管道对接焊缝常见缺陷的危害及其超声波波形辨别

摘 要：本文根据压力管道对接接头容易产生的外观和内部缺陷，结合各类缺陷在超声波显示中的特点及水平距离和深度，分析各种波形显示的性质，在实际的检测过程中加以辨别，从而更加准确地判断压力管道对接接头超声波检测的质量等级，为压力管道的定期检验中判定管道安全状况等级提供科学可靠的依据。

关键词：脉冲反射法超声波检测；错边；未焊透；未熔合；裂纹；咬边；距离-波幅曲线；波形辨别

中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0090-02

1 术语

1.1 压力管道

是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），介质为气体、液化气体、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体，且公称直径大于或者等于50mm的管道。

1.2 超声波探伤

利用材料及其声学性能差异对超声波波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。

1.2.1 脉冲反射法（见图1）

超声波探头发射脉冲波到被检工件内，通过观察来自内部缺陷或工件底面反射波的情况来对工件进行检测。

1.2.2 缺陷回波法

根据仪器示波屏上显示的缺陷波形进行判断的方法。

2 错边的危害及其波形辨别

错边：两个工件在厚度方向上错开一定位置，可视为焊缝表面缺陷，又可视作装配成形缺陷。

2.1 在管道对接焊缝中错边产生的原因

（1）公称壁厚不等：组对过程中只能对齐管道外壁，内壁必然错开一定的位置，通常叫做内错边。（2）组对时两个管子中轴线未重合：这种错边形式可以从改善焊接工艺上加以控制。（3）椭圆度：由于对接的两个管子椭圆度的不同，必然产生厚度方向上的错位，这种错边形式比较难以控制，当管径较大时更为严重，验货的时候要多加关注。

2.2 错边的危害

（1）在焊缝处产生附加弯曲应力；（2）在错边处产生应力集中；（3）降低了承载能力；（4）影响焊缝外形美观和尺寸精度。

2.3 超聲波探伤中内错边波形辨别

现场检验过程中发现，压力管道错边的形式多为内错边。

进行单面双侧扫查时（见图2），在薄壁侧扫查面上，几乎无波形显示；在厚壁侧扫查面上，沿管子周向上整圈都有波形显示，反射波基本位于距离-波幅曲线（DAC曲线）Ⅲ区以上，且波高较高，深度从薄壁公称壁厚到厚壁公称壁厚上都有，水平距离位于厚壁边缘一侧。

波形特点：由于错口面的凹凸不确定性，反射波的波峰上有小峰，探头左右移动时波幅的高度变化不大，波形比较单一、变化不复杂。

3 未焊透的危害及其波形辨别

3.1 管道对接接头中未焊透产生的原因及其防止

（1）所产生的相关原因。1）在进行焊接的过程之中，焊接电流并没有达到预期的目标，电流不够大；2）在进行焊接的过程之中，坡口和间隙的尺寸并没有达到预期的目标，呈现不合理形态；3）在进行焊接的过程之中，磁吹偏会对其造成很大的影响力度；4）在进行焊接的过程之中，焊条偏心度并没有达到预期的目标，没有维持在一个平衡点；5）在进行焊接的过程之中，层间及焊根清理工作不具备有效性，导致其不符合相应的标准及规范。（2）防止：为了能够使未焊透得以基本防止，就要将比较大的电流运用到其中，另一个层面为了能够使磁偏吹得以防止，就要将交替电流代替相应的直流，从而真正意义上的使用较大电流使未焊透得以基本防止。

3.2 未焊透的危害

（1）使焊缝的有效截面积得到了更大程度上的降低，接头强度也逐渐地呈现下降的趋势；（2）焊缝的疲劳强度得到更大程度上的降低基本是由于引起的应力集中，同时其危害性非常严重；（3）焊缝破坏的重要原因就是未焊透非常容易出现裂纹源。

