馬朝輝，強會明，席少鵬，王振華，胡緒波，茍世峰，閆 龍，閆 哲

（寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

進入21世紀，我國天然氣需求量呈現(xiàn)大幅增長趨勢，但天然氣在我國一次能源中所占比重仍然較低，天然氣使用普及率還遠遠不夠，現(xiàn)有產(chǎn)量無法滿足國內(nèi)需求，迫切需要提高管道年輸氣能力、增大管道輸氣量來解決。所以，大直徑大壁厚高鋼級螺旋縫埋弧焊接鋼管被視為解決國內(nèi)天然氣輸送困境的最佳利器，并且此類鋼管的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，完全適應(yīng)國內(nèi)天然氣輸送要求，所以將會得到空前發(fā)展。一般將螺旋縫埋弧焊接鋼管管徑大于800 mm、壁厚大于18 mm稱之為大直徑厚壁鋼管，這種鋼管由于管徑及壁厚較大，在螺旋成型過程中難度也較大，焊接過程中焊縫裂紋缺陷出現(xiàn)的幾率也較高。而且此類鋼管常常被使用在油氣管網(wǎng)的主干線上，管道所承受的壓力很大，出于管道安全考慮，對于此類鋼管質(zhì)量要求也更加的嚴格，目前國內(nèi)制管企業(yè)普遍采用X射線和超聲波對鋼管焊縫內(nèi)在質(zhì)量進行檢驗。其中，超聲波探傷是一種利用超聲波透入金屬材料內(nèi)部，在遇到兩種介質(zhì)分界面時發(fā)生反射的特點來檢查材料中缺陷的一種無損檢測方法，可對焊縫裂紋缺陷的位置、大小進行判定，被油氣管道檢測行業(yè)廣泛認可，并大量應(yīng)用于焊接鋼管的生產(chǎn)檢驗之中。為了保證大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊管的焊縫質(zhì)量，需要有針對性地開展鋼管焊縫超聲波檢測方法研究［1-16］。本文分析了大直徑厚壁螺旋縫焊管制造中裂紋缺陷產(chǎn)生原因以及此類缺陷的形貌和位置，介紹了此類缺陷進行超聲波檢測時的回波特點和判別方法。

1 厚壁焊管焊縫超聲波檢測方法

目前，焊接鋼管按焊縫種類可分為高頻焊管、直縫埋弧焊管、螺旋縫埋弧焊管3種。這里介紹螺旋縫埋弧焊管。螺旋縫埋弧焊管焊縫呈螺旋線分布，焊縫長，尤其是處于動態(tài)條件下焊接時，焊縫還來不及冷卻就離開了成型點，極易產(chǎn)生焊接熱裂紋。裂紋的方向和焊縫平行，和鋼管軸線成一定夾角，一般在30°～70°。厚壁螺旋縫埋弧焊管通常為雙面焊接，內(nèi)外焊均采用雙絲焊接。同時由于焊接位置限制，鋼管內(nèi)焊縫容易產(chǎn)生馬鞍形焊縫，外焊縫容易產(chǎn)生魚脊形焊縫。

在厚壁螺旋縫埋弧焊管焊縫超聲波探傷方面，較為常用的是橫波反射法，其原理是超聲波傾斜入射到鋼管表面時，在鋼管的界面上產(chǎn)生折射和波型轉(zhuǎn)換，且折射波與入射波的方向關(guān)系符合斯奈爾定律，當入射角選擇在第一臨界角和第二臨界角之間，在鋼管中產(chǎn)生單一橫波，從而實現(xiàn)對鋼管焊縫缺陷的探測。厚壁螺旋縫焊管焊縫使用橫波斜探頭于焊縫兩側(cè)探傷，一般情況下，一次波探傷鋼管內(nèi)焊縫，二次波探傷鋼管外焊縫，探頭呈鋸齒形移動，探頭與焊縫中心線垂直，齒間距不得大于探頭晶片寬度，探頭移動寬度≥2KT+50 mm，其中T為工件厚度；探頭要求以這樣的掃查方式完全覆蓋整個焊縫截面及焊縫兩側(cè)25 mm熱影響區(qū)。采用A型超聲波橫波斜探頭對鋼管焊縫進行檢測時，入射波聲束軸線在檢測面處發(fā)生折射，焊縫中缺陷的位置可通過探頭的折射角和聲程確定，或由缺陷的水平和垂直方向的投影來確定。鋼管焊縫裂紋超聲波探傷如圖1所示。

