焊管的偏析与超声检测研究

甘正红，邢艳亮，周 帅，苏继权

（1.江苏德创制管有限公司，江苏 兴化 225700；2.唐山市特种设备监督检验所，河北 唐山063000；3.湖南胜利湘钢钢管有限公司，湖南 湘潭411101）

焊管的偏析与超声检测研究

甘正红1，邢艳亮2，周 帅3，苏继权1

（1.江苏德创制管有限公司，江苏 兴化 225700；2.唐山市特种设备监督检验所，河北 唐山063000；3.湖南胜利湘钢钢管有限公司，湖南 湘潭411101）

针对焊管焊缝超声检测过程中，在热影响区的中心部位沿焊缝的长度方向出现的异常回波信号，且补焊返修后重新检测时回波仍然存在的问题，通过对该信号部位取样进行理化试验，找到了产生异常回波信号的原因。结果表明，焊缝熔合线及热影响区母材存在的偏析是产生异常回波出现的原因。分析了焊管偏析的种类和形成原因，对偏析回波信号的超声检测识别进行了分析研究，说明超声检测结合理化试验可以判断焊管严重偏析的存在。

焊管；焊缝；偏析；超声检测

焊管因其自身优越的性能，应用范围几乎涉及所有结构领域，包括高层建筑、桥梁、体育场馆、海洋平台结构、特高压输变电钢管塔等。该类焊管所用管材主要为Q345B、DH36、S355及具有Z向性能的结构钢板，其厚度一般为20～50 mm[1-2]，更厚的也有达到80 mm的。这类焊管焊缝都需要进行超声波检测，检测时一般执行 GB/T 11345—2013和 AWS D1.1/D1.1M等标准。

1 超声检测回波信号的分析

由于某些冶金不连续会产生非相关信号，所以不是所有超声反射信号都表示缺陷，这些反射信号包括热影响区中的平面偏析，这种偏析在制造后会反映出来[3]。按照GB/T 11345—2013标准，对材质Q345B、厚度32 mm的建筑钢结构钢管的焊缝进行检测，评定等级为B级，灵敏度设定采用3 mm的横孔技术，评定显示依据GB/T 29712—2013标准，发现部分焊缝在板厚一半深度左右，沿焊缝长度方向，有连续或断续的反射回波出现，显示长度判为不合格。因为反射波位置偏向焊缝坡口边沿母材侧，通过波形辨别，初步判断为坡口边缘的未熔合类缺陷回波，回波在焊缝中的位置模拟及回波信号指示如图1所示。遂后对该焊缝进行补焊返修，返修后再按照原标准要求对补焊区域重新进行复检，仍然存在反射回波。考虑到焊接工艺比较成熟，在焊缝中产生如此连续间断性未熔合缺陷的可能性不大，于是选取一处重新进行气刨，在碳弧气刨过程中，仔细观察，肉眼未发现任何缺陷，二次补焊后超声复检，其反射波仍然存在。排除了焊接工艺和返修产生新缺陷的可能，为了找到回波产生的原因，在其反射波的位置上，切取试样进行分析，磨制金相观察面后经抛光盐酸煮沸后低倍观察，未发现裂纹和坡口未熔合等缺陷，但在超声检测一侧母材厚度中心区域时很直观的呈现了中心偏析的形态和分布，板厚中心呈现一定宽度的黑点和黑带区域，靠近熔合线处，经测定，该区域超声衰减系数大于其它部位，说明该区域晶粒结构粗大，对超声波传播产生了较大的影响。同时对该区域进行光谱测试，发现该区域的S和P等的含量比其它区域高，并且非金属夹杂物也多，进行硫印试验，在板厚中心呈现聚集的棕色小点，定性表明连铸钢板中心存在硫化物的偏聚，存在富硫带，但焊缝中间部位没有宏观硫化物分布[4]，该区域的宏观低倍照片及硫印试验照片如图2所示。由于板厚中心碳化物、硫化物和夹杂物的偏聚，且分布极不均匀，在热酸侵蚀下被腐蚀、熔解或脱落，就直接呈现了图2（a）的低倍形貌，从硫印和低倍形貌的这些特点，定性地反映了连铸钢板板厚截面存在成分和组织的偏析，尤其在板厚中心的偏析是最为严重的。

