屠林杨

摘 要：高加管板与封头环缝由于结构区别于一般的纵环缝，对于超声波探伤来说，无法实现标准对于厚板要求的两面四侧一次波扫查的规定。本文主要从探头的选择，探头扫查的位置来说明如何最大限度的来实现对焊缝的探伤。以及在封头曲面探测时的一些修正，由于结构原因产生的伪缺陷波的识别，和一些常见缺陷回波定性问题的讨论。

关键词：超声波探伤；封头与管板；缺陷定性

1 管板与封头环缝的结构

管板与封头环缝的结构如下图（1）所示，管板材料为20MnMo，封头材料为16Mng，厚度120mm。焊接方式为单面氩弧焊打底，再手工电弧焊，然后自动焊盖面。焊接难度大，工艺控制复杂。而由于几何形状不一样，在超声波探伤时斜探头不能双面四侧，这样就有可能会造成漏检。这就需要更有效的方法来检测焊缝内部，以确保高加安全运行。

2 可能产生的缺陷取向分析与探头K值选择

打底焊时，参数如果控制不当，电流太小或运条速度过快，可能会导致未焊透缺陷的产生。手工焊时，可能因为加热不当，清渣不及时等原因产生裂纹夹渣等缺陷。埋弧自动焊焊接的多层多道焊，焊接深度约100mm，有可能会产生不同深度，不同方向的缺陷，以及在坡口位置可能产生连续的未熔合。在选择探头K至时，根据厚度以及经验，宜选择K1与K2的组合，以达到扫查根部和近表缺陷的目的。且不同折射角也可以减小缺陷方向对于缺陷检出率的影响。同时，K1对于检测根部未焊透具有较高的灵敏度，因为K1时，端角反射较为明显。在探头种类的选择上，宜选择高阻尼窄脉冲的探头，以得到较高的分辨率。

3 扫查范围

扫查面的确定因能更有利于发现缺陷和最大限度的扫查到焊缝，避免声束死角的存在。因此我们将探头位置布置在如图1所示的①②③④⑤的位置，为能更有利于近表面缺陷的检出，应将焊缝余高磨平，在②③⑤封头内外表面扫查时，探头应横穿过焊缝。在位置⑤虽然移动区不足，但这个位置的扫查能弥补在①位置由于由于台阶而无法扫到焊缝近表面的缺陷的问题。在①这个位置扫查时，由于厚度差，仪器的显示深度与实际深度不同，实际深度为显示深度减去厚度差。位置④为横向扫查，因为横向缺陷多为裂纹，而裂纹往往只能在一个方向发现，因此应进行正反两个方向的扫查。

4 曲面探测

在焊缝②③侧周向扫查时，由于封头为球形，因此在给缺陷定位时，应进行曲率修正，否则可能因为深度水平的误差，无法成功返修掉缺陷，造成多次返修，影响焊缝的力学性能，也影响了生产的进度。

表1和表2能清楚的反映出内外扫查时，缺陷在不同深度时的误差：

由上表1表2可以比较直观的发现，厚度在100左右时，水平误差在10mm左右，深度误差在5mm左右。因此无论是对于缺陷的定位还是缺陷的判断，曲率修正都是非常重要的。若不进行修正，根部缺陷往往会被操作人员误判断是地面反射波，而造成缺陷的漏检。

5 缺陷类型及产生的原因与危害

缺陷类型：焊缝缺陷主要有气孔，夹杂，未熔合，未焊透，裂纹。

5.1 气孔

气孔是指焊接时，熔池中的气体未在金属凝固前逸出，残存于焊缝之中所形成的空穴，其气体可能是熔池从外界吸收的，也可能是焊接冶金过程中反应生成的。

产生的原因主要原因：母材或填充金属表面有锈、油污等，焊条或焊剂未烘干会增加气孔量。焊接线能量过小，熔池冷却速度大，都不利于气体逸出。焊缝金属脱氧不足也会增加气孔。

危害：气孔减小了焊缝的有效面积，使焊缝疏松，从而降低了接头的强度，降低塑性，还会引起泄漏。气孔也是引起应力集中的因素。氢气孔还可能促成冷裂纹。

5.2 夹渣

夹渣是指焊后熔渣残存在焊缝中的现象。

夹渣产生的原因：坡口尺寸不合理；破口有污物；多层焊时层间清渣不彻底；焊接线能量小；焊缝散热太快，液态金属凝固过快；焊条药皮，焊剂化学成分不合理，熔点过高，反应不完全，脱渣性不好；乌极性气体保护焊时，焊条搬动不正确，不利于熔渣上浮。

