钢结构焊缝手工超声波检测方法要点及应用

刘薇，刘保平，白锦军

1.中国石油长庆油田分公司 第二采气厂（陕西 榆林 719000）

2.中国石油长庆油田分公司 技术监测中心（陕西 西安 710018）

3.庆阳长庆工程检测有限责任公司（甘肃 庆阳 745100）

近年来钢结构工程应用越来越广泛，钢结构焊缝质量检验中，超声波探伤是应用最广泛的方法之一，根据GB 50661—2011《钢结构焊接规范》规定，对于作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝受压时质量等级不低于二级[1]。而钢结构焊缝由于壁厚大，受现场限制条件多，而且探伤结果的准确性对焊接质量的评判起到决定性的作用。目前钢结构焊缝仍然采用数字式超声仪，以现场手工探伤的方法为主。以长庆气田某净化厂气质提升工程供热系统钢结构工程为例介绍手工超声波探伤的技术要点。

1 工程概况

该钢结构构件材料以H 型钢为主，材质为Q355B，连接形式主要为焊接，焊接质量是控制的重点。采用手工形式的焊接工艺，先焊接筋板焊缝，后焊接螺栓连接板与柱、梁的连接焊缝，焊条型号E5015,牌号CHE507，规格Φ2.5、Φ3.2 mm。设计文件规定所有对接连接、T 型对接连接的全熔透焊缝的质量等级为二级合格。这里的二级合格，并不是无损检测中缺陷评定的Ⅱ级，而是GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》对焊缝质量等级的规定，它包括焊缝外观质量及内部质量评定两部分内容。而焊缝质量为Ⅱ级的要求进行20%超声检测，Ⅲ级合格[2]。施工现场先预制后组装焊接,如图1 所示。工件规格HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm，检测位置为对接焊缝，坡口形式V型背面加垫板的单面焊，焊缝部位母材厚度21 mm，焊缝余高0～3 mm。

图1 钢结构预制

2 超声波探伤前准备

2.1 仪器及材料

2.1.1 超声波探伤仪

目前已广泛应用数字式超声探伤仪，现以CTS-9008数字超声探伤仪为例来说明，它具有缺陷自动记录、报警功能，功能设定自动控制、信号获取和处理实现自动化，操作方便，检测结果可记录保存，屏幕显示对比度高等优点，适于室外及野外工地使用。

2.1.2 探头

在横波检测中，探头的K 值（或折射角）对检测灵敏度、声束轴线的方向、一次波的声程（入射点至底面反射点的距离）有较大影响。在超声波探伤前，首先应满足直射波和一次反射波对焊缝截面全覆盖的要求，针对此工程可选用5P8 mm×8 mm 斜探头。

2.1.3 试块

1#试块，即 NB47013.3 中的 CSK-1A 试块和GB 11345—2013 中的 RB-2 号试块，其中 1#试块用来测定斜探头的前沿距离和入射点、折射角、远场分辨力。RB-2 号试块为Φ3 mm 横通孔，用于制作距离—波幅曲线。

2.1.4 耦合剂

在钢结构焊缝探伤现场，耦合剂用于排除探头与焊缝两侧工件之间的空气，使超声波能有效地传入工件，达到检测的目的，另外还有减少探头磨损的作用。选用甘油作为超声耦合剂，其声阻抗大、耦合效果好，使用时可用水稀释后再使用，以增加其流动性。根据经验，甘油与水的比例以1∶2～1∶3为宜，若工件表面光洁度较高时则用水稀释的比例可适应增大至1∶3；反之，以1∶2 左右的比例较为适宜，以排除探头与工件间的空气、达到完全耦合、探头自由滑动为最佳。

2.2 仪器调整及灵敏度测定

以工件规格HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm为例来说明超声仪的调整及检测主要步骤。

2.2.1 探头K值和前沿距离的测定

斜探头入射点是其主声束轴线与探测面的交点，入射点至探头前沿的距离称为探头的前沿长度。测定探头的入射点和前沿长度是为了测定探头的K值并对缺陷进行定位，经在CSK-IA试块上测定探头K值和前沿距离，实测探头K=2.5，折射角68.2°，零点3.90 μs，探头前沿距离12 mm。

