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超声波探伤论文超声波探伤毕业论文
摘要
本毕业设计的课题是板材焊缝超声波探伤测试。
主要任务是在掌握过程设备制造流程和焊接缺陷及其产生原因的基础上，研究超声波探伤技术在钢制压力容器对接焊接接头探伤检测中的应用，并给出焊缝返修的具体方案。
本文详述了国外超声检测技术的发展和现状，并在简述过程设备制造、焊接及无损探伤的基础上详细介绍了超声波探伤技术及其在焊缝无损探伤中的应用及评定等级和注意事项。
针对给定的板材焊缝，通过实验检测该焊缝的缺陷，本文详细介绍了试块选用，设备调试，现场探伤中的常见问题及解决方法。
同时给出了现场探伤、缺陷定位和长度测量的具体方法，并通过GB11345-89标准对试验中检测到的缺陷进行了等级评定并得出了检测工艺卡。
关键词：
焊缝；超声波探伤。
Abstract
Thetaskofthegraduationdesignistheplateweldultrasonictesting.Themaintaskistomastertheprocessequipmentmanufacturingandweldingdefectsanditscauses,studyofultrasonicflawdetectiontechnologyinsteelpressurevesselbuttweldedjointflawdetection,andgivestheconcreteplanoftheweldrepairing.Thispaperdescribesthedomesticandforeigndevelopmentandpresentsituationofultrasonicdetectiontechnology,andintheprocessequipmentmanufacturing,weldingandnondestructivetestingbasedondetailedintroducestheultrasonicdetectiontechnologyanditsapplicationinweldNDEandratingandmattersneedingattention.Foragivenplatewelding,thewelddefectsdetectionbyexperiment,thispaperintroducesthetestblockselection,equipmentcommissioning,on-siteinspectionofthecommonproblemsandsolutions.Atthesametimeprovideson-sitetesting,defectlocationandlengthmeasurementmethods,andthroughtheGB11345-89standardtotestthedetecteddefectswereratingandthedetectionprocesscard.
Keywords:
Weld;ultrasonictesting
1.1选题的背景及意义
过程设备是各个工业部门不可缺少的重要生产设备，用于供热、供电和储存各种工业原料及产品，完成工业生产过程必需的各种物理过程和化学反应。
因此它成为石油、化工、电站、核能和军工等工业部门的重要生产装备。
其制造工艺以焊接为主，质量要求比较高。
焊缝质量直接决定着压力容器的使用安全和使用寿命，因此在制造和使用过程中的焊缝检测显得尤为重要。
因此，迫切需要寻找一种高效、经济、简便可行的无损检测技术及缺陷评定方法。
无损检测技术主要包括射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、声发射等方法其中超声波探伤和射线探伤是检测压力容器焊缝部缺陷的主要手段。
超声波探伤以其探伤距离大、探伤装置体积小、重量轻、便于携带、检测速度快、检测费用低等优势，在过程设备制造和在役检测工作中得到越来越多的应用。
由于历史的原因，在用过程设备的检验、检测及缺陷评定仍存在很大的问题。
具体表现在：
①在役过程设备（其中包括国外进口设备）由于设计、制造与安装等所采用的标准不统一，其检验、检测要求难以统一，制造质量难以保证，给设备的维护和在用管理带来很大难度。
②过去对过程设备的验收管理不严，导致了现今在役设备焊缝中存着大量超标缺陷。
焊接缺陷的类型主要包括未焊透、未熔合、裂纹、气孔及夹渣等。
③国外关于缺陷评定的标准不统一。
这些缺陷如不进行定期检查及有效的安全评定而盲目使用势必会造成重大恶性事故，给企业带来重大的经济损失。
因此，怎样实现对焊缝部缺陷的精确定位、定量和定性分析及缺陷评定，是需迫切解决的课题。
在焊缝缺陷检测中，超声检测是目前公认的最有效的常规无损检测方法之一，与其它常规检测相比具有明显的优势。