图1 回波在焊缝中的位置模拟及回波信号指示

图2 偏析的宏观低倍照片及硫印试验照片

2 偏析的产生及其影响

2.1 焊管母材的偏析

由于钢铸坯凝固过程中选分结晶的作用，树枝晶的液体中会富集溶质元素，凝固时富集了溶质液体的流动导致了区域溶质元素分布的不均匀性，把这种化学成分的不均匀性叫做宏观偏析或低倍偏析，主要表现为中心分布的不均匀性，即中心偏析，板坯横断面中C、S和P的含量在中心有明显的升高，呈正偏析。中心偏析有两种形成机构，即鼓肚偏析和凝固偏析[5]。钢板轧制焊接后超声检测分别表现为长条缺陷和点密缺陷。

2.2 焊缝的偏析

焊接熔池的结晶过程也是一种不平衡的结晶过程，在焊接熔池一次结晶过程中，由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，造成合金元素的分布不均匀，产生焊缝偏析现象。

焊缝偏析又可分为显微偏析、区域偏析和层状偏析3种。

显微偏析是指熔池一次结晶时，最先结晶的结晶中心金属最纯，后结晶部分含其他合金元素和杂质略高，最后结晶的部分，即结晶的外端和前缘所含其他合金元素和杂质最高，在一个柱状晶粒内部和晶粒之间的化学成分分布不均匀的现象。

区域偏析是指熔池一次结晶时，由于柱状晶的不断长大和推移，会把杂质 “赶”向熔池中心，使熔池中心的杂质含量比其他部位多的这种现象。焊缝的断面形状对区域偏析的分布影响最大，如厚壁焊管和其他结构件，采用窄间隙焊接，这样窄而深的焊缝，各柱状晶的交界在其焊缝的中心，焊缝中心就会聚集较多的杂质。

层状偏析是指熔池在一次结晶的过程中，要不断的放出结晶潜热，当结晶潜热达到一定数值时，熔池的结晶就会出现暂时的停顿现象，以后随着熔池的散热，结晶又重新开始，形成周期性的结晶，伴随着出现结晶前沿液体金属中杂质浓度的周期波动，产生周期性的偏析的现象。

在焊缝的边界处熔合区，会出现更为明显的成分不均匀，即焊缝的偏析，以熔合区最为严重。熔合区处于焊缝和母材的交界之处，在熔合区，固液界面附近的溶质浓度的分布与该元素在固液相中的扩散系数和分布系数有关。在焊接条件下，熔合区中元素的扩散转移是非常激烈的，特别是S、P、C、B、O和 N等。采用放射性同位素（S35）研究熔合区硫的分布如图3所示。由图3可见，硫在熔合区的分布是呈跳跃式的[6]。由于熔合区存在严重的化学成分不均匀性，与此同时，还存在着物理的不均匀性，因此，其组织和性能也是不均匀的[7]。

图3 采用放射性同位素（S35）研究的熔合区S的分布图

熔合区是母材与熔池的界面，熔点 （Tm）温度下由于S和P等杂质在固相中的平衡含量远低于液相，造成近界面部位母材中的 S和P向焊缝中转移，在界面前沿的液相中形成杂质元素富集层，随后快速凝固在熔合区，导致熔合区的偏析。

熔合区的化学成分不均匀程度还与焊接规范有关，大的焊接线能量会使不均匀程度加剧，因此，对于偏析严重的母材，焊接时采用比较小的焊接线能量能减少熔合区的偏析。

2.3 偏析的影响

（1）某种元素偏析严重时容易产生粗细晶粒极不均匀的条带组织，当超声声束横向穿过时，这种层状组织必然会对超声波的转播特性产生很大的影响[8]。

（2）偏析严重时会引起钢板横向塑性和韧性的明显下降，导致弯曲试验在熔合区出现裂纹，这是由于熔合区存在严重偏析，其组织均匀性较差，因而熔合区成为整个焊接接头的薄弱部位。弯曲时，拉伸面上有裂纹出现，所以这些严重偏析可能是导致弯曲断裂的主要原因[9]。

（3）严重偏析还导致耐酸气管线钢管氢致裂纹的出现。

3 偏析回波的识别

母材被反复加热 （焊接或气刨）、冷却后由于热胀冷缩作用，母材中心偏析和夹杂物与母材金属逐渐脱离，并在熔合线处构成了反射条件，从而使反射回波被探头接收产生信号指示。钢材中心偏析和夹杂来源于钢的冶炼和浇注过程。钢板轧制完成后，存在于中心的夹杂和成分偏析用超声斜射横波难以发现，焊接后，在板厚方向上形成一定的拉伸应力，由于母材夹杂和基体结合力小，在焊接应力作用下发生脱离，当进行超声检测时，就出现可以探测到的回波信号。较严重的组织偏析在某种受力情况下易引起层状撕裂缺陷或具有分层倾向[10]。

