不等厚對接焊縫超聲波探傷方法的研究

不等厚對接焊縫超聲波探傷方法的研究

在鍋爐、壓力容器和鋼結構中，通常需要使用超聲波法檢測不同厚度的焊接焊接。尤其是在一些高溫、高壓且壁厚比較大的化工壓力容器中,鍛件封頭與筒體之間的不等厚焊接更為常見,且此類設備大多危險性較大,對超聲波探傷的要求較高。焊接不等厚對接焊縫時,通常將厚板側機械加工成斜面(斜面端部與薄板等厚)后進行焊接。由于斜面的存在,當超聲波入射到斜面上時引起反射角變小,缺陷波提前,一次聲程的位置也隨入射到斜面的位置不同而變化,影響對反射波位置的確定及對缺陷或偽缺陷的判定,同時影響缺陷的返修。筆者對斜面上超聲波反射的規(guī)律進行了分析,對不等厚對接焊縫的超聲波探傷進行了初步探討。1反射波幅達到最斜面傾斜度在特種設備相關法規(guī)和標準上都有相應的規(guī)定,如GB150—1998《鋼制壓力容器》中要求斜面傾斜度≤1∶3,即圖1中tgθ≤1/3,θ≤18.4°。而在特種設備定期檢驗中,許多情況下厚壁部分從內(nèi)側削薄,因內(nèi)筒無法進入和缺乏相應的技術資料,需從筒體外側對焊縫進行超聲波檢測。筆者通過理論分析,研究了測定內(nèi)側削薄傾斜面的傾斜角的方法。圖1中探頭A為發(fā)射探頭,探頭B為接收探頭,將探傷儀調為一發(fā)一收狀態(tài),測定A探頭的K值和前沿長度。先將探頭A置于設備外表面,調整探頭位置,使一次波發(fā)射到內(nèi)側筒體傾斜面上,反射點為D,固定探頭A,移動接收探頭B,待顯示屏上接收到的反射波幅達到最大,固定探頭B的位置。因一次反射波在斜面反射,發(fā)射探頭的發(fā)射角度與接收探頭的接收角度不同,實際接收點與理論接收點有偏差,為消除該偏差對測試結果的影響,將探頭A前移到A1位置,入射點之間的距離為AA1,此時探頭B在B1位置接收到反射波,反射點為D1,接收點之間的距離為BB1。過入射點D1作一平行于筒體外表面的輔助線,與探頭A的入射波及反射波分別交于E和F點,在△DEF中,EF之間的距離為:EF=AA1-BB1=AA1-CC1(1)EF=AA1?BB1=AA1?CC1(1)這樣,可以在不用測探頭B接收點的情況下測出EF之間的距離。發(fā)射探頭在A及A1點,接收探頭分別在B及B1點時顯示屏上的聲程差S=FD+DE,根據(jù)余弦定理得:∠DEF=90°-β(2)FD2=EF2+DE2-2?EF?DEcos(90°-β)(3)求得∶FD=EF2+S2-2EF?S2(S-EFsinβ)(4)∠DEF=90°?β(2)FD2=EF2+DE2?2?EF?DEcos(90°?β)(3)求得∶FD=EF2+S2?2EF?S2(S?EFsinβ)(4)在三角形FDE中,已知EF,FD和∠FDE,利用正弦定理得:FDsin(90°-β)=EFsin∠FDE(5)∠FDE=arcsin2EF?cosβ?(S-EF?sinβ)EF2+S2-2EF?S(6)FDsin(90°?β)=EFsin∠FDE(5)∠FDE=arcsin2EF?cosβ?(S?EF?sinβ)EF2+S2?2EF?S(6)由于在傾斜面上反射,導致入射角減小為(β-θ),得:∠FDE==2(β-θ)(7)∠FDE==2(β?θ)(7)由此得斜面傾斜角為:θ=β-12∠FDEθ=β-12arcsinEF?cosβFD=β-12arcsin2EF?cosβ?(S-EF?sinβ)EF2+S2-2EF?S(8)θ=β?12∠FDEθ=β?12arcsinEF?cosβFD=β?12arcsin2EF?cosβ?(S?EF?sinβ)EF2+S2?2EF?S(8)2實驗數(shù)據(jù)分析2.1加工成傾角試驗為驗證理論分析結果,分別用厚度30mm和50mm的碳鋼板制作兩組試塊進行試驗,每組四塊試樣,加工成傾角分別為10°,12°,14°和16°。按照上述方法進行試驗,在每塊試樣上測定兩個點,不同試塊上兩測試點距傾斜面起始點的距離相同,試驗結果見表1。