焊缝超声检测一方面以其较为经济、操作轻便灵活而在质量控制和在役设备安全性能检查中得到广泛的应用，而在另一方面由于焊缝超声检测的不直观性，以及检测人员、检测对象、仪器探头等诸多因素，可能产生漏检或误判。
因此，针对超声检测技术显示不直观，探伤技术难度大以及探伤结果不便保存等技术难点，深入学习和掌握超声检测技术，在搞清原理、掌握使用的同时发挥创新精神探索超声检测过程中的出现的问题并加以解决。
针对焊缝部缺陷的超声波检测及安全评定过程中所涉及的关键性问题进行系统的分析，并依据缺陷检测所得到的结果进行缺陷评定具有重要意义。
基于以上原因，本文重点研究过程设备制造工艺、焊接缺陷的成因及焊缝部缺陷的超声波检测方法，并选用GB11345-89标准进行缺陷评定和质量分级，从而对焊接缺陷进行有效的安全评定。
1.2超声检测技术的发展历程和现状
无损探伤技术是检测压力容器焊缝部缺陷的主要手段。
无损探伤是指利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态的所有技术手段的总称。
工业生产中常用的无损检测方法有射线检验（RT）、超声检测（UT）、磁粉检测（MT）和液体渗透检测（PT）四种。
其中射线探伤和超声波探伤是检测压力容器焊缝部缺陷的主要手段。
1.2.1国际超声检测技术的发展历程和现状
无损检测技术历经一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。
超声无损检测技术（UT）作为四大常规检测技术之一，由于其与其它常规无损检测技术相比，它具有被测对象围广，检测深度大；缺陷定位准确，检测灵敏度高；成本低，使用方便，速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点，因而世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。
目前，国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从NDI和NDT向NDE过渡。
无损探伤（NDI）、无损检测（NDT）和无损评价（NDE）是无损检测发展的三个阶段。
超声波无损探伤是初级阶段，它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下，发现其人眼不可见的部缺陷，以满足工业设计中的强度求。
超声无损检测是近20年来应用最广泛的术语，它不仅要检测最终产品，而且还要对生产过程的有关参数进行监测。
超声无损评价是超声检测发展的最高界，不但要探测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测及其评价。
本文建立在NDI的基础上，在过程装备制造与维护过程中，对焊缝进行有效检测，并进行缺陷分析和计算，从而对过程装备进行有效的安全评估。
1.2.2我国超声无损检测发展现状
近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。
超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。
超声无损检测的相关理论和方法及应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多突破性进展。
比如，用户友好界面操作系统软件；各种扫描成象技术；多坐标、多通道的自动超声检查系统；超声机器人检测系统等。
无损检测的标准化和规化，检测仪器的数字化、智能化、图象化、小型化和系列化工作也都取得了较大发展。
我国已经制订了一系列国标、部标及行业标准，而且引进了ISO，ATSM等一百多个国外标准。
无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。
但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间仍存在很大差距。
具体表现在以下几个方面：
1）检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术向自动化、智能化、图象化的进展。
由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，而年轻的检测人员缺乏切实的实践经验，这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。
2）专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备有待改进。
从而导致目前我国产品的质量普遍存在较大问题。
更严重的后果是产品的竞争能力差，焊缝的超声波检测技术研究影响产品进入国际市场。
3）对无损检测技术领域的信息技术应用重视不够。