3.3 超声波探伤中根部未焊透波形辨别

未焊透在焊接缺陷中形式多为根部未焊透。

未焊透一旦形成，无论探头放那一侧进行扫查（见图3），都有很强的端角反射波，探头移动时波形较稳定；转动和摆动探头时，波形消失较快；焊缝两侧探测的水平距离有一定间隙，约为对口间隙；深度位于焊缝底部1-2mm左右。

波形特点：波形单一，反射波幅度大，探头平移时，波形较稳定。

4 未熔合的危害及其波形辨别

对于未熔合来说，它主要是指对金属进行全面性、系统性、有效性的焊缝，但是在其过程之中并没有完全的熔化结合在一起。从其不同的部位层面可以分为以下三个方面，分别是：坡口未熔合、层间未熔合和根部未熔合。

4.1 管道对接接头中未熔合产生的原因及其防止

（1）产生的原因。1）在进行焊接的过程之中，电流量不够高；2）在进行焊接的过程之中，速度并没有达到预期的目标，速度不够慢；3）在进行焊接的过程之中，所采取的焊接角度不是非常正确；4）在进行焊接的过程之中，弧偏吹现象出现在了其中，对整体焊接产生了不良影响。（2）防止。将比较大的焊接电流真正意义上的运用到其中，采用系统性、有效性、正确性的焊接方式，并且对清洁坡口位置的工作予以更大的关注力度。

4.2 未熔合的危害

对于未熔合的危害来说，它的核心本质内容就是面积型缺陷，同时为了能够更大程度上的减少承载截面面积，就应该将坡口未熔合和根部未熔合真正意义上的运用到其中，并且其与裂纹的危害性相互比较，我们不难看出，危害性并不是十分的高。

4.3 超声波探伤中未熔合波形辨别

对于根部未熔合反射波探测时，在缺陷侧有一个波幅较高的反射波，有时在非缺陷侧反射波幅更明显，（但是随着未熔合面与入射声束角度的不同，有时反射波幅较小、甚至无反射信号，这是因为缺陷的指向性声束反射角无法传播到探头）应进行准确的测厚分析，对缺陷进行深度定位，根部未熔合多出现在水平固定的仰焊位置、垂直固定的上坡口位置、焊接接头的根部位置。

如图4所示，扫查焊缝的两侧，A侧的为二次声程反射波，B侧的为一次声程反射波，通常情况下只要把探头角度变换一下，只要声束的入射角很合适，B侧的反射波幅高于A侧，且他们的深度在定位上基本一致。

波形的特征：形状单一，平稳且尖锐。

5 裂纹的危害及其波形辨别

裂纹的产生是金属原子在结合时遭到破坏并且在新的界面上形成缝隙，由于发生条件和时机不同分为下面几种：热裂纹、冷裂纹（别名延迟裂纹）、层间撕裂、再生裂纹，冷裂纹是压力管道试验检查过程中的主要项目。

5.1 冷裂纹形成机理和防止措施

（1）冷裂纹的特征。1）焊接过后一段产生，并且温度低；2）发生在焊缝区和热影响区域；3）有沿晶开裂，穿晶开裂或者二者混合；4）脆断成为构件破坏主要原因。（2）产生机理。1）金属的塑性储备被脆硬组织减小；2）焊缝受拉是焊接残余应力引起的；3）的原子太氢大多存在于金属接头区域；4）冷裂纹（氢制裂纹）的产生是含氢量和拉应力引起的。（3）防止措施。1）采用低氢型碱性焊条，严格烘干；2）选择适宜的焊接规范，保证预热温度符合要求，并后续加热保证层间温度不低于预热温度；3）优化焊接的先后顺序，减少焊接的变形和应力；4）及时对焊后的构件做消氢热处理。

5.2 裂纹的危害

裂纹是面积型缺陷的一种，它的危害在于大量减少承载面积，并且在裂纹端部形成应力集中的缺口，破坏性极大，尤其是冷裂缝，由于自身延迟性和快速脆断性特点带来的危害经常是不可估量的，世界上绝大多数的锅炉压力容器和管道的脆性破坏是裂纹引起的，只有少数是选材不当和设计不合理的原因造成的。