夹渣的危害：点状夹渣的危害与气孔相似，带有尖角的夹渣会产生尖端应力集中，尖端还会发展为裂纹源，危险较大。

5.3 未焊透

未焊透是指母材金属未熔化，焊缝金属沒有进入接头根部的现象。

产生的原因：焊接电流小，熔深浅；破口间隙尺寸不合理，钝边太大；磁片吹影响；焊条偏心度太大；层间及焊根清理不良。

危害：减小焊缝的有效截面积，削弱了焊缝。其次，未焊透引起应力集中严重降低焊缝的疲劳强度。未焊透可能成为裂纹源。

5.4 未熔合

未熔合是指焊缝金属与母材金属，或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。

产生的原因：焊接电流过小；焊接速度过快；焊接角度不对；产生了弧偏吹现象；焊接处于下坡焊接位置，母材熔化时已被铁水覆盖；母材表面有污物或氧化物影响熔敷金属与母材的熔化结合等。

危害：为熔合是一种面积型缺陷。破口未熔合和根部未熔合会使承载截面积明显变小，使应力集中变的比较严重，其危害性仅次于裂纹。

5.5 裂纹

裂纹是指金属原子的结合遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙。

产生的原因：合金元素和杂质的影响，碳元素以及硫、磷等杂质元素的增加，会使结晶裂纹的产生机会增多；冷却速度增大，会增加结晶裂纹的出现机会；焊接应力过大，使金属受拉，出现结晶裂纹。

危害：裂纹是焊接缺陷中危害最大的一种，；裂纹是一种面积型缺陷，减少了焊缝的承载面积，使应力高度集中，很容易扩展导致破坏。

6 超声波缺陷回波性质的判断

超声波探伤对于缺陷的定性，目前还是比较困难，往往依赖于个人经验，而准确的定性，更有利于排除危害性缺陷。经过多年的实践操作与实际返修出的缺陷观察以及射线底片的观察，并通过理论联系实际，对缺陷性质的判断大致总结出如下经验：

6.1 裂纹

反射回波大，波幅比较宽，斜探头平移回波连续出现，波幅降至80%，转动探头时波峰上下错动。斜探头在横向扫查时发现时，反射回波只从一侧出现。 因为裂纹一般锯齿形，导致了探头转动时，会出现波峰错动的现象。同时裂纹又是面积型缺陷，当一侧声束与其垂直时，则另一侧的声束往往与其面平行或夹角很小，反射波无法被探头接受，因此一次波扫查时也往往只能在单侧发现。

6.2 未熔合

①侧反射回波较大，斜探头平移回波较稳定。

②侧反射回波小或没有。未熔合多为坡口未熔合，其一面平直，因此平移时回波稳定，也只能在缺陷的另一侧扫查时才有明显回波。

6.3 未焊透

斜探头平移回波较稳定。①②侧反射回波相近。因为未焊透两侧都是平直的，且深度相同，因此回波比较稳定，两侧扫查時波高也相近。这类缺陷在管板与封头环缝中很少见。

6.4 夹杂

反射回波较小，主峰边上有些小峰，斜探头平移回波变化较大，①②侧反射回波不相同。波幅降至80%，斜探头转角时波幅有跳动现象。夹杂为体积型缺陷，且形状不规则，对于声束没有很好的反射面，因此反射回波往往较小，平移时回波变化较大，一般两侧都可以扫查到，但回波高度不一。

6.5 气孔与密集气孔

斜探头转动时波幅消失快，四侧扫查时反射回波基本相同，一般为气孔，由于气孔一般为圆形，因此，单个气孔的最大特点是各个方向都能发现，且回波高度差不多。反射回波宽，波幅不高，斜探头转动时波幅此起彼伏，多个方向都能发现，一般为密集气孔。由于多个气孔的存在，而单个气孔在各个方向都能发现，因此密集气孔在探头转动时波幅会此起彼伏。

6.6 伪缺陷波

在探伤管板与封头环缝时，在管板①侧扫查往往会出现一个反射回波，波幅比较小，且在根部。该回波是（图示意部位）倒角位置的结构反射回波。往往整条连续出现，可以通过在内侧（图示意部位）位置用耦合剂拍打的方法来确定是否为伪缺陷波。若反射回波波幅出现跳动，则可判定为伪缺陷波，否则应是缺陷回波。

7 总结

目前实践证明，采用上诉方法 来对高加管板与封头环缝进行超声波探伤，可以有效的检出缺陷，通过对射线探伤的比较，两者有较好的吻合度，且超声波探伤灵敏度高于射线探伤，超声波往往能更好的发现焊缝中的点状缺陷以及裂纹，而这在射线底片上常常不能显示。