我国对无损检测信息技术的建设工作还处在相当薄弱的阶段。
4）无损检测的标准和规多而杂。
我们相信，随着超声检测的广泛应用和对超声检测重视程度的不断提高，我国的超声检测将获得更加快速的发展和进步。
2.0过程设备制造及焊接缺陷
本章主要介绍过程设备制造过程、产生的常见的焊接缺陷，以及产生这些缺陷的原因。
2.1过程设备制造工艺流程
过程设备的生产工艺流程大致为下料、成型、焊接、无损检测、组对焊接、无损检测、热处理、压力试验几个阶段。
下面分别简要介绍个流程的注意事项。
2.1.1.选材及下料
过程设备的选材主要依据设计文件、合同约定及相关的国家标准及行业标准。
压力容器材料的种类有碳钢、低合金钢、不锈钢、特殊材料（复合材料、钢镍合金、超级双相不锈钢、哈氏合金）其中最常用材料为16MnR，20R等压力容器专用钢。
分举如下：
碳素钢：
20号钢、20R、Q235；
低合金钢：
16MnR、16MnDR、09MnNiDR、15CrMoR、16Mn；
高合金钢：
0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti；
尿素级材料：
X2CrNiMo18.143mol（尿素合成塔中使用，有较高耐腐蚀性）。
（一）下料工具与下料要求
气割多用于碳钢下料，等离子切割多用于合金钢、不锈钢下料剪扳机多用于＆≤8㎜ L≤2500㎜板材下料其切边为直边，锯管机多用于接管下料。
（二）椭圆度要求：
为了保证加工精度压容器要求椭圆度≤1%D；且≤25㎜，换热器要求DN≤1200㎜ 椭圆度≤0.5%DN且≤5㎜，DN﹥1200㎜时要求椭圆度≤0.5%DN且≤7㎜塔器椭圆度要求如表2—1所示。
对于多层包扎筒要求椭圆度≤0.5%D，且≤6㎜。
表2—1塔器椭圆度对照表
DN
（500，1000）
（1000，2000）
（2000，4000）
（4000，+∞）
椭圆度
±5㎜
±10㎜
±15㎜
±20㎜
（三）直线度要求：
一般容器当L≤30000 ㎜时直线度≤L/1000㎜， L﹥30000㎜时直线度按塔器要求取值。
对于塔器L≤15000 ㎜ 时直线度≤L/1000㎜， L﹥15000㎜ 直线度≤0.5L/1000 +8㎜。
换热器L≤6000㎜时 直线度≤L/1000且 ≤4.5㎜， L﹥6000㎜ 时直线度≤L/1000且≤8㎜。
2.1.2焊接
（一）焊前准备与焊接环境
为了保证过程设备焊接质量，焊条、焊剂及其他焊接材料的贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于60% 。
当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，禁止施焊：
a.手工焊时风速大于10m/s
b.气体保护焊时风速大于2m/s
c.相对湿度大于90%
d.雨、雪环境
（二）焊接工艺
a.容器施焊前的焊接工艺评定，按JB4708进行
b.A、B类焊接焊缝的余高不得超过GB150的有关规定
c.焊缝表面不得有裂纹、气孔、弧坑和飞溅物
（三）焊缝返修
焊逢的同一部位的返修次数不宜超过两次。
如超过两次，返修前均应经制造单位技术总负责人批准，返修次数、部位和返修情况应记入容器的质量证明书。
对于要求焊后热处理的容器，一般应在热处理前进行返修。
如在热处理后返修时，补焊后应做必要的热处理
2.1.3压力容器的热处理
（一）正火：
a. 目的：
细化晶粒，提高母材及常化处理焊缝的综合机械性能，消除冷作硬化，便于切削加工。
b. 方法：
把要正火的零件放入加热炉中加热到一定温度按每毫米1.5分～2.5分保温出炉空冷，风冷或雾冷。
c. 应用：
16MnR 高温保温时间过长，使奥氏体晶粒大（正火）35﹟锻件（正火）封头，筒体（正火）。
（二）调质处理：
a.目的：
提高零件的综合机械性能。
b. 方法：
淬火+高温回火（500℃以上）。
得到索氏体。
c. 应用：
封头，筒体，法兰，管板等。
20MnMo 20MnMoNb 13MnNiMoNb 900℃～950℃ 2分～3.5分/mm 水冷+空冷。
螺栓螺母：
①35CrMoA 25Cr2MoVA 35CrMoVA。
②30Mn 40Mn 35CrMoA。
硬度HB=187～229 用亚温淬火。
（三）固溶处理：
（针对奥氏体不锈钢）即在室温条件下保留奥氏体。
a.目的：
将零件加热使碳化物溶到奥氏体中，再以足够快的冷却速度将碳化物固定在奥氏体中。
具有最低的强度、最高塑性、最好的耐蚀性。
b.应用：
封头。
c.方法：
加热到1000℃～1150℃，以2分到4分/㎜保温后快冷，然后水冷，再进行空冷。
（四）焊后热处理：
一般热处理：
SR ISR。
目的：
A.改善焊接接头及热影响区的组织和性能。
B.消除焊接和冷作硬化的应力。
C.防止产生焊接裂纹。
方法：
A.优先采用炉整体消除应力方法（另一法：