2.2.2 表面补偿

超声波检测灵敏度的校准都是在标准试块上进行，而实际检测是在工件上进行。两者的表面粗糙度有较大差别，两者之间也存在着耦合损耗，所以必须进行补偿，补偿后的仪器灵敏度相当于在被检工件上与标准对比试块上相同的基准反射体上校准的灵敏度。通过实测，表面补偿量为3 dB,探伤灵敏度Φ3×40-17dB作为探伤灵敏度。

2.2.3 仪器及探头系统测定

在RB-2 试块上通过深度1∶1 实测得到波幅的dB值，输入时根据实际探头参数、钢材声速、基准波高为屏幕的80%，超声检测采用标准GB/T 11345—2013《焊缝无损检测超声检测检测、技术等级和评定》，而对应的评定标准为GB/T 29712—2013《焊缝无损检测超声检测验收等级》。该工程中超声检测验收等级为2 级，查询GB/T 29712—2013 标准图A.3[3]，得到评定线与定量线均为：Φ3×40-14dB，在仪器面板上这两条线是重合的，导致距离—波幅曲线图中只显示了Ⅱ区和Ⅲ区,即传统意义上的Ⅰ区消失了。

2.2.4 探头移动区和检测区

检测区域的宽度应是焊缝本身再加上焊缝两侧至少10 mm 的一段区域[4]，该钢结构焊缝宽度为15～18 mm，由于是单面双侧进行检测，那么需要检测的区域10+18+10=38 mm。该钢结构工程选用的超声波检测探头型号：5P8 mm×8 mm（K=2.5），则焊缝两侧应清理打磨的宽度L=1.25P，其中P=2KT，则探头前后移动区的距离L=1.25P=2.5KT=2.5×2.5×21=131 mm，如图2所示，检测区宽度38 mm，检测面宽度131 mm。

图2 检测区和检测面图

3 现场检测

3.1 对检测部位的表面处理

在实际工作中，焊缝热影响区10 mm 是一个假想区域，对于整个超声波检测，清理打磨的范围是从焊缝两侧算起，即整个检测面应包括计算得到的131 mm 和热影响区10 mm 在内，理论值是141 mm。而实际上至少应对焊缝两侧各150 mm范围内清除所有焊接飞溅、锈蚀、氧化皮及其他杂质，检测现场大多采用电动钢丝刷进行打磨处理，对焊接飞溅等难以去除的个别部位也可采用锉刀或砂纸手工进行打磨处理，其表面粗糙度不应超过6.3 μm。焊缝及检测面经外观检查合格后方可进行检测，并保证探头在检测面移动区能自由移动[5]。

3.2 检测步骤

根据编制的超声检测操作指导书，用甘油作为耦合剂，超声检测最大的优势是检测面积型或线性缺陷，而这些缺陷一般顺着焊缝方向或平行于焊缝，如根部未焊透、未熔合或坡口未熔合，采用矩形扫查法可以得到缺陷的最大反射波[6-8]，当探头垂直于焊缝由远及近移动时，分别用一次反射波过渡到直射波扫查焊缝上、中部及根部缺陷，如图3 所示。当发现缺陷时，以适当的锯齿形或探头作适当转动，以判定缺陷走向，以便获得缺陷的最大回波。相邻两次探头移动间距至少有探头宽度10%的重叠，扫查速度不大于150 mm/s，探头前后移动范围内应保证直射波和一次反射波扫查全部焊缝截面和热影响区。

图3 矩形扫查示意图

3.2.1 检测中发现的缺陷

根据监理下发的超声检测指令在对长庆气田某采气厂天然气气质提升工程硫磺回收尾气处理装置工程钢结构HW400 mm×400 mm×13 mm×21 mm，材质Q355B 共6 道焊缝进行检测时，焊缝号WQ-CZPT-H002-A1-3-2有一明显的缺陷反射波，缺陷位于Ⅲ区，缺陷当量SL+18dB，仪器上显示深度14.04 mm，水平距离62.26 mm，缺陷长度40 mm，该缺陷判定为不合格，记录如图4 所示。发现缺陷后用醒目的记号笔对缺陷位置进行标记，并由施工单位对缺陷部位进行打磨，从深度14 mm开始，缺陷一直延伸到内表面直至垫板，说明加垫板的内表面未熔合。

