方鉆桿對接焊縫超聲波檢測方法

1驅(qū)動部分邊寬長度無明顯差異,單根鉆桿長23m方鉆桿由驅(qū)動部分和上下過載組成。按方鉆桿兩端接頭連接的不同分為有/無細(xì)扣方鉆桿。我國和API標(biāo)準(zhǔn)系列均用無細(xì)扣方鉆桿,其兩端接頭與方鉆桿對焊在一起,或與方鉆桿做成一體。方鉆桿規(guī)范是按其驅(qū)動部分的邊寬來分類的,長度一般比單根鉆桿長2～3m。API標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定方鉆桿有12.30m和16.46m兩種,驅(qū)動部分長為11.28m和15.54m。對邊寬度有63.50,76.20,88.90,107.95和133.35mm五種。在石油轉(zhuǎn)盤鉆井工程中,方鉆桿位于鉆柱的最上端,主要作用是傳遞扭矩并承受鉆柱懸掛重量;在渦輪和螺桿鉆具的鉆井工程中,方鉆桿承受鉆柱懸掛重量和反扭矩。目前使用的方鉆桿大都是進口的,價格昂貴,一般都是反復(fù)周轉(zhuǎn)使用,直到它的對邊寬度、長度不符合使用要求為止。因此,需要采用超聲波對其對接焊縫以及本體進行跟蹤檢測。2檢測方法2.1試塊的選擇與檢測因為方鉆桿的本體為長方體,所以選用的儀器、探頭應(yīng)與鋼板焊縫檢測相同。超聲波探傷儀可選CTS-26或CTS-2200等;探頭可根據(jù)方鉆桿的壁厚(約為20mm左右)選用2.5P8×12(K2～2.5)-D探頭;工業(yè)甘油或機油耦合劑;CSK-3A型試塊。為了確保方鉆桿對接焊縫的檢測質(zhì)量,應(yīng)在CSK-1A型試塊上測定儀器與探頭的綜合性能,包括斜探頭入射點、K值和分辨力;調(diào)整探測起始靈敏度,同時確定探測范圍。2.2儀器的水平線性和垂直線性利用距離試塊上表面10,20,30和40mm的孔繪制距離-波幅曲線,同時測定儀器的水平線性和垂直線性。距離-波幅曲線由定量線、判廢線和評定線組成,評定線和定量線之間(包括評定線)稱為Ⅰ區(qū),定量線與判廢線之間(包括定量線)稱為Ⅱ區(qū),判廢線以上稱為Ⅲ區(qū)。檢測時