超声波检测技术在焊管质量控制中的应用Word文档格式.doc

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2.焊管制造工艺流程和焊接缺陷及缺陷产生原因 5

2.1螺旋焊管制造工艺流程 5

2.2常见焊接缺陷分类及产生原因 8

2.2.1焊管焊缝熔合不良类缺陷及原因 8

3.焊管常用的无损探伤种类及特点和检测方法 12

3.1焊管焊缝常用的检测方法 12

3.2超声波无损检测的优点 14

4.焊管超声探伤技术 15

4.1.超声波的原理及分类 15

4.1.1超声波探伤的原理 15

4.1.2超声波探伤方法及分类 16

4.2螺旋焊管板材电磁超声检测方法 17

4.2.1基本原理 18

4.2.2探头布置及数量的确定 18

4.2.3检测工艺 20

4.3自动超声波在线检测焊管焊缝 24

4.3.1探头的电磁机械跟踪 24

4.3.2探伤系统组成 25

4.3.3焊缝跟踪系统机械结构 27

4.3.4焊缝跟踪系统电气系统结构 28

4.3.5自动检测过程 29

5超声波TOFD新技术在焊管检测中的应用 30

5.1超声波TOFD焊缝检测技术简介 30

5.1.1超声波TOFD焊缝检测的基本原理 30

5.1.2超声波TOFD焊缝检测技术的特点 31

5.1.3超声波TOFD焊缝检测技术与其它检测技术的对比 32

5.2超声波TOFD焊缝检测技术的应用 34

5.3超声波TOFD焊缝检测的缺陷分析 37

5.3.1缺陷定性 37

5.3.2缺陷定位定量 38

5.3.3缺陷定位定量数式 39

5.3.4试验图片对比分析 40

6.结论 44

致谢 45

参考文献 46

1绪论

1.1选题的背景及意义

随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设备和装备的运行、产品质量的保证、提高生产率、降低成本等领域发挥着越来越大的作用，无损检测也已经发展成为一门独立的综合性学科，而超声波探伤技术在无损检测领域内占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应用。

焊管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焊管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内部缺陷的主要手段。

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，在焊管的检验、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过去对焊管的验收管理不严，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国内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，怎样实现对焊缝内部缺陷的精确定位、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。

针对焊缝内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。

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内部缺陷的主要手段。

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内部缺陷的主要手段。

1.3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，它具有被测对象范围广，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内部缺陷，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。

1.4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范化，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范多而杂。

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.焊管制造和焊接缺陷及缺陷产生原因

本章主要介绍焊管制造过程、产生的常见的焊接缺陷，以及产生这些缺陷的原因。

2.1螺旋焊管制造工艺流程

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。

（1）螺旋焊管生产工艺流程图

（2）螺旋缝埋弧焊钢管工艺流程图

入库

合同/订单

平头、倒棱

水压试验

超声波探伤

成品检验

涂层标志

补焊、修磨超声波探伤

内焊缝

外观检查

外焊缝

在线超声波检验

钢板对焊

圆盘剪铣边

铣边

自动内焊

焊缝

X射线探伤

递送、矫平

原材料检验

采购购购

工艺技术准备

成型型

自动外焊

定尺、飞剪

1）原材料即带钢卷，焊丝，焊剂。

在投入前都要经过严格的理化检验。

把合格的钢带吊装在开卷机上，对钢带进行开卷、矫平。

2）钢带经矫平后运行到对焊工艺,带钢头尾对接，采用单丝或双丝埋弧焊接，在卷成钢管后采用自动埋弧焊补焊。

3）钢带对焊完毕后，采用电接点压力表控制输送机两边压下油缸的压力，确保了带钢的平稳输送,成型前，带钢经过矫平、剪边（圆盘剪工序，剪切对钢带剪切毛边）、铣边（钢带剪边后运行到铣边工序，对钢带板边进行进一步处理，去掉毛刺、超过8mm以上钢板铣去坡口等），表面清理、输送和予弯边处理（钢带铣边处理后，为（不知）在成型过程中焊缝形成“噘嘴”现象对钢带边缘进行预弯处理）。