图4 缺陷记录显示

3.2.2 检测后仪器和探头系统的复核

每个工作班次探伤结束后，用试块对仪器及探头系统进行复核，以验证系统性能的误差，检测公司质量体系文件规定以不大于±2 dB为合格。检测后仪器和探头系统的复核记录如图5 所示，说明超声仪器和探头性能满足超声波检测工艺规程的规定。

图5 检测后复核记录

3.3 产生缺陷的原因分析

钢结构根据承受载荷的不同一般有3 种形式：①承受静载荷，例如钢结构上安装有压力容器、管道及其他载重物等形式；②承受动载荷，例如铁路、公路中用的钢结构构架；③按疲劳设计，即存在交变应力的状况。例如钢结构构架上安装有循环往复泵，往复式压缩机等设备，这些设备运转时会产生交变应力，这类钢结构在设计文件中以疲劳破坏的形式进行设计。但这些钢结构焊缝有一个共同特点就是不允许存在裂纹、未熔合、未焊透及咬边等带尖端的线性缺陷，尤其是承受动载荷与交变应力时这些缺陷随时有扩展为新的裂纹的倾向，为此钢结构焊缝检测应重点排查以上几类缺陷，焊缝咬边属外观缺陷检查的范畴，而其他缺陷采用无损检测尤其以超声波检测最为灵敏，是检测这类缺陷的最有效的方法，这样才能保证钢结构的安全并保证其使用功能[9-10]。

由于该钢结构采用的GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》中Q355B 钢材，即旧标准GB/T 1591—2008 中的Q345B，它是一种低合金高强度钢，在石化企业得到广泛应用。但由于焊件厚度较大，坡口形式有 X 型、V 型、U 型等多种形式，V 型坡口加工方便，但相比X型坡口来说焊材消耗多，焊后变形量大，U型坡口相比V型坡口焊条耗费少，也同样会产生较大的变形[5]。对于采用什么样的坡口形式，要考虑焊接方便，减少工时等因素，这些在设计文件中有明确要求。

由于采用的手工电弧焊，使用E5015，CHE507碱性焊条，本钢结构构件采用5～6层的多层焊焊接工艺，层间清渣不彻底、不干净，焊接电流太小、焊速过快，焊条偏芯或焊条角度摆动不当等原因都是造成层间未熔合的主要原因。

4 建议

对钢结构焊缝进行超声波探伤时，应了解坡口形式、焊接方法、双面焊还是单面焊或者加垫板的单面焊，组对错边量及焊件结构等信息，准确判定示波屏上的信号是几何反射波还是缺陷波。由于A型脉冲反射超声波探伤所显示的缺陷波，不能直接反映缺陷的形状，若对缺陷的性质判定结果有怀疑时，应辅以射线检测或其他无损检测方法作进一步验证。对于厚度较大的焊缝进行超声波探伤时，尽可能利用直射波进行双面检测，以发现缺陷。

4.1 检测前的准备工作

石油天然气行业的超声波检测常用的是承受内压的圆筒形压力容器和压力管道，对于钢结构焊缝，因平时应用较少，因此检测前应熟悉GB 50661—2011《钢结构焊接规范》和GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》标准规范。探伤前检测面的清洁处理十分重要，焊缝应经过外观检查合格后方可进行检测，探头的检测区应能自由移动，并保证与检测面之间的良好接触。

4.2 正确选择仪器、探头

数字式超声波探伤仪另一优点是距离—波幅曲线用黄色显示，黑屏上缺陷波用黄绿色波线显示，对比度高，既使在强光下缺陷波也易识别，反射波达到Ⅲ区可自动报警，以便引起检测人员注意。另外横波斜探头根据厚度的不同选用不同的K值，探伤用直射波和一次反射波，保证扫查到整个焊缝截面。

4.3 检测操作中提高工作责任心

检测人员的工作责任心极其重要，石油天然气行业大多数情况下检测环境地处空旷的室外或野外，工作环境差，因此要求检测人员不但要有精湛的技术，而且要有吃苦耐劳的精神，另外还应按照监理指令和相关设计要求进行检测，才能做好此项工作。