1、回波信號分析

   焊接接頭由焊縫及熱影響區(qū)兩部分組成。焊接熔池從高溫冷卻到常溫，期間經(jīng)歷一次結(jié)晶和二次結(jié)晶。二次結(jié)晶發(fā)生在焊縫和靠近焊縫的金屬區(qū)域，該區(qū)域在焊接過程中收到不同程度加熱，在不同溫度下停留一段時間后又以不同速度冷卻下來，最終獲得各不相同的組織和機械性能，稱為熱影響區(qū)。根據(jù)組織特征可將熱影響區(qū)劃分為熔合區(qū)、過熱粗晶區(qū)、相變重結(jié)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)四個小區(qū)。其中熔合區(qū)和過熱粗晶區(qū)組織晶粒大、塑性低，是產(chǎn)生裂紋局部脆性破壞發(fā)源地，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。所以熱影響區(qū)缺陷問題不同于焊縫中的缺陷，處理起來較為復(fù)雜，對鋼管質(zhì)量影響較大。根據(jù)對超聲報警超出驗收標準的部位取樣進行熱酸蝕等理化分析和碳弧氣刨及膠片拍片，進行了下列分析。

1.1  鋼管熱影響區(qū)母材存在夾雜物等

依據(jù)API 5L（44版）標準，用2.5P 8×12 K2探頭檢測φ1016×21mm規(guī)格的鋼管，發(fā)現(xiàn)深度在14mm—18mm左右，水平距離定位在焊趾邊靠母材約2mm—5mm處有強烈反射波出現(xiàn)，缺陷信號斷斷續(xù)續(xù)。超基準波幅（φ1.6mm豎通孔100%波高）10dB，探頭移到焊縫對側(cè)則缺陷波反射很低或較難探測到。同時缺陷波根較寬，波峰為毛粗，主峰邊上有小峰，根部帶有小波，探頭移動時，波形變化明顯，從各個方向探測，反射波幅不相同，呈現(xiàn)出夾雜反射波特征。該信號出現(xiàn)在熱影響區(qū)的母材區(qū)域，按照API 5L（44版）標準，PSL2的鋼管母材不許補焊。為慎重起見，抽取超過基準波幅10dB以上且連續(xù)長度超過10mm的多處反射波位置進行細顆粒膠片拍片，發(fā)現(xiàn)部分反射波位置在內(nèi)焊趾輪廓線處有點狀夾雜，夾雜按API 5L（44版）標準評定合格。根據(jù)超聲波和X射線探傷確定缺陷的橫斷面部位截取試樣進行熱酸腐蝕，發(fā)現(xiàn)熔合線靠母材側(cè)有孔洞和夾雜物，該夾雜物符合ASTM E45標準要求。腐蝕試樣見圖1和圖2。

   圖1 試樣中發(fā)現(xiàn)的腐蝕孔洞         圖2 試樣中發(fā)現(xiàn)的B類夾雜物

1.2  焊角回波及變形波

     少部分反射信號時由于焊縫與母材交界處的焊角回波及變形波產(chǎn)生，因此需準確調(diào)整超聲儀器，判定回撥產(chǎn)生的位置。當橫波聲束入射到探頭對側(cè)焊縫下表面的某些部位時（圖3），其反射橫波S′和反射縱波L′垂直入射至上表面的某些特殊部位，再垂直反射沿原路返回，形成變形橫波和變形縱波，與第一次底波一起，在熒光屏上顯示，形狀像“山”字形（圖4）。內(nèi)坡口變形波的傳播和波形，在示波屏上有些變形波正好在二次波探測的范圍內(nèi)，往往可能被誤判為二次波發(fā)現(xiàn)的缺陷。識別方法是：變形波在很大范圍內(nèi)，甚至在整個焊道的周圍都有。因此可將探頭平行于焊縫移動以審視鑒別。焊角反射波可作如下判別（圖5）：

   圖3  橫波探傷時產(chǎn)生的變形波            圖4  自動焊中的山字波

圖5  焊角反射波的判別

   圖5（a）中探頭A若沒有缺陷就沒有焊角反射波，探頭B有焊角反射波。

   圖5（b）中，探頭在C位置時有焊角反射波，在D位置時無焊角反射波。

1.3  焊趾裂紋

     用于油氣輸送的直縫埋弧焊管，一般均需冷擴徑。在冷擴徑后，焊管在焊趾或熱影響區(qū)部位可能會出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生的原因是多方面的。API 5L（44版）規(guī)定，冷擴徑管焊縫要求無損檢測應(yīng)在冷擴徑后進行，超聲檢測裂紋反射波信號特征：反射率高，當探測方向有利時反射波高度較大，波形較寬，探頭平行移動時，反射波連續(xù)出現(xiàn)，波幅有變動，探頭擺動時，波峰有上下錯動現(xiàn)象，多峰波交替出現(xiàn)最大值，擺動角度較大。部分超聲反射波形判定為裂紋缺陷信號的，經(jīng)過取樣金相實驗證實裂紋的存在。