4）钢带进行成型器，采用外控或内控辊式成型，进行调型。

5）钢管成型后，对钢带实施内焊缝焊接。

钢管内焊完毕后，焊缝旋转半周到过钢管上方时，外焊工对焊缝实施外焊缝焊接。

利用焊缝间隙控制装置来保证焊缝间隙满足焊接要求，管径错边量和焊缝间隙都得到严格的控制。

内焊和外焊均采用单丝或双丝埋弧焊接，从而得稳定的焊接。

6）焊完的焊缝均经过在线连续超声波自动伤仪检查，保证100％的螺旋焊缝的无损检测覆盖率。

若有缺陷，自动报警并喷涂标记，生产工人依此随时调整工艺参数，及时消除缺陷。

7）钢管外焊完毕后继续向前运转，当钢管顶端到达客户要求的定尺长度时，通过光电感应器传送到等离子切割机，对钢管定尺切割。

8）切成单根钢管后，每批钢管头三根要进行严格的首检制度，检查焊缝的力学性能，化学成份，溶合状况，钢管表面质量以及经过无损探伤检验，确保制管工艺合格后，才能正式投入生产。

9）焊缝上有连续声波探伤标记的部位，经过手动超声波和X射线复查，如确有缺陷，经过修补后，再次经过无损检验，直到确认缺陷已经消除。

10）带钢对焊焊缝及与螺旋焊缝相交的丁型接头的所在管，全部经过X射线电视或拍片检查。

11）每根钢管经过静水压试验，压力采用径向密封。

试验压力和时间都由钢管水压微机检测装置严格控制。

试验参数自动打印记录。

12）管端机械加工，使端面垂直度，坡口角和钝边得到准确控制。

13）根据标准和客户要求在钢管一端内、外壁喷涂标识。

2.2常见焊接缺陷分类及产生原因

螺旋焊管是一种主要的输送流体的焊接钢管,由于螺旋焊管可以由一种宽度的钢卷连续成型焊接生产,容易实现生产自动化,并且采用双面埋弧自动焊的焊接型式,又有多种探伤方法检查把关保证焊缝质量。

因此敷设输油输气管线时,螺旋焊管得到了广泛的应用。

但在成型焊接过程中,由于操作失误或工艺欠成熟等方面的原因,导致焊管产生各种各样的缺陷。

下面就螺旋焊管常见的几种焊缝缺陷的产生及典型特征以及应用射线探伤（RT）和超声波探伤（VT）作一个简单分析与介绍。

2.2.1焊管焊缝熔合不良类缺陷及原因

（1）熔合不良类缺陷包括未熔合和未焊透,未焊透是指焊接金属母材与母材之间,未被电弧熔化而留下的空隙,对于双面焊螺旋焊管一般产生在焊缝中部。

未焊透产生原因:

1）电流强度不够，运条速度太快；

2）管道组对时，坡口的钝边太厚或间隙太小；

3）焊条角度不对以及电弧偏吹；

4）焊件散热速度太快使焊融金属迅速冷却。

常见的未焊透如图2.1所示:

图2.1　未焊透

（2）　未熔合是指焊缝金属与母材之间、多焊道时焊缝金属之间彼此没有完全熔合在一起的现象。

前者称为边缘未熔合,后者称为层间未熔合,由于未熔合大面积地降低了焊接接头强度,相对而言,未熔合比未焊透更具危害性。

产生原因:

焊接电流过小,焊条焊丝偏于坡口一侧或因焊条偏心使电弧偏于一侧,使母材或前一道焊缝金属未得到充分熔化就被填充金属所覆盖。

当母材坡口或前一层焊缝表面有锈或脏物,焊接时由于温度不够,未将其熔化而覆盖上填充金属,也会形成层间或边缘未熔合。

由于螺旋焊管在成型前用圆盘剪剪去带钢卷两侧各约20mm,焊接接头部分不会有锈蚀或污物,并且采用双面埋弧自动焊,故在自动焊缝中由于焊偏及电流过小等原因可能产生边缘未熔合,而在补焊焊缝中（多层焊）有可能产生层间未熔合。

如图2.2所示:

图2.2　未熔合

a.边缘未熔合　　b.层间未熔合

（3）　气孔和夹渣

1）　气孔是焊接熔池在高温时吸收了过多的气体,而在冷却时气体在金属中的熔解度急剧下降,气体来不及逸出而残留在焊缝金属中形成的。

气孔可分为孤立气孔、密集气孔、链状气孔和虫孔等,一般能导致焊接过程中产生大量气体的因素都是产生气孔的原因,主要有以下几个方面:

