超声检测前的准备.docx
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超声检测前的准备
超声检测前的准备
21.1检测面
对于焊接接头来说，产生缺欠的部位，应包括焊缝本身和焊缝两侧的热影响区。
热影响区是指在焊接过程中，由于焊接温度的变化，焊缝两侧的基本金属组织的力学性能变坏的区域，在焊接热应力的作用下，有可能产生缺欠。
图015检测区和检测面
热影响区的范围与焊接接头的焊接方法和焊接参数有关，即与单位长度焊缝内加入的热量有关。
本标准检测区域的含义与JB4730标准规定相同，检测区域的宽度应是焊缝本身，再加上焊缝两侧各相当于母材厚度30%的一段区域，这一段区域最小为5㎜，最大为10㎜。
为发现检测区内的缺欠，斜探头在焊缝两侧移动的范围称为检测面，如图015所示。
21.1.1探头移动区应清除飞溅、锈蚀、油污及其他外部杂质，检测表面应修磨平整光滑，其表面粗糙度不应超过6.3μm。
焊缝及检测面经外观检查合格方可进行检测。
21.1.2探头移动区的确定应符合下列要求：
a）采用一次反射法检测时，探头移动区应不小于1.25P：
P=2KT………………………………………………………………
（2）
式中P—探头移动区，mm；
T—板厚，mm；
K—折射角正切值。
b）采用直射法检测时，探头移动区应不小于0.75P。
探头移动区的表面处理的基本要求是：
（1）探头在移动区内应能自由移动，从而对对接接头的受检截面作充分扫查；
（2）探头在移动过程中，不易受到工件表面的磨损，有利于保护探头；
（3）探头与工件之间有良好的接触，以保证缺欠的检出。
所以，在探头移动区内应清除飞溅、锈蚀及其它附着物，表面无凹坑，且使表面平整、光滑。
其表面粗糙度不超过6.3μm，与机制表面相当。
焊缝的成形质量，经监理确认合格，检测人员认可，方可进行检测。
21.2耦合剂
21.2.1耦合剂应具有良好的透声性和适宜的流动性，不应对人体和材料有损伤，同时便于检验后清理。
典型的耦合剂为浆糊、洗涤剂、机油和甘油。
21.2.2在试块上调节仪器和在检测对接接头时，应采用相同的耦合剂。
所谓耦合剂是施加在探头与工件之间的两者实施软接触的液体传声介质。
耦合剂的作用是填充探头与工件之间的间隙，排除间隙中的空气，使声波易于从探头至工件间的空间内通过，且损失的能量较少。
耦合剂的另一个作用是检测时便于探头移动，减少探头磨损。
耦合剂一般应具有良好的透声性和适宜的流动性，对人体和材料无危害，且易于清洗。
所谓耦合剂的透声性能是提高声阻抗与工件的声阻抗应尽可能接近，以获得较大的声压透过率。
钢对横波的声阻抗约为2.48×106克/厘米·秒。
几种常用的耦合剂的声阻抗如下表09所示：
表09常用耦合剂的声阻抗
耦合剂种类
机油
水（20℃）
甘油（100%）
水玻璃（38%容积）
声阻抗（×106kg/m2·s）
1.28
1.50
2.38
2.17
从表中可以看出：
甘油的耦合剂性能较好，其缺点是成本高，对钢略有腐蚀性。
机油的耦合性能较差，但其粘度，流动性和附着力均较为适当，且对钢材没有腐蚀性，由于不易清洗，返修易产生气孔，故焊缝检测很少采用。
化学浆糊也可用来作耦合剂，但涂抹工件表面后易干燥。
洗洁精耦合性能优于水，浓度可调，易清洗。
化学浆糊和洗洁精是检测常用的耦合剂。
不同耦合剂的耦合性能不同。
如果在调节仪器的试块上和实际检测的工件上采用不同的耦合剂，必然影响检测灵敏度。
所以在试块和受检工件上应采用相同的耦合剂。
21.3探头的选择
21.3.1母材厚度为14㎜～50㎜范围内的探头参数选择。
a）探头角度选择的原则是直射波扫查焊缝中下部，反射波扫查焊缝中上部。
斜探头角度的选择见表24。
检测根部缺欠时，不宜使用折射角为60°的探头。
