油气管道环焊缝相控阵超声检测几何波分析

陶学刚

徐州东方工程检测有限责任公司，中国·江苏 徐州 221000

1 引言

油气管道焊缝通常采用V 型坡口单面焊双面成型焊接工艺，焊缝上表面余高和根部余高在特定成型部位会产生根部余高反射波、变形纵波、上表面反射波和盖帽反射波。油气管道环焊缝检测时通常是PAUT+TOFD 技术相结合使用，一方面用PAUT 弥补TOFD 上下表面检测盲区，另一方面用TOFD 辅助PAUT 对缺欠进行定性，对几何波分析的过程中可结合PAUT 的扇扫通道和A 扫波形及TOFD 通道综合分析，避免将几何波当成缺陷波评判。下面具体分析四种几何波的产生机理和特征。

2 根部余高反射波

①正常焊接的单面焊双面成型的焊缝，焊缝根部会形成规则的余高，当根部余高曲率较小时，反射波幅低，对评判影响较小。根部余高曲率较大时（见图1），反射波幅较高。如果根部余高曲率一直较大[1]，PAUT 做周向连续扫查时该反射波将在屏幕中将一直出现，会影响缺欠的识别。

图1 根部曲率大时余高反射波显示

②根部余高几何反射波特征：

第一，通常情况下根部焊瘤反射波深度大于T（公称壁厚值）。

第二，反射波的水平位置，一般大于步进偏移距离，从两个PA 探头侧都能满足这一条。

第三，移动扇扫通道角度指针时，根部余高反射波的波幅不同。

第四，如果能将焊缝根部余高打磨与母材平齐，余高反射波消失。

3 变形纵波

①在两种不同阻抗的介质1 和介质2 中，当横波入射角小于第三临界角时，在反射波中既有横波又有纵波，而横波变为纵波的过程称之为波形转换，这时的反射纵波称为变形纵波。

②当超声波声束入射至焊缝根部余高时（图2a）α 点），此时存在钢/空气两种介质，此时会发生波形转变，横波变为纵波L。当横波入射角度合适时，纵波会垂直入射至焊缝上表面b 点，此时L 波反射波幅较高（图2-b）L 点）。通常情况下，该入射横波为根部某个角度的扩散声束，能量相对较小，因此波幅一般小于的根部曲率大时余高反射波幅。

图2 变形纵波示意图

③变形纵波的特征如下：

第一，变形纵波声程传输较远，因此常出现在根部余高反射波后面。

第二，当整条焊缝的根部余高形状近似相同时，变形纵波在PAUT 扫查图上的水平值和深度值近似固定（如图2b）所示），L 波始终在S1和S2波中间出现。

4 上表面反射波

①PAUT 声束入射至根部余高时，既有波形转换的纵波[2]，也存在反射横波，即横波经过根部余高特定点反射后，反射横波垂直入射上表面余高，形成上表面反射波（如图2a）d 点）。

②上表面反射波（横波）特征：

第一，上表面反射波与变形纵波的特征非常相似，但是反射横波的声速小于变形纵波的声速，因此上表面反射波位于根部余高波和变形纵波之后，如图2所示即为上表面反射波。

第二，S2波幅的大小与根部余高曲率半径大小有关，当根部余高曲率越小，该波反射较强，而根部余高曲率越大反射波和变形纵波较低或消失。该反射波会在PAUT 二次波范围中显示。

5 盖帽反射波

①盖帽反射波在PAUT 扫查图中并不难识别，如图3所示，当声束打到焊缝盖帽c 点时，从扇扫图中可见反射波深度读数略大于2 倍壁厚，水平位置距离焊缝中心偏探头对侧。

图3 焊缝盖帽反射波示意图

②如果能正确识别盖帽反射波，对PAUT 扫查图评定时可借助盖帽反射波确定扫查定位是否准确。

6 结语

PAUT+TOFD 检测可靠性和数据可记录性已远远超过UT，特别是随着智慧、数字化油气管道建设的需要，PAUT+TOFD 检测将会在今后得到更多的应用[3]。正确识别PAUT 扫查图中的几何反射波，对评图具有十分重要的意义；还可通过与其他方法比对，不断丰富PAUT 评定经验，提高评图正确率，保证油气管道安全运行。