焊缝的热影响区及周边母材存在偏析，严重干扰焊缝的超声检测和缺陷回波的判断，甚至会产生误判。成分均匀性差，晶粒间和晶界两侧声速和声阻抗差异程度较大，对超声波传播的影响很大，所以超声横波检测时，在偏析区域会产生回波信号。根据超声检测出现的回波情况，识别金属元素偏析的超声回波信号，首先根据静态波型特征方面看，偏析的回波信号波幅低而稳定，波峰尖锐、陡峭，波幅根部狭窄；其次从动态波形特征方面分析，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，相似于板材夹层对焊缝边沿的影响，探头平行于焊缝移动时，反射波稳定，可以移动一定距离，后慢慢消失。此类波形很容易误判为坡口面的未熔合及裂纹缺陷波[4]。

识别偏析回波信号的步骤为：按采用的相关检测标准和检测工艺，查阅焊接坡口加工图，绘制反射回波的轮廓图，解释反射回波所在焊缝区域位置；综合运用其他无损检测方法和破坏性检测技术来判定回波信号（如文献[10]采用TOFD技术加磁粉检测、上文中采用理化性能试验等）。

4 结 论

（1）常规超声斜射横波结合理化试验可以检测出焊管较严重的中心偏析。

（2）焊管焊缝超声检测热影响区产生的回波信号可能由母材存在偏析以及焊缝熔合区的偏析引起，非焊接缺陷回波信号，与焊缝焊接本身质量无关。

（3）焊缝熔合区域的母材若存在较严重的偏析和夹杂物，就会对焊接产生一定的影响，甚至会进一步导致母材的层状撕裂，严重影响焊管的实物质量。因此需要尽量控制母材的偏析和夹杂物程度，焊接时尽量采用较低的焊接线能量。

[1]甘正红，方晓东，苏继权.钢焊缝超声检测新旧标准对比分析[J].焊管，2015，38（7）：51-57.

[2]林明焰.浅谈GB/T 29712—2013焊缝无损检测 超声检测验收等级的理解[J].科技研究，2014（24）：211-212.

[3]李衍.ME规范案例和焊缝超声检测新规定[J].无损检测， 2005（2）： 100-104.

[4]郑晖，林树青.超声检测[M].第2版.北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[5]王新华.钢铁冶金-炼钢学 [M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]张文钺.金属熔焊原理及工艺（上册）[M].北京：机械工业出版社，1980.

[7]陈平昌，朱元妹，李赞.材料成型原理[M].北京：机械工业出版社，2001.

[8]潘建华，谢宝琛.高温合金的声传播特性[J].航空工程与维修，1994（7）： 8-10.

[9]吴群，王岳.焊缝超声波串列扫查探伤方法中的几个问题[J].抚顺石油学院学报， 1998， 18（1）： 44-46.

[10]张军雷.无损检测对母材中心偏析综合检测结果浅析[J].技术与市场， 2013（10）：57-58.

Research on Segregation and Ultrasonic Testing of Welded Pipe

GAN Zhenghong1， XING Yanliang2， ZHOU Shuai3，SU Jiquan1
（1.Jiangsu Dechuang Manufacturing Pipe Co.,Ltd.,Xinghua 225700,Jiangsu,China；2.Tangshan Special Equipment Supervision and Inspection Institute,Tangshan 063000,Hebei,China；3.Hunan Shengli Xianggang Steel Pipe Co.,Ltd.,Xiangtan 411101,Hunan,China）

During ultrasonic testing process of welded pipe weld,the abnormal echo signal appear in the center of HAZ along the length direction of the weld,and the signal still exist after repair welding.Through the physical and chemical test for the sampling signal part,it found the reason caused abnormal echo signal.The results showed that the segregation existed in weld fusion line and HAZ base metal is the reason caused abnormal echo signal.It analyzed the forming reason and type of welded pipe segregation,investigated the ultrasonic testing identification for segregation echo signal,and indicated that ultrasonic testing combining with the physical and chemical experiments can judge the existence of the welded pipe serious segregation.

welded pipe;weld;segregation;ultrasonic testing

TE973.6

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.008

甘正红（1973—），男，总工程师，高级工程师，持有中国无损检测学会和国家质量监督检验检疫总局RT、UT、MT、PT高级证书，主要从事钢管质量、技术管理工作。

2015-10-30

修改稿收稿日期：2015-12-14

谢淑霞