承压钢管热影响区超声波检测回波信号探讨
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【摘 要】承压钢管一般采用双面埋弧焊接，在对钢管焊缝进行超声（横波）检测时热影响区不时出现回波信号报警问题，对超声检测人员的判定带来严重的干扰和影响。在对承压焊接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。本文探讨由于超声波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。
1 相关技术标准规定焊缝检测宽度区域
JB/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，这个区域最小为5mm，最大为10mm。
GB/T11345-2013标准规定：超声检测区的宽度应是焊缝和焊缝两侧至少10L宽母材或热影响区宽度（取二者大值）的内部区域。
API 5L（45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1.6 mm（1/16 in）宽度的母材。
2 回波信号分析
（1）钢管热影响区母材存在不同程度的夹杂物等问题。我们检测某规格的钢管，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10dB，探头移到焊缝对侧则缺陷波反射很低或较难探测到。
（2）少部分的反射信号是由于焊缝与母材交界处的焊角反射波及变形波产生，需准确调整超声设备仪器，判定回波产生的位置。如图1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，形状像“山”字形（图2）。
（3）母材的层状撕裂缺陷。我们在对某城市天然气管道钢管焊缝进行超声波检测过程中，发现部分热影响区母材始终存在一个微弱的回波信号，最大当量高出定量线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。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，最终开裂形成了层状撕裂。
（4）焊趾裂纹和热影响区裂纹。用于油气输送的直缝埋弧焊管需冷扩径，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。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，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，多峰波交替出现最大值，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。
（5）母材分层。我们在对钢管焊缝探伤时，在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。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。对反射信号最高的部位取样作理化腐蚀分析，看到母材有断续的分层。
（6）偏析。我们在对某城市承压管道钢管焊缝探伤中，发现某一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。切取试样进行金相腐蚀后观察，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。
（7）母材重皮。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。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。
3 回波信号处理
（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，补焊后按原标准进行复探。（2）判断为可能由于焊角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，如发现反射信号消失，则可判断为焊角反射或变形波。（3）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。（4）对原材料钢板进行检测时，应用直探头对板边50毫米进行100%检测，以便检测是否有影响斜探头检测结果缺欠。（5）缺陷（欠）位于管端或靠近管端，不符合补焊要求的钢管，可进行切除处理。（5）整根钢管判废隔离。
参考文献：
[1]API SPEC 5L：2012，管线钢管规范第45版[S].
[2]GB/T11345，钢焊缝手工超声探伤方法和探伤结果分级.
[3]王晓雷 主编.《承压类特种设备无损检测相关知识》.2013版.