b）探头频率一般采用2.5MHZ。
c）探头易采用方晶片，晶片的有效面积不大于96㎜2。
探头前沿不大于10㎜。
表24探头折射角或K值选择表
管壁厚度（mm）
探头折射角（°）
探头K值
>14～50
63.5～45
2.0～1.0
21.3.2母材厚度为5㎜～14㎜范围内的探头参数选择。
a）探头角度选择的原则是直射波主声束至少应扫查到焊缝厚度的3/4，见图7。
探头角度的选择见表25。
注：
h≤3t/4
图7扫查示意图
b）探头频率一般采用5MHZ。
c）探头晶片尺寸。
推荐探头晶片尺寸选用6㎜×6㎜、8㎜×8㎜、7㎜×9㎜、9㎜×9㎜等。
d）探头前沿。
管壁厚度小于或等于6㎜时探头前沿应小于或等于6㎜，壁厚度大于6㎜时可适当增大。
e）始脉冲占宽。
使用的探头与探伤仪应有良好的匹配性能，在扫查灵敏度的条件下，探头的始脉冲宽度应尽可能小，一般小于或等于2.5㎜（相当于钢中深度）。
表25探头折射角或K值的选择
管壁厚度（mm）
探头折射角（°）
探头K值
5～8
71.5～68.2
3～2.5
>8～14
68.2～63.5
2.5～2.0
f）斜探头分辨力。
斜探头的分辨力应大于等于20dB。
g）外径为57㎜～140㎜的对接环缝采用小径管探头。
小径管探头的接触面必须与管子外表面紧密接触，其边缘与管子外表面的间隙不大于0.5mm。
可以通过在管子表面上铺上细砂纸沿轴向轻轻研磨制得，研磨后的探头入射点和K值应重新测定。
斜探头的选择就是指斜探头参数频率、折射角（k值）、前沿距离和晶片规格的选择。
它是依据石油天然气钢质管道环缝的特点来确定。
从油气管道工程的建设情况看，一般管径都在Φ700mm以下，壁厚通常在6㎜～10mm范围内，所采用的焊接方法多数为全位置单面焊。
虽然近年来随着我国经济的快速发展，石油天然气需求量增大，石油天然气管道向大口径、大壁厚方向发展，相应采用的焊接方法为双面自动焊和半自动焊，如西气东输管道工程和陕京二线管道工程（Φ1016×14.6㎜～26.2mm），其大部分管道环焊缝的超声波检测也相应的采用SY/T0327-2003《石油天然气钢质管道对接环缝全自动超声波检测》。
但以小口径、小壁厚的管道对接环焊缝及部分采用手工单面焊大壁厚、大直径的管道对接环焊缝的超声波检测仍采用手动超声波检测，也就是说，本标准在管道对接焊缝超声波检测中仍占有相当的份额。
油气管道环缝根部缺欠主要有根部错边未焊透、根部未焊透、根部未熔合、烧穿、内凹和内咬边。
实践证明根部的缺欠相对较多。
对于小口径、薄壁管环焊缝根部这些缺欠的超声波检测和评定是本标准关注的焦点。
通过上边的分析，采用本标准检测大口径、大壁厚的油气管道对接焊缝少，多数为小口径、小壁厚的单面焊对接焊缝，缺欠多居根部。
选择斜探头参数的依据就是既要扫查整个检测区截面，又要对准主要缺欠。
（1）管壁厚度>14㎜～50㎜斜探头参数的选择
这种壁厚范围的管道直径一般都在Φ700㎜以上，除单面焊根部缺欠居多外，与压力容器焊缝的超声检测没有什么区别，焊缝及热影响区材料的晶粒度较细，故本标准选择的“探头频率一般是用2.5MHz”，K值为2.0～1.0，晶片的有效面积不大于96㎜2。
做到“直射波法扫查焊缝的中下部，一次反射法扫查焊缝中上部”即可。
（2）管壁厚度为5㎜～14㎜范围斜探头参数的选择
总结我国几十年石油天然气钢质管道环焊缝超声波检测的经验，参照DL/T820《管道焊接接头超声波检测技术规范》和原标准来确定参数。
①探头角度选择的原则
壁厚为5㎜～14㎜，特别是5㎜～10㎜范围的管道焊缝超声波检测难题是如何在众多干扰波存在的情况下，把缺欠波区分出来。
为此标准规定，“直射波法主声束至少应扫查到焊缝壁厚的3/4”，这就是说缺欠居多的焊缝中部和根部应用一次波扫查，实在有困难时，至少要扫查到主声束与焊缝截面中心线焦点到检测面距离为3/4壁厚处。