把容器视为加热炉，在设备部加热外壳保温），99版压力容器规则：
（高压容器、中压反应器、储存容器、石油液化器储罐）不能用部加热法。
B.分段热处理：
一端在炉，采取适当保温措施以防有害的温度梯度（重复加热的长度≥1.5m） Φ3.6m加氢反应器，长26m。
C.对环缝进行局部消除应力处理→加热宽度：
焊缝中心线每侧2倍板厚。
c焊后热处理工艺:
A.炉温400℃以下装炉。
B.升温速率5000℃/T（有效厚度）/h 且≤200℃/h。
C.保温时间T≤50mm，25mm/h T＞50mm保温时间=（150+T）/100。
D.降温速率：
400℃以上，6500/T ℃/h 且≤260℃/h。
d.过程设备焊后热处理的注意事项:
A容器整体消应力处理须在整体制造完经检验合格后，水压试验之前进行。
B.严禁火焰直射工作产生过热或过烧。
C.产品试板（含母材试板）挂片试样等应与容器同炉PWHT
2.1.4压力试验和气密性试验
（1）压力试验
压力试验按试验介质不同分为液压试验及气压试验。
a.液压试验
液压实验一般采用水，需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体。
试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。
奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验后应将水渍清楚干净。
当无法达到这一要求时，应控制水的氯离子含量不超过25mg/L。
液压试验方法：
1）试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器的空气排尽。
试验过程中，应保持容器观察表面的干燥；
2）试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。
然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长时间对所有焊接接头和连接部位进行检查。
如有渗漏，修补后重新试验；
3）对于夹套容器，先进行筒液压试验，合格后再焊夹套，然后进行夹套的液压试验；
4） 液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将部吹干。
b.气压试验
气压试验应有安全措施。
该安全措施需经试验单位技术总负责人批准，并经本单位安全部门监督检查。
试验所用气体为干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体。
气压试验时压力应缓慢上升，至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5min，然后对所有焊接接头和连接部位进行初次泄漏检查，如有泄漏，修补后重新试验。
初次泄漏检查合格后，再继续缓慢升压至规定试验压力的50%，其后按每级为规定压力的10%的级差逐级增至规定试验压力。
保压10min后将压力降至规定试验压力的87%，并保持足够长的时间后再次进行泄漏检查。
如有泄漏，修补后再按上述规定重新试验。
（2）气密性试验
容器需经液压试验合格后方可进行气密性试验。
试验压力、试验介质和检验要求按照图样上的注明。
试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后保压10min，然后降至设计压力，对所有焊接接头和连接部位进行泄漏检查。
小型容器亦可浸入水中检查。
如有泄漏，修补后重新进行液压试验和气密性试验.最后产品各项技术指标合格打印钢号及挂铭牌，压力容器制造完成。
2.2常见焊接缺陷及产生原因
焊接缺陷包括外部和部缺陷。
2.2.1焊缝中常见的焊接缺陷
影响焊缝机械性能的焊接缺陷有裂纹、未焊透、未熔合、夹渣和气孔等。
此外，还有焊瘤、咬边等表面缺陷。
下面就这些缺陷加以叙述。
（1）裂纹
裂纹是一种具有尖锐端头且其开口位移长、长宽比极高的断裂型非连续性、锯齿形缺陷，它是焊缝中最危险的缺陷，其形成原因是由于焊接中熔融金属凝固时的收缩，以及母材在焊接工程中加热不均匀，使熔融金属与母材都处于力状态所致，所以在焊缝或热影响区容易产生裂纹。
焊接裂纹有许多种类，根据其产生场所来区分可分为焊缝金属裂纹和热影响区裂纹。
另外，根据发生温度可区分为高温裂纹和低温裂纹。
根据其大小可区分为宏观裂纹和微观裂纹。
焊缝金属裂纹除了用肉眼能看到的各种裂纹外，还有用显微镜勉强能看到的微小裂纹。
焊接金属裂纹分为凝固温度围或稍低于这一温度的高温裂纹和约在300℃以下发生的低温裂纹。
热影响区裂纹在非常靠近焊缝金属处发生，钢的场合，有约在500℃以上发生的高温裂纹和约在300℃以下发生的低温裂纹两种。
在低合金高强度钢中，响区常发生缝边裂纹和焊道下裂纹。
此外，还发生与焊道平行的纵向裂纹和与焊道垂直的横向裂纹。