1.4  偏析回波

     在對材質(zhì)為X70、厚度為21mm的鋼結(jié)構(gòu)鋼管焊縫探傷中，發(fā)現(xiàn)一條焊縫在板厚一半深處左右，有一反射信號出現(xiàn)。當反射波出現(xiàn)時，波型特征似微小裂紋波型，反射位置偏向焊縫坡口邊沿母材側(cè)，沿焊縫長度方向，斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)。在其反射波的位置上，切取試樣進行分析，磨制金相觀察面后經(jīng)拋光鹽酸煮沸觀察，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。在超聲波探傷一側(cè)母材區(qū)域發(fā)現(xiàn)有一個弧形亮白區(qū)，經(jīng)測定，弧形亮白區(qū)超聲衰減系數(shù)大于其他部位，說明弧形亮白區(qū)的晶粒結(jié)構(gòu)粗大，對超聲傳播產(chǎn)生很大影響。顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)弧形亮白區(qū)為與母材色澤不同的部位，呈嚴重帶狀分布的組織，這是因為成份偏析所造成的一種粗晶粒組織。其對傳播的影響很大，所以橫波探傷時，在弧形亮白區(qū)位置產(chǎn)生回波信號。根據(jù)探傷中遇到的情況，初步判斷為金屬元素偏析的超聲回波信號。偏析的回波信號波幅低而穩(wěn)定，波峰尖銳、陡峭，波根狹窄。從波型特征分析，探頭移動到回波信號位置，反射波幅不高，缺陷深度出現(xiàn)在板材厚度的中間，偏向焊縫邊沿，當探頭垂直于焊縫前后移動時，反射波很快消失，相似于板材夾層對焊縫邊沿的影響，探頭平行于焊縫移動時，反射波穩(wěn)定，可以移動一定距離后慢慢消失。此類波型，很容易誤判為裂紋缺陷波。部分超基準波幅按API 5L驗收為不合格。因回波在母材區(qū)域，按API 5L PSL2要求母材不許返修，重新對該母材區(qū)域進行直探頭檢測，與鋼板探傷時的反射信號一樣（圖6）,另外反射信號最高的部位取樣作金相實驗，看到母材有斷續(xù)的分層（圖7）。

圖6 母材分層的超聲直探頭A掃描信號     圖7 母材的分層（金相試樣）

2、曲率半徑對缺陷定位的影響及修正

    根據(jù)超聲波探傷原理，對曲率半徑為R的工件，若儀器顯示的缺陷深度為d/2（d為顯示屏的讀數(shù)），實際的缺陷深度為H，可以推導(dǎo)出下列公式

 H=R—                      （1）

當k=2，R=508mm時，d與H的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

可以看出，缺陷的實際深度H比探傷儀顯示的深度d/2要小，并且兩者的差值隨d/2值的增大而增大。若直接以d/2定位，將會導(dǎo)致定位錯誤，造成缺陷的檢漏和誤判，應(yīng)根據(jù)表1或公式（1）求出實際的缺陷深度。

3、提高偽缺陷波判別準確性的方法

    在鋼管焊縫超聲探傷中，因為鋼管焊接的工藝特點，示波屏上常常除始波和缺陷波外，還會出現(xiàn)一些由其他原因引起的偽缺陷回波，這些偽缺陷波干擾了對缺陷波的正確判別。以下是四種偽缺陷波的成因和鑒別方法。

3.1  耦合劑反射波

     理論上要求耦合層厚度為半徑長的整數(shù)倍，若耦合劑過于粘稠、流動性不好、耦合層厚度太厚，容易堆積在探頭前部，從壓電晶片反射的縱波有一部分轉(zhuǎn)換成表面波，造成反射信號，用手輕輕抹掉探頭前部的耦合劑，該波即會消失。

3.2  焊縫表面焊痕反射波

這種反射波在鋼管現(xiàn)場對接焊縫中出現(xiàn)較多，由于鋼管長度偏差，加上多層結(jié)構(gòu)的累積誤差，使部分鋼管柱對接時焊縫寬度過大，多道施焊使焊縫表面形成一道道焊痕（圖8）。當超聲波掃查到焊縫時，會引起焊痕反射，該反射波信號不強烈、遲鈍，一般出現(xiàn)在一、二次底波稍偏后位置。識別方法是將探頭固定不動，用手沾耦合劑輕輕拍打焊痕處，該波則輕輕跳動。

圖8 多道施焊焊痕示意圖

3.3  焊縫上下錯位引起的反射波

     這種反射波主要出現(xiàn)在鋼管現(xiàn)場對接焊縫檢測中，是由于鋼管上下對接時，軸線偏差引起的。圖9所示焊縫上下焊偏，在A側(cè)探傷時，有缺陷反射波出現(xiàn)，如果將探頭移動到B側(cè)同位置處探傷，在一次波前沒有反射波，或測得的反射波的水平距離在母材上，說明該波是由于焊縫上下錯位引起。

圖9 焊縫上下錯位

3.4  焊縫余高或咬邊形成的非缺陷波

     當焊縫過高或咬邊，很容易形成邊角反射，影響判別。判別方法是①精確計算聲程距離，根據(jù)顯示屏顯示的數(shù)據(jù)，確定缺陷的深度或水平位置來判別是否為缺陷波；②用手沾耦合劑輕輕拍打焊縫兩側(cè)，如反射波信號出現(xiàn)跳動，則說明該反射波是因為焊縫余高而造成的邊角反射，并非缺陷波；③利用手動電磨對焊縫余高或疤痕進行打磨后再進行檢測，若此時反射波消失，則該反射波是非缺陷波。

4、結(jié)論

（1）超聲反射信號超標，根據(jù)回波形等判為缺陷且符合補焊要求的嚴格按補焊規(guī)程補焊，補焊后按原超聲標準進行復(fù)探。

（2）綜合運用各種無損檢測方法和破壞性方法相結(jié)合。對于鋼管熱影響區(qū)反射信號超標，如不能準確判斷缺陷性質(zhì)，可采用射線拍片進行確認，為弄清缺陷性質(zhì)，位于管端的可取樣分析。