圖1 鋼管焊縫裂紋超聲波探傷示意

由圖1可知，缺陷深度d為：

缺陷水平距離L為：

式中C——超聲波聲程，mm，可通過儀器獲得；

β——超聲波入射到鋼管中的折射角，（°），可通過探頭型號和鋼管材質(zhì)得知。

2 厚壁焊管焊縫裂紋缺陷及其超聲波檢測

一般將焊縫中原子結(jié)合遭到破壞，形成新的界面而產(chǎn)生的縫隙稱為裂紋。根據(jù)產(chǎn)生的原因和形成過程，焊縫裂紋有很多種類。螺旋縫埋弧焊管是以熱軋鋼帶卷制管坯，經(jīng)過機械冷成型，用內(nèi)外雙面埋弧焊法焊接而成的鋼管。目前，隨著管線鋼材料及制管工藝的發(fā)展和改進，對于厚壁螺旋縫埋弧焊管來說，冷裂紋已經(jīng)很少出現(xiàn)，但熱裂紋卻作為一種危害極大的缺陷一直存在。由于成型、焊接過程中形變不充分，熱量分布不均勻，常常使鋼管焊縫產(chǎn)生應(yīng)力撕裂裂紋和結(jié)晶裂紋。作為油氣主干管道，一旦發(fā)生事故，將造成巨大生命財產(chǎn)損失和生態(tài)環(huán)境破壞。為確保油氣管道安全運行，在螺旋縫埋弧焊管的焊縫中絕對不允許存在裂紋等危害性缺陷。

2.1 結(jié)晶裂紋超聲波探傷分析

螺旋縫焊管在生產(chǎn)過程中成型、焊接工藝相互連續(xù)，且內(nèi)焊點位置位于成型合縫處，焊接的穩(wěn)定區(qū)域很短，熔融金屬凝固結(jié)晶過程中，受焊縫結(jié)晶過程中拉應(yīng)力作用，容易產(chǎn)生內(nèi)焊熱裂現(xiàn)象。特別當壁厚較大時，由于焊接電流較大，熔池存在時間長。同時，成型過程中遞送邊位置容易發(fā)生較大變化，內(nèi)焊縫更容易產(chǎn)生裂紋，裂紋一般位于焊縫中心位置，垂直于焊縫表面，其宏觀形貌及金相組織如圖2～3所示。此類裂紋屬于嚴重性焊縫缺陷，超聲波探傷比較容易檢出和判定。

圖2 焊縫橫截面結(jié)晶裂紋宏觀形貌示意

對于此類裂紋缺陷，超聲波探傷從焊縫兩側(cè)入射檢測有較好的對稱性，裂紋一次波聲程值和水平距離與未焊透情況相似。當探頭垂直于焊縫前后移動時，反射信號比較強烈，當靈敏度降低時，仍能保持很高的波幅，有時出現(xiàn)多峰現(xiàn)象；探頭平行焊縫移動時，波幅沒有焊縫中未焊透反射回波那樣穩(wěn)定，具有典型裂紋波幅特征，通常較容易識別。