2.2影響最大反射波定位的因素表1可見,隨著試塊厚度的增加,測試誤差逐漸減小;同一組試塊,隨著試塊傾斜面角度的增加,測試誤差逐漸減小。其原因主要是隨著試塊厚度和傾斜面角度的增加,減小了近場區(qū)內(nèi)反射對最高反射波定位的影響及人為因素的影響。測試過程中影響準確性的因素主要有①發(fā)射探頭K值和前沿的測試精度。②接收探頭接收到的最大反射回波確定的準確性。③聲程大小的影響。為提高測量精度,測量發(fā)射探頭的K值和前沿時,應盡可能在靠近傾斜面起始位置進行測定,以減小近場區(qū)對反射波位置定位的影響。人員操作的精細程度是影響測試誤差大小的重要因素,該環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差對計算結果的影響最大,但該影響隨著聲程的增大而逐漸減小。對高壓容器,壁厚遠大于上述試塊的厚度,人員操作的影響可進一步減小。3檢測k值的選擇3.1a+ka+t由于傾斜角使得探頭K值變小,為使探頭能夠掃查到整個焊縫截面,對于等厚鋼板的對接焊縫,K值需滿足如下要求:Κ≥a+b+l0Τ(9)K≥a+b+l0T(9)式中a——上焊縫寬度的一半;b——下焊縫寬度的一半;l0——探頭前沿;T——工件薄邊側厚度。由于傾斜角的存在,K值變小,為保證掃查范圍,應適當增大K值,即:tg(β-θ)≥a+b+l0Τ得β≥arctga+b+l0Τ+θ(10)tg(β?θ)≥a+b+l0T得β≥arctga+b+l0T+θ(10)3.2顯示上雜波太多的缺陷由于超聲波在傾斜面上的入射角變小,選擇K值時應盡量避免入射角小于橫波的第三臨界角,以免造成顯示屏上雜波太多,影響對缺陷的判定。以鋼中橫波探傷為例,橫波在鋼中的第三臨界角為33.2°,如果所選探頭的折射角為β,應保證(β-θ)≥33.2°,即K≥tg(33.2°+θ),以避免傾斜面反射波中產(chǎn)生變型縱波。4缺陷反射回波的一次聲程參考圖1,相似三角形△FDE和△BDA存在如下比例關系:EFAB=FDBD=EDAD=FD+EDBD+AD=FD+EDSm(11)EFAB=FDBD=EDAD=FD+EDBD+AD=FD+EDSm(11)式中Sm為發(fā)射探頭在A位置,接收探頭在B位置時超聲波探傷儀上的聲程讀數(shù),且FD,ED及EF都可以通過計算得出,因此可由式(11)計算AB的距離。測量探頭A的入射點至探頭B的前沿的距離,AB與該距離之差即為探頭B接收點至探頭前沿的長度,從而可找到探頭B的入射點。固定A點,利用正弦定理求出A點至傾斜面的直射波聲程為:ADsin[90°-(β-2θ)]=ABsin2(β-θ)S1=AD=cos(β-2θ)sin2(β-θ)?AB(12)ADsin[90°?(β?2θ)]=ABsin2(β?θ)S1=AD=cos(β?2θ)sin2(β?θ)?AB(12)式中S1為發(fā)射探頭發(fā)射到傾斜面的直射波聲程,標記A點的位置。圖1可見,離開A點的任意探頭位置到傾斜面的一次聲程與A點到傾斜面的一次聲程之差為ED,隨著探頭距離焊縫越來越近,該聲程差逐漸增大,根據(jù)正弦定理得:EDsinθ=AA1sin(90°+β-θ)(13)EDsinθ=AA1sin(90°+β?θ)(13)任意離開A點探頭入射到傾斜面上的一次聲程為:S0=S1-ED=S1-AA1sin(90°+β-θ)?sinθ(14)S0=S1?ED=S1?AA1sin(90°+β?θ)?sinθ(14)設探傷過程中發(fā)現(xiàn)圖2中B處有一缺陷反射回波,可得:FC=Τ′-S0cosβ(15)BF=S2sin∠FDB=S2?sin[90°-(β-2θ)]=S2cos(β-2θ)=(S-S0)cos(β-2θ)(16)式中S為儀器顯示屏上缺陷反射波的聲程讀數(shù)。缺陷深度h為:h=Τ′-FC-BF=S0[cos(β-2θ)+cosβ]-S