5.3 超声波探伤中裂纹波形辨别

裂纹在焊缝中虽不常见，但它是一种最危险的缺陷，它多产生于根部的熔合线附近，探测时反射波强烈，因裂纹表面曲折，没有光滑的界面，反射波波脚较宽，且波峰常出现多峰现象。探头平行移动时，波峰此起彼伏，摆动或转动探头时，波峰下降很快，波形没有未焊透波形稳定，从焊口两侧探测时，波形有较好的相似性，缺陷波在水平线上的位置基本一致。

如图5所示在焊缝两侧探测，水平定位时一次声程位置均有反射波出現，反射波可能是尖锐的，或有多峰。通过缺陷的准确定位（埋藏深度、水平距离），可以判定缺陷在焊缝中存在。

波形特点：波形单一，波幅宽，反射波高度较大，呈锯齿状，有多峰，探头移动时，时起时伏。

6 咬边的危害及其波形辨别

咬边：沿着焊趾，在母材部分形成凹陷或沟槽。

6.1 管道对接接头中咬边产生的原因及其防止

（1）产生的原因。1）电弧热量天高，即电流过大，运条速度较小；2）焊条与工件角度不正确，摆动不合理；3）电弧过长，焊接次序不合理；4）直流焊时电弧的磁偏吹。（2）防止。矫正操作姿势，选用合理的规范，采用正确的运条方式。

6.2 咬边的危害

造成母材结构截面积的减小，破坏构件的承载能力，在某些区域形成应力集中进而发展成为裂纹的根源。

6.3 超声波探伤中咬边波形辨别

一般情况下，如果单面焊双面成型构件的焊口出现咬边，一次声程波的前端部位会出现缺陷反射波，如果缺陷声波波幅很小，可以观察到焊缝一侧到焊缝根部的附加反射波。缺陷的定位基本一致时，证明探头在焊缝二侧探查，因为手工电弧焊出现咬边时特征为不连续过渡，所以探头平行焊缝移动时波幅会出现起伏变动。

如图6所示，此处波形特点为反射波会出现在带有缺陷的焊缝二侧，在A侧还能观察到构件咬边的反射波和底波。探头前后移动时只能够显示出很小的垂直方向尺寸。咬边反射波的包络波形两侧各不相同。有时在焊缝的一侧反射波幅很小、甚至没有反射信号，原因是入射角度和缺陷具有指向性。

7 识别与判定方法的验证

通过将解剖验证工作运用到日常实际工作中去，我们不难看出，在焊接工艺评定的过程中，无论是哪一处部位，还是哪一种缺陷，都应该对其予以更高的关注力度，并且系统性、全面性、有效性的对比，相同部位但是存在着同性质的缺陷，这是我们工作的重点内容，同时为了能够使射线复检以及缺陷返修工作得到更好更快的进行，就要注重多台大型机组焊口超声波检测工作，从而使各种反射波形分析的要点能够得到更准确有效的展现。

通过日常实际识别以及判定方法的应用，我们应该对大径管焊口根部的缺陷类型进行深层次的分析以及探究，从而使定性目的得到有效的确定以及达到，同时大量的反射波出现在焊缝根部，为了能够使所得到的结果以及内容呈现全面性、系统性、有效性，就应该注重缺陷波的各式各样的特征，同时在探测工作过程之前要将焊接接头坡口型式、焊接工艺、方法特点、热处理状态等放置在核心关键地位，并进行综合性、系统性、全面性的分析以及判定，从而使判定结果呈现准确化。

8 结语

脉冲反射法超声波检测中，超声波对缺陷的显示并不直观、探伤技术难度大、容易受主观因素影响，且某些缺陷波形信号相类似，水平距离和深度相近，需要富有经验的检测人员才能辨别缺陷种类；在多年检测实践的基础上，本文给出了如何辨别缺陷波形信号的基本方法，以及在判断缺陷性质时需要考虑的其他因素。希望对新从事超声波探伤的人员有所帮助，对本文的不足之处请多批评指正。

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