之所以这样选择探头角度是因为探头在一次声程范围内扫查，所产生的变型波和几何形状干扰波均处于荧光屏一次声程范围之外，凡出现在一次声程范围内的信号均为缺欠，这易于根部缺欠的辨认、定位和定性。
②探头前沿距离和K值的选择
要保证一次声程扫查焊缝中下部，特别是壁厚在5㎜～10㎜范围，必须选择短前沿、大K值的探头。
本标准规定“管壁厚度小于或等于6㎜时探头前沿应小于或等于6㎜，管壁厚度大于6㎜时可适当增大”，其K值应符合表25的规定。
这主要说的是短前沿的探头，在制造技术上已经成熟，但斜探头的楔块已由有机玻璃改为PSF聚脂等材料制成，其纵波声速比有机玻璃小，为2250㎜/s。
对于K2～K3的探头，与有机玻璃楔块探头相比较，探头入射角度约为10°，由于入射角减小半扩散角由此而增大，K值较大时易产生表面波。
短前沿斜探头与常规斜探头的半扩散角的计算值见表010和表011。
表010不同晶片尺寸及K值的薄壁小径管专用探头的扩散角
探头型号
K值
β
α
β2
β1
θ上
θ下
5P6×6
K3
71.5°
41.3°
≥90°
57.7°
18.5°
13.8°
5P8×8
K3
71.5°
41.3°
≥90°
60.7°
18.5°
10.3°
5P10×10
K3
71.5°
41.3°
≥90°
62.6°
18.5°
8.9°
5P6×6
K2.5
68.2°
40.1°
≥90°
55.5°
21.8°
12.7°
5P8×8
K2.5
≥90°
58.3°
21.8°
9.9°
5P10×10
K2.5
68.2°
40.1°
80.9°
60.1°
12.7°
8.1°
5P6×6
K2.0
63.4°
38.5°
83.4°
52°
20.0°
11.4°
5p8×8
75.8°
54.6°
12.4°
8.8°
5p10×10
K2
63.4°
38.5°
72.7°
56.3°
9.3°
7.2°
表011不同晶片尺寸及K值的常规横波斜探头的扩散角
探头型号
K值
β
α
β2
β1
θ上
θ下
5P8×12
K3
71.5°
53.28°
≥90°
62.4°
18.5°
9.1°
5P9×9
K3
71.5°
53.28°
86.7°
63.3°
15.2°
8.2°
5P8×12
K2.5
68.2°
51.7°
80.4°
60°
12.2°
8.4°
5P9×9
K2.5
68.2°
51.7°
76.6°
60.7°
10.4°
7.5°
5P8×12
K2
63.4°
49.1°
72.9°
55.8°
9.4°
7.7°
5P9×9
K2
63.4°
49.1°
70.6°
57.2°
7.2°
6.2°
③探头频率的选择
本标准规定“探头频率一般采用5MHz”，这是因为频率高，波长短，不仅发现小缺欠的能力强，而且指向性好，声能集中，脉冲宽度窄，有利于缺欠分辨和定位。
④晶片尺寸的选择
本标准规定“推荐探头晶片尺寸选用6㎜×6㎜、8㎜×8㎜、7㎜×9㎜、9㎜×9㎜等”，这是因为壁厚较小的管道，其口径也比较小。
选用较小的方晶片探头，有利于与管件表面接触，减少探头边缘产生的散射，从而在保证检测灵敏度的条件下，使荧光屏上脉冲宽度减小，有利于薄壁管道焊缝的检测。
晶片尺寸减少，可能会导致声束指向性变坏，但频率的提高可起到弥补作用。
图016为横波斜探头的入射角α，折射角β、与半扩散角θ的示意图。
图016横波斜探头的声束在介质中的半扩散角
当管径较小时，为使探头与SGB试块和受检管子表面更好地接触，可对探头进行适当修磨。
具体可采用在受检管子表面上铺上细砂纸，然后推压探头使其沿管子的轴线方向前后移动的方法进行修磨。
