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超声检测波形转换之“山形波”实战分析

一日晌午,我坐在工具房的试验台前,正专心地调校超声探伤仪器。此时,一位兄弟单位穿着连体服的小伙子,连体服许多部位沾上了红色的着色剂和黑黑的油渍,似乎从汽机房刚干完事回来。一手提着超声波探伤仪,另一手提着装有耦合剂的桶子,背上还背着工具包,风尘仆仆走到我跟前,向我说道:“哥们,向你请教个问题”,“请教不敢当,有什么事呢?”我回答道。

“刚才在做管道对接环焊缝的超声检测,管道厚度为60mm,扫查的时候发现在一次反射区域内存在深度为54mm的反射波,我觉得这应该是根部反射波,不是缺陷。”他继续说道:“但是在二次反射区域内也存在反射波,测量反射波深度大约在80mm,你说这是不是缺陷呢?”

超声检测山形波

超声检测山形波

我问他:“你有没有用直探头测量母材和热影响区的厚度?是不是母材厚度比热影响区和焊缝的厚度都大?”。

他说:“是的,母材厚度60mm,热影响区厚度大约52mm”

得到确切的回答后,心中有了初步的结论,然后继续回答他道:“80mm处的二次反射波很有可能不是缺陷,应该波形转换波。如果你用K1和K2的探头分别去扫查,会发现K1探头比K2探头扫查的回波更高,我暂且称它为“山形波”,因为他长得像“山”字,也像一座山。这种山形波在不等厚对接、错边、厚壁管道对接焊缝的超声检测中经常出现。”

正好跟前的试验台上有一块不等厚对接模拟试块,如下图,用尺子量了薄的一侧厚度为20mm,厚的一侧为25mm。

超声检测不等厚试块

超声检测不等厚试块

为了让小伙子明白我的推论,并验证它是正确的。换上一个K1的探头,校准了声速、零偏和K值,节省时间未制作DAC曲线。在不等厚模拟试表面块滴上几滴机油,用食指在试块上轻轻的抹了抹,瞬间形成一道薄薄的油层。按了仪器的“波峰记忆”键后,前后推动着探头,找到最高波,此时固定探头不动,超声波探伤仪屏幕显示如下。

超声检测山形波

超声检测山形波

移动闸门框住最高波,此时深度读数为32.8mm。不等厚试块薄侧20mm,厚侧25mm,假设该反射波是缺陷波,那么缺陷应处于深度为17.2mm(25×2-32.8=17.2),但是实际模拟试块不存在缺陷。

这么高的反射波会是什么波呢?

既不是一次反射波,也不是表面的二次反射波,更不是缺陷波,而是探头某个扩散角的声束打到斜面上,入射横波发生波形转换,转换成反射纵波,纵波垂直反射到工件表面,然后按原路返回,这就是波形转换的原理,如下图,3是入射横波,2是波形转换后的纵波,1是反射横波。

最后再用K2的探头扫查了该斜面,发现也存在波形转换,但是波幅很低,几乎可以忽略不计。

说起这件事,让我回想起刚参加工作的时候,也遇到了和小伙子相似的问题。此时情不自禁的感叹时间由如白驹过隙,眨眼间的功夫,人将步入中年。

先停止感慨,将时钟的指针拨回到几年前,广东某电厂600MW超超临界锅炉定期检验,对分隔屏出口集箱封头对接环焊缝(类似管道对接环焊缝)进行超声检测。集箱规格为Ф356×60mm,材质SA-335P91,下图为封头示意图。

集箱超声检测示意图

集箱超声检测示意图

超声检测发现一次反射中,除了根部反射波外,无异常波。而在二次反射区域内却发现异常波,深度为80mm,并且整圈断续的存在。情况和小伙子描述的非常相似。那个时参加工作没多长时间,缺乏现场经验,是不是缺陷拿捏不准。

为了验证是不是缺陷波,用直探头去扫查该“缺陷”位置,焊缝部位未发现任何反射波,哪怕将增益调到最大也无任何收获。再换个K2的探头试试,反射波同样存在,但波幅很低。当时和一位年长的同事分在一组做事,他说:“别纠结了,或许是波形转换吧,没什么问题,收拾仪器回去吧”。

这句话让我豁然开朗,突然有了柳暗花明又一村的感觉。时间仓促,将现场测量的数据记录下来,回到住的地方,打开电脑利用CAD绘图和三角函数计算,验证该“缺陷波”为波形转换波。果真如此,该“缺陷波”的确是横波波形转换后的纵波。

产生波形转换的关键因素——综合形坡口形式和一定角度的声束,根据《DL/T8692-2012 火电厂焊接技术规程》的要求,当壁厚大于60mm的汽水管道应开综合形坡口。火电厂也存在许多壁厚小于60mm的管道或集箱均采用了综合形坡口。

什么是综合形坡口?为什么要开综合形坡口?

综合形焊缝坡口

综合形焊缝坡口

百度搜索相关内容,除了DL/T8692-2012和ASME 16.25有简单介绍,其它未发现任何关于综合形坡口的介绍。所以我也不知道开综合形坡口的优势。

什么是综合形坡口,按照我的理解,综合形坡口包括V形坡口和U形坡口。但这不是重点,重点是为什么在内壁要开一道槽?这道槽也就是所谓的内壁台阶,很遗憾,没能找到相关资料。

综合形焊缝坡口

综合形焊缝坡口

我推测开槽的目的,是为了保证焊缝全焊透,此处等待大咖解答。

在检测内壁存在槽口、不等厚对接或错边的焊缝,即可看作为内壁台阶,当超声波入射到这个台阶,会发生波形转换,即横波转换成纵波。这样波形转换常见于厚壁管道、错边、不等厚对接超声检测,并且采用K1的探头比K2的探头更为明显。


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