圖3 結(jié)晶裂紋金相組織

2.2 應(yīng)力撕裂裂紋超聲波探傷分析

在螺旋縫埋弧焊管焊接過程中，由于對接原料板形的變化或者成型參數(shù)的不合理，會產(chǎn)生較大的錯邊，使得在連續(xù)焊接焊縫結(jié)晶過程中產(chǎn)生很大拉應(yīng)力，進而造成焊縫被撕裂。通常這種應(yīng)力撕裂裂紋較小，僅有1～2 mm，肉眼很難發(fā)現(xiàn)，且大多穿晶而過，多產(chǎn)生于焊縫根部。在超聲波探傷中，由于這種裂紋的方向與探測面不垂直，所以超聲波探傷比較難判斷缺陷性質(zhì)。但是使用X光射線拍片檢測，因其幾乎沒有厚度差，也無法檢測出來。因此，這種焊縫微裂紋（輕微撕裂）很容易在檢驗過程中被漏檢，嚴重影響鋼管在后續(xù)使用過程中的質(zhì)量。焊縫應(yīng)力撕裂裂紋宏觀形貌及金相組織如圖4～5所示。

圖4 焊縫應(yīng)力撕裂裂紋宏觀形貌

圖5 焊縫應(yīng)力撕裂裂紋金相組織

此類裂紋一般都與探測面有一定角度，由于裂紋角度原因，會造成在焊縫兩側(cè)探傷回波聲程和波幅不同。當角度較大時兩側(cè)探傷探頭水平距離基本對稱，能得到大致相同的反射波幅；但當角度較小時，焊縫兩側(cè)探頭的水平距離不同，在裂紋兩側(cè)進行超聲波探傷由于回波的路徑不同出現(xiàn)不同的波幅，當在靠近裂紋一側(cè)時，一次波波幅較高，一次波缺陷波為單一波峰，當在遠離裂紋一側(cè)探傷時，二次波才能發(fā)現(xiàn)裂紋，此時二次波為多個波峰，波幅寬而低。由于這種撕裂裂紋缺陷自身高度小，探頭平行焊縫移動時為斷續(xù)點狀反射波幅，探頭轉(zhuǎn)角移動時有一定距離，焊縫余高波有明顯下降，裂紋反射波幅高低起伏，波峰上下錯動。應(yīng)力撕裂裂紋探傷波形如圖6所示。

圖6 應(yīng)力撕裂裂紋探傷波形示意

單從回波幅度判斷，很容易將這種缺陷誤判為斷續(xù)氣孔或夾渣，但只要掌握好檢測方法并仔細觀察回波特點是可以將其與斷續(xù)氣孔或夾渣區(qū)別開的。斷續(xù)氣孔或夾渣的回波信號在焊縫兩側(cè)的水平距離基本對稱，探頭轉(zhuǎn)角探傷測時波幅變化不大，一、二次波均可發(fā)現(xiàn)；而應(yīng)力撕裂裂紋兩側(cè)信號的水平距離不對稱，一側(cè)一次波發(fā)現(xiàn)，而在另一側(cè)二次波可發(fā)現(xiàn)，缺陷轉(zhuǎn)角探傷時波幅變化大。超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的這種類型裂紋，經(jīng)多次與圖5所示金相組織對比，結(jié)果一致。

3 結(jié) 語

通過對大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊鋼管制造過程中裂紋產(chǎn)生原因、裂紋位置和取向特點的介紹，以及不同類型裂紋缺陷超聲波檢測回波特征的分析，最終得出以下結(jié)論：

（1）大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊鋼管實際生產(chǎn)過程中焊縫易于產(chǎn)生沿晶界方向平行的結(jié)晶裂紋缺陷和穿晶而過的撕裂裂紋缺陷。對于不同類型的裂紋缺陷，超聲波探傷應(yīng)采用不同的檢測和判斷方法。

（2）大直徑厚壁螺旋縫埋弧焊鋼管焊縫中的應(yīng)力撕裂裂紋與表面角度小，超聲波探傷時需采用在焊縫兩側(cè)一、二次波對比探傷檢驗，綜合兩側(cè)缺陷探傷反射波幅才能準確對缺陷進行定位定量分析，因此對人員經(jīng)驗要求較高。