对外径57㎜～140㎜的管子对接环焊缝检测时，探头的参数选择与上述
（2）相同，但应采用“小径管探头”。
当使用小径管探头时，接触面必须与管子外表面紧密接触，其边缘与管子外表面的间隙不大于0.5mm，见图21。
由于该探头内的楔块是具有良好耐磨性的PSF材料制成的，所以探头的接触面的曲率，最好向有关的专业探头生产厂订购。
修磨后的探头入射点和K值在SGB试块上重新测定。
探头修磨的方法，在加工探头表面时，须注意以下几点：
a探头上的声束发射区域必须与管子贴合（见图017）；
b探头与管子表面接触部位的边缘间隙X不大于0.5㎜（见图017）；
图017探头接触面边缘与管子外表面的间隙示意图（X≤0.5㎜）
c修磨时不能过度的磨损探头的接触面；
d对于修磨量大的探头建议粘上一层底板（3㎜厚，与探头楔块相同材质的板材），用树脂粘合剂粘结，然后修磨板材使之与管子弧度相符；
e粘结应仔细，使底板粘结于探头上，粘合层中不得留有气泡。
在粘加底板并修磨至与管子弧面相符后，探头应满足以下要求：
a探头的中心轴线与声束的轴线相吻合；
b声束角度应在规定的公差内；
c探头的灵敏度由于粘加底板和修磨而受到的影响不大于2dB；
d当扫查灵敏度一定时，在起始的始脉冲信号之后，由底板产生的虚假回波不应大于满屏刻度的10%。
例1检测Φ660×7.1㎜的管道焊缝，焊缝宽度为12㎜，要使直射波能扫查到焊缝的中下部，选择前沿L0=7㎜和K=3的斜探头是否可行？
解：
经简单计算后画图，见图018所示。
图018
从图中可以看出：
选用K=3，L0=7㎜的探头一次声程可检4.3㎜以下的区域，是可行的。
例2检测Φ1016×14㎜的管道焊缝，焊缝宽度为18㎜，如何选择探头的前沿距离L0和K值？
解：
从计算和绘图（见图019）可知L0=7㎜时，可选用K值为2.0～2.5的探头。
图019
K=2.0可检测深度为8㎜以下焊缝部位。
K=2.5可检测深度为6.4㎜以下的焊缝部位。
例3检测Φ108×5㎜管道焊缝宽度为10㎜，如何确定探头晶片尺寸、L0和K值？
解：
经计算绘图（见图020）可以看出，应选择K=3，L0=6㎜，晶片尺寸为6×6㎜小径管专用探头。
图020
21.4距离-波幅曲线的制作
21.4.1扫描线调节
扫描线调节应在SGB试块上进行，扫描比例依据工件厚度和选用探头角度来确定，具体的调整方法见附录B。
21.4.2距离-波幅曲线的绘制要求如下：
a）距离-波幅曲线应按所选用的仪器和探头在标准规定的试块上实测数据绘制而成，其绘制方法见附录C。
曲线由判废线RL、定量线SL和评定线EL组成，各线灵敏度见表26。
评定线至定量线以下为Ι区，定量线至判废线以下为Ⅱ区，判废线及以上为Ⅲ区，见图8。
表26距离-波幅曲线的灵敏度
管壁厚度（㎜）
评定线（EL）
定量线（SL）
判废线（RL）
5～50
Ф2㎜–14dB
Ф2㎜–8dB
Ф2㎜–2dB
图8距离—波幅曲线
（1）距离—波幅曲线灵敏度与原标准相同。
（2）距离—波幅曲线可在仪器示波屏的面板上直接绘制。
其方法为：
在示波屏的辅助面板上直接将基准孔反射波的最高波波峰连接成一条圆滑曲线。
曲线的制作步骤在本标准的附录C中作了详细的叙述。
对于非数字化仪器，可在荧光屏上画一条Φ2㎜长横孔的距离—波幅曲线，仅改变衰减器的读数即可，如将此曲线提高-14dB即为评定线，提高-8dB即为定量线，提高-2dB即为判废线；简单可行。
距离—波幅曲线的直接绘制的制作方法是目前世界上先进工业国家的通用方法。
如美国的ASME规范，日本的JIS标准，英国的BS标准，德国的DLN标准均采用这种方法。
因为在示波屏前直接绘制距离—波幅曲线具有检测速度快、曲线使用方便等突出优点。
b）表面声能损失差应记入距离-波幅曲线，表面声能损失差的测定见附录E。
