩側斜平行掃查方法,檢測橫向裂紋,其檢出可靠性較差。
            2.2 去掉焊縫余高后的平行掃查
            如果焊縫余高已磨平,在焊縫上探測是檢查橫向裂紋的最為有效的方法。檢測時,將探頭放在焊縫及熱影響區上,進行兩個方向的平行掃查,如圖3所示。
            2.3 雙探頭橫跨焊縫的交叉掃查
            如果焊縫余高未磨平,在焊縫兩側各放置一個探頭,一般要求兩個探頭K值的實測值相同,以保證入射聲束經缺陷反射后能最大限度地被接收探頭所接收,并易于定位。檢測時,要保證兩個探頭的聲束軸線相交于要檢測的部位,兩個探頭一發一收,在焊縫兩側同時進行同向平行于焊縫中心線的移動,這樣可以檢測出焊縫的橫向缺陷,這種掃查方式稱為交叉掃查,如圖4所示。當示波屏上出現第一次反射波后即認為是缺陷波,然后沿著焊縫緩慢前后移動一個探頭(發射探頭或接收探頭),并適當環繞或旋轉探頭,使缺陷波幅為最大。采用雙探頭交叉法是超聲檢測焊縫內橫向裂紋的有效方法,但是這種掃查方法靠手工操作,因此效率低,且不易掌握。
            2.4 帶余高焊縫的平行掃查
                采用射線檢測時,有的橫向裂紋很難發現,這是由于焊縫余高的存在及橫向裂紋的位置,當采用斜平行掃查時,波幅不高而容易漏檢。日常檢測中,為了保證重要焊縫橫向裂紋的有效檢出,一般將所有焊縫余高全部打磨平整,保證探頭可在焊縫上做平行掃查,進而提高橫向缺陷的檢出率。如JB/T 4730.3—2005標準對焊接接頭采用C級檢測技術等級時,應將焊接接頭的余高磨平,檢測橫向缺陷時將探頭放在焊縫及熱影響區上做兩個方向的平行掃查。去除余高在焊縫上做平行掃查是檢測橫向缺陷的較好辦法。
                厚壁鋼管一般采用多層多道焊,焊縫余高3~4 mm,焊縫寬度40~70 mm,如果手工用角向磨光機修磨焊縫,工作量會特別大。這類鋼管的生產標準及補充技術規范并沒有要求檢測橫向缺陷時去除焊縫余高,而且厚壁鋼管外焊縫的焊接為多層多道埋弧焊,表面光滑,當使用2.5 MHz9×9K1(45°)探頭騎在焊縫余高表面進行掃查時,發現回波幅值很高,缺陷波形明顯,較易分辨?梢,采用平行掃查方式也能檢測出厚壁鋼管帶余高焊縫中的橫向裂紋類缺陷。
                厚壁鋼管通常的檢測方法是使用9×9K1(45°)小晶片的橫波斜探頭(13×13以上的大晶片探頭檢測效果不好),將斜楔在焊縫余高上的探頭底部用砂紙修磨成弧形(有利于與焊縫更好的吻合),并在焊縫上做雙向掃查,這時的掃查增益一般比基準靈敏度高6~12dB,同時使用比較粘稠的耦合劑,就能有效地檢出焊縫的橫向裂紋。采用這種方法檢測焊縫的橫向裂紋時,大部分回波較高,只有少量的波幅在50%DAC(距離波幅校正),但仍然可以看到交替出現的典型的橫向裂紋的回波特征。
                檢測時還需注意橫向裂紋在焊縫中的形態,此類裂紋在x軸方向,即焊縫長度方向上端點和下端點坐標是不同的,即裂紋是傾斜的,所以檢測時,在焊縫上的掃查必須從向前和向后兩個相對方向進行掃查。常規超聲波手工掃查對焊縫缺陷反射波信號的顯示率可能為100%DAC曲線,但是由于掃查波方向與缺陷平面走向等原因,使反射波信號未達到100%DAC曲線或50%DAC曲線,從而會使危害性平面狀缺陷漏檢。
                如果采用70°斜探頭在母材上做雙向小角度斜平行掃查來檢測橫向缺陷,漏檢率就很高。實際工作中,焊縫的橫向裂紋都是用K1(45°)探頭在焊縫(焊縫有余高或者磨平)上掃查而檢測出來的。
            3 橫向裂紋的超聲波判別
                采用以上“帶余高焊縫的平行掃查”方法檢測焊縫的橫向缺陷時,如果發現有反射信號,可將該處焊縫余高磨平,并進一步測定和參考缺陷平面、深度位置、缺陷高度、缺陷各向反射特性、缺陷取向、缺陷波形、動態波形、回波包絡線等參數,同時結合坡口形式、材料特性、焊接工藝和焊接方法等進行綜合判斷,盡可能對橫向缺陷的實際性質做出判定,并確定缺陷的位置。然后用氣刨修磨解剖,再進行磁粉檢測驗證。檢測過程中,橫向裂紋的判別步驟如下:
            (1)首先在橫向掃查靈敏度下(此時比縱向掃查靈敏度提高6~12 dB)將探頭放在焊縫上直接做平行掃查;
            (2)發現橫向缺陷顯示后,選取1~2處幅度較高的回波位置對焊縫余高修磨齊平后進行分析,反射波幅低于20%DAC的顯示、原則上不予定性;
            (3)運用環繞掃查確定缺陷是否為點狀缺陷,如果為點狀缺陷則不予進一步定性;
            (4)觀察靜態波形和動態波形,分析缺陷信號幅度變化來判斷是否為橫向裂紋。探頭運動的基本方式有四種,即左右移動、前后移動、定點轉動和環繞運動,與之相對應的動態波形也有四種形式,如圖5所示;蛘邭馀傩弈サ饺毕萆疃群笥么欧蹤z測驗證是否為橫向裂紋,缺陷數目不多時可不經驗證直接進行返修處理。
             
            4 橫向裂紋的處理
                一旦判定缺陷為橫向裂紋,則必須進行返修處理。橫向裂紋在返修前應確定氣刨和修磨的深度及寬度,為保證返修徹底,對超聲波檢測確定的深度要加上幾毫米的裕度。另外氣刨和修磨后在補焊返修前必須進行一次磁粉檢測,需要注意的是側壁坡口也屬于檢測范圍,以確保缺陷完全清除,然后再由補焊人員焊接,否則很難保證裂紋的徹底根除。返修時應當采用低氫焊絲(條),返修前必須預熱,氣刨后清理、修磨積碳至露出金屬光澤,返修后采取必要的緩冷保護措施,如焊后采用石棉等包覆焊縫緩冷。另外,對于橫向裂紋的返修復檢,一定要嚴格執行在焊后24h或者48h再檢查。
            5 結論
            (1)超聲波檢測是檢出厚壁焊縫橫向裂紋的有效手段,缺陷性質判別是關鍵,這需要積累豐富的實踐經驗和掌握一定的操作技巧。
            (2)焊縫余高磨平是超聲波檢出厚壁焊縫橫向裂紋的最好方法,但是對于帶余高焊縫,也可以直接在焊縫上檢測。
            (3)通過環繞掃查、轉角掃查及觀察動態和靜態波形,分析缺陷幅度變化,能夠較準確地判別橫向裂紋。
            (4)厚壁焊縫應特別注意焊接規范(預熱溫度、層間溫度、氣刨后的清根、焊絲和焊劑的匹配、控制線能量、焊后保溫等),保證不產生橫向裂紋類缺陷。
            關鍵字:
              產品分類: 大口徑 結構 厚壁 管線 油管 套管