一般，缝边裂纹在焊接后几分钟发生，焊道下裂纹在焊接后几小时发生，横向裂纹则经过时间后发生。
低温裂纹是由于焊缝的形状和约束状态以及氢气对焊缝金属和热影响区硬化现象的影响而产生的。
由于氢的原因，在焊接后经长时间发生的裂纹称延迟裂纹。
为了检出裂纹，必接经24小时以上时间后进行无损探伤。
（2）未焊透
在焊缝的坡口处或根部，由于电弧未将母材熔化或未填满熔化金属所引起的缺陷，称为未焊透。
不完全焊透时坡口的根部或铲根不充分时坡口的底部残留着未熔合部分，成为未焊透。
坡口角度过小或根部间隙过于狭窄时容易产生未焊透。
多数情况是连续产生一定长度的未焊透。
特别是在背面不可能进行焊接的管材缝容易产生。
也有沿焊接线全长产生未焊透的极端情况。
（3）未熔合
所谓未熔合系指母材与焊缝金属（焊条熔化进入坡口的金属）没熔合及在焊接中前层焊缝金属和后续焊缝金属未熔合。
坡口角度过小，母材或前层焊缝金属熔合不充分时，和焊接时焊缝的表面附着的熔渣和氧化物清除不彻底时产生熔合不良。
后者多在熔合不良缺陷中含有熔渣，多数情况下不能清楚地和夹渣区别。
（4）夹渣
夹渣是焊接时熔池里熔渣未浮出而残留在焊缝中的缺陷。
熔渣的一部分常残存在焊接金属部，另一种情况是，当附着在下层焊接金属表面上的熔渣清除不彻底时，在上层焊接中不熔化而残存着。
一般来说前者较小且分布均匀，反之，后者在多数情况下较大且形状不规则。
夹渣的发生位置常沿着结合部位发生。
焊缝中的夹渣主要是氧化物、硫化物等夹杂物。
（5）气孔
气孔是在焊接金属中存在的球状孔洞。
这是在金属冷却时，包含在熔化金属中的气体析出，没有完全浮到表面就凝固而留在金属中引起的。
形成气孔的气体多数情况下是氢和二氧化碳气体，另外，还有焊条干燥不充分和电弧保护不好等原因。
细小气孔数量多的情况称为多孔性，长而连续的情况称为虫形气孔。
在使用低氢焊条时焊道的起点和二氧化碳气体焊缝，容易产生密集气孔。
在初层焊接中常产生直线状气孔。
2.2.2焊缝缺陷产生的可能因素
综合2.1.1所述，常见的焊接缺陷大致与下述因素有关。
见表2-1。
表2-2焊接缺陷产生的可能因素
因素
裂纹
未焊透
夹渣
气孔
焊瘤
咬边
材料照管不当
√
√
材料选用
√
×
√
焊机保养
×
√
√
√
×
√
电源与接地
√
√
×
×
夹具与转胎
×
√
√
√
工具与焊工管理
×
√
√
√
×
√
焊条选用
√
√
√
√
×
√
焊条保管
×
×
√
√
×
√
焊接设计
√
√
√
√
√
×
坡口尺寸及类型
√
√
√
√
√
×
装配精度
√
√
√
√
√
焊接位置
×
√
√
焊接顺序
√
×
√
焊接条件
√
√
√
√
√
√
焊接操作标准
√
×
×
×
√
×
注：
√---关系密切；×---关系不大。
3.超声探伤技术
3.1无损探伤
3.1.1无损探伤种类及特点
无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态前提下，对被检验部件的表面和部质量进行检查一种测试手段。
常用的无损探伤方法有射线探伤、超声探伤、磁粉探伤、渗透探伤和涡流探伤。
下面分别介绍。
（1）射线探伤
射线探伤（RT）是利用电磁波穿透工件，完好部位与缺陷部位透过剂量有差异，其程度与这两部分的材质、射线强度和透过方向与缺陷尺寸有关，从而形成缺陷影像。
射线探伤的主要特点如下：
1）图片上有完好部位与缺陷部位的黑度差形成的缺陷平面投影影象，一般无法测量缺陷的深度；
2）基本不受焊缝厚度限制；
3）要求焊缝双面靠近，检验成本高，时间长；
4）对操作人员有射线损伤
射线探伤有利于检验出夹渣、气孔等体积形缺陷。
对平行于射线方向的开口性缺陷有检出能力。
（2）超声探伤
超声探伤是利用弹性波在缺陷部位形成反射或衍射的方法提取缺陷信号，其信号强度与波的类型、探伤频率，缺陷的尺寸、取向及其表面状态以及完好部位和缺陷部位的材质有关。
超声探伤的主要特点如下：
1）显示器屏幕上缺陷波的幅度与位置代表缺陷的尺寸与深度，一般较难测量缺陷真实尺寸，只有采用衍射波法可测缺陷高度；
2）厚度小于8mm时，要求特殊检验方法；
3）焊缝只须单面靠近，检验时间短，成本低；
4）对操作人员无损害。
超声探伤有利于检出裂纹类面积形缺陷。
（3）磁粉探伤
磁粉探伤是将焊缝磁化利用缺陷部位的漏磁通可吸附磁粉的现象得以形成缺陷痕迹以达到探伤效果的检测手段。
磁粉探伤限于检验铁磁材料，要完全接近与工件表面，缺陷性质容易辨认，油漆与电镀面基本不影响检验灵敏度，但应做层膜厚度对灵敏度影响的试验。
磁粉检测可以用来检表面与近表面缺陷。
（4）渗透探伤
渗透探伤的原理是利用毛细作用将带有颜色的渗透液喷涂在焊缝表面上，使其渗入缺陷，清洗后施加显象剂显示缺陷彩色痕迹。
渗透检测适用于各种金属工件，不要电源，缺陷性质
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