1）熔化金属冷却太快，气体来不及从焊缝中逸出：

如风速过大、温度较低，或者焊工操作技术不良，运条速度太快，使焊肉很薄，冷却过快，气体来不及从焊缝中逸出；

2）电弧太长或太短。

电弧太长使空气浸入熔池，太短则阻碍气体外逸；

焊条受潮；

3）焊件及焊条上沾有油漆、油污等，受热后放出气体浸入熔池；

基本金属及焊条化学成分不当，含碳气过多，所含的合金成分使铁水发粘。

4）使熔渣粘度太大，阻碍气体外逸；

气孔的分类及典型特征见图2.3:

a.孤立气孔　b.密集气孔　c.链状气孔　d.虫孔

图2.3　气孔

夹渣是焊接冶金反应产生的,焊后残流在焊缝金属中的非金属夹杂物。

夹渣可分为点状夹渣、密集夹渣和条状夹渣三种。

如图2.4所示。

图2.4　夹渣

a.点状夹渣　b.密集夹渣　c.条状夹渣

坡口角度过小、焊接电流过小,或焊接速度过快,使夹杂物不能与液态金属分离并浮出。

多层焊时,如果前一层的熔渣清理不彻底,焊接操作又未能将其完全浮出,也会在焊缝中形成夹渣。

夹渣的外形很不规则,大小差异也很悬殊,对焊接质量的影响一般来说比气孔严重。

（4）　裂纹

裂纹是危害严重的焊接缺陷,也是焊缝中常见的缺陷。

裂纹是在焊接应力及其它致脆因素共同作用下,焊接接头局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面（缝隙）。

裂纹按照其形成原因可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹。

由于螺旋焊管一般采用优质碳素钢和低合金钢材料,焊完后也不再进行热处理等工艺,因此大多数裂纹是热裂纹和冷裂纹。

冷裂纹经常出现的形态是:

焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊缝根部裂纹,见图2.5。

图2.5　裂纹

　　　1—焊缝纵向裂纹　　　2—焊缝横向裂纹

3—热影响区纵向裂纹4—弧坑裂纹

5—热影响区横向裂纹6—焊趾裂纹

7—热影响区贯穿裂纹8—焊缝根部裂纹

9—焊道下裂纹10—焊缝内晶间裂纹

（5）　在螺旋焊管中由于成型不稳定引起错边,焊接接头有效面积减少以及钢带对头时由于壁厚在公差带范围内发生变化而导致成型焊接不稳定,在焊完内焊后,由于递送力很大也可能造成撕裂,一般裂纹产生在内焊缝中。

综合上所述，常见的焊接缺陷大致与下述因素有关。

见表2.3。

表2.3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.焊管常用的无损探伤种类及特点和检测方法

3.1焊管焊缝常用的检测方法

钢管是一种金属管道，应用在工业生产的各个方面。

金属材料直接决定钢管的质量，优质材料的化学成分、物理性能及几何形状都必须是连续的、单纯的和均匀的。

如果这3方面存在不足或者受到破坏，该金属材料即为缺陷材料。

钢管的缺陷可通过各种形式的探伤进行检测。

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）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，使其渗入缺陷内，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，缺陷性质容易辨认，渗透操作到显示缺陷约半小时。

能够检测出光洁与清洁表面开口缺陷。

（3）超声波探伤。

超声探头发射的超声波在工件的不连续区产生反射，从而被探头和仪器接收。

一般情况下，超声探伤主要用来探测钢管内外表面及其内部的纵向缺陷，根据用户需要也可探测横向缺陷。

超声探伤有较高的检测灵敏度，对钢管中裂纹、直道等缺陷比较敏感，也能探测出非金属夹杂等体积型缺陷。

因此，它适用于检测质量高的无缝钢管，但由于检测速度较慢，难以在钢管检测的流水线上进行快速在线检测，因此一般作为高质量钢管的离线检测手段。

（4）涡流探伤。

涡流探伤是利用探头线圈内流动的高频电流可在焊缝表面感应出涡流的效应，有缺陷会改变涡流磁场引起线圈输出（如电压或相位）变化来反映缺陷。

涡流探伤检验参数控制相对困难，检验结果的解释稍微困难。

可检验各种导电材料焊缝