单面焊对接环焊缝中由错边引起的根部超声回波特征

闫留青

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海洋石油平台在建造过程中会使用大量杆弦拉筋和隔水套管等杆件，此种结构中所涉及的环焊缝往往要求使用规范API RP 2X进行100%的超声检测，以确定焊缝中有无缺陷。拉筋和隔水套管预制焊缝超声检测长度在整个平台结构的占比较大，约占平台超声检测长度的1/5。由于拉筋和隔水套管的管径较小(大部分管径不大于914 mm)，杆件长度比较长(一般大于10 m)。这种类型的环焊缝焊接只能采用单面焊接的形式，先用气体保护焊或手工电弧焊进行根部打底，然后采用埋弧焊接的方法进行填充和盖面。

由于规范API SPEC 2B所允许的径向偏差(最大9.5 mm)和不圆度(最大12.7 mm)较大的特点,因此由错边引起的根部超声反射回波十分复杂。笔者详细分析了由错边引起的根部超声反射回波的几种常见类型。

1 错边引起的根部超声反射回波的几种常见类型

错边主要由管径不圆或焊缝两侧母材壁厚不相等引起，对于厚壁管，规范允许的不圆度的值比较大，进而会影响焊接管道的质量。在这种情况下, 管道焊接接头错边的现象就有可能发生。

由于环焊缝错边的严重程度是沿圆周变化的，因此错边引起的根部轮廓也是变化的。当横波声束入射到根部焊缝下表面时，有时会产生变型波，当变型波被仪器接收到时，有可能被误判为缺陷。笔者总结了几种常见的错边情形，并对其超声反射回波进行了分析。

1.1 正常错边

正常错边检测方法如图1所示，在检测过程中, 错边内表面低的一侧根部反射波幅比较高, 另一侧反射波幅有明显的不同或没有反射波，水平距离x1和x2的定位点相互交叉, 反射波在显示屏出现位置偏向焊缝中心线对侧。另外，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。包络波形范围较宽, 波形比较单一。

图1 正常错边检测方法

1.2 错边轮廓变型波

变型波的产生原理如图2所示，当横波声束入射到根部焊缝下表面，且根部焊缝下表面的形状使as小于钢的第三临界角33.2°时[1]，焊缝中既会出现反射横波S′, 又会出现变型反射纵波L′。

图2 变型波的产生原理示意

在错边根部余高部位产生变型的纵波，大多数情况下并不能被仪器接收，只有当变型后的纵波能够原路返回根部余高部位，再经过一次波型转换后，变型的横波沿原路径返回，才能被仪器接收。变型纵波显示如图3所示。

图3 变型纵波显示

1.3 直角顿边单边未熔合

直角顿边单边未熔合检测方法如图4所示,对于有直角端角的情形，应该避免用60°探头去评判。用45°的探头最好，灵敏度比较高。但有时焊缝盖面比较宽，影响了45°探头的使用，这时可以用70°探头替代。

图4 直角顿边单边未熔合检测方法示意

直角顿边单边未熔合的检测方法为：焊缝一侧的波形单一, 反射波幅大, 探头平移时, 波形较稳定, 反射波动态包络面大且比较规范，转动或摆动探头时, 波形消失较快,深度定位等于母材厚度，具有端角反射的特征；在焊缝另一侧有反射波显示, 其水平x2定位位置过中心线偏对侧，深度定位略小于母材厚度,在根部一次波出现的位置偏左一些。

1.4 非直角顿边单边未熔合

当根部顿边不是按直角加工时，根部顿边未熔合产生的反射面就不会有端角反射，但顿边坡口面不和探头声束垂直，造成定位偏差。

图5 非直角顿边单边未熔合引起的定位误判示意

非直角顿边单边未熔合引起的定位误判如图5所示，顿边与母材内表面的夹角θ=77°，用标称角度为70°的探头进行根部扫查，此时既没有端角反射，也没有主声束为70°的反射波，这时70°探头产生的上扩散某角度声束反而与顿边坡口面垂直，显示波幅较高。当此时的缺陷定位仍用70°计算时，就会造成定位偏差，把原本根部的不连续给错误定位在焊缝非根部区域，从而造成不连续的定位误判。

2 错边焊缝的超声检测注意事项

通过上述分析，对于错边焊缝的超声检测应该做好以下几点。

(1) 在焊接前，应了解焊缝组对情况，在错边严重区域做好相关记录(如：错边大小，根部间隙，根部顿边角度等参数)，为后续的波形分析提供参考依据。

(2) 对超声检测过程中的错边轮廓变型波进行分析，可以较好地了解焊缝的根部成型情况(比如根部轮廓的走向，根部余高的大小等)， 有助于根部缺陷的辨别。

(3) 对于直角顿边坡口焊缝的根部检测，可以用45°或70°角度探头扫查焊缝根部，通过观察有无端角反射波进行缺陷的辨别。

(4) 对于非直角顿边坡口焊缝的根部检验，可能不会有端角反射现象，但要注意顿边坡口面和探头声束的不垂直造成的定位偏差。

3 结语

海洋石油平台单面焊卷管焊缝的根部超声波回波类型十分复杂，对错边引起的根部超声反射回波进行分析，有助于根部缺陷的辨别，对于保障海洋石油平台钢结构的焊接质量具有重要意义。