在对油气管道焊缝作超声检测时，从声束传输方面看，有下列三方面的因素影响检测灵敏度：
（1）声束通过探头与工件表面的耦合层的声能耦合损失。
耦合损失与工件的表面粗糙度和曲率大小有关，也与耦合层的耦合剂种类、厚度有关。
（2）声束在工件内传输过程中产生的声能损失。
该声能损失与超声束的扩散角大小和声束在工件内的材质衰减大小有关。
（3）声束经工件底面反射而产生的声能损失。
这个声能损失与反射底面的粗糙度和反射处的曲率有关。
上述这些声能传输损失，其中大部分已通过对试块材质、曲率的选择，耦合剂的使用，以及距离—波幅曲线的实测给予补偿。
只剩下由于工件表面粗糙度等所造成的探头与工件表面声能耦合损失问题。
因此，在本条款中，仅对因表面粗糙度而引起的表面声能损失差的测定和补偿作了规定，见附录E。
这主要证明的是下表面反射声能损失差经实测仅在1dB以内，可以忽略不计。
（4）由于表面声能损失差的存在，因此使试块上制作的距离—波幅曲线，在应用到实际检测工件时其灵敏度会有所降低，故将声能损失差计入距离—波幅曲线。
如评定灵敏度，试块上测试时衰减器读数为15dB，表面声能损失差测为6dB，则计入后衰减器读数为9dB。
c）在整个检测范围内，曲线应处于荧光屏满幅度的20%以上，如果做不到，可采用分段绘制的方法。
当距离—波幅曲线处于荧光屏满刻度的20%以下时，由于波幅比较低，观察不清，容易漏检。
为了防止漏检，必须提高检测灵敏度，因而本条款要求在整个检测范围内，曲线应处于荧光屏满刻度的20%以上，如果做不到，距离—波幅曲线可采用分段绘制的方法，一般在一次声程与二次声程之间分段。
由于本标准规定的距离—波幅曲线图中的判废线与定量线、定量线与评定线之间的灵敏度差均为6dB，所以，不同检测范围内的定量线和评定线，判废线和定量线之间是可以相互转换的。
当评定线的最大声程处波高已低于荧光屏满刻度的20%，则对大于一次声程检测范围的区段，检测灵敏应提高6dB绘制（提高几dB应根据情况而定，一般提高10dB，而本标准提高6dB是根据三条线之间的dB差，均为6dB确定的，如图021所示，这样做应用起来方便）。
不同检测范围，采用不同的灵敏度。
图021分段制作的距离—波幅曲线
d）为发现和比较根部未焊透深度，应在SRB试块上测定人工矩形槽的反射波幅度，并标在荧光屏上，测定方法应符合附录D的要求。
附录D
（规范性附录）
对比试块的使用及根部缺欠（未焊透）检测灵敏度
D.1按附录C制作的DAC曲线辅助面板上，保持灵敏度不变。
D.2在SRB试块上探测矩形槽，并找出最高反射波，将其峰值点标记在辅助面板上，该峰值点波高即为未焊透缺欠的界限灵敏度，即未焊透波幅低于此波峰值点按指示长度评定，大于或等于此波峰值点应评为Ⅳ级，如图D.1所示。
图D.1根部未焊透灵敏度标记示例
在本条中，明确提出了采用SRB对比试块上的人工矩形槽作为基准，比较焊缝根部的未焊透深度。
其理论依据在第20.3条的解释中已作叙述：
人工矩形槽的形状与未焊透比较接近。
由于SRB对比试块的工作面曲率和表面粗糙度与相应的被检的油气管道的检测面曲率和表面粗糙度相同，所以，以试块上的人工矩形槽为基准，可以大致判定焊缝内的未焊透深度。
根据标准编制小组做的人工矩形槽的回波高度试验证明，SRB试块上的人工矩形槽的回波高至少能达到标准中表26所规定的定量线的高度，并处于距离—波幅曲线图上的Ⅱ区或Ⅲ区。
因此，对焊缝中的根部未焊透缺欠采用人工槽比较法定量与采用距离—波幅曲线定量基本上是一致的。
由于被检管道的壁厚不同，允许的未焊透深度不同，SRB试块上的人工矩形槽的槽深也不同，人工槽的回波在距离—波幅曲线图上所处的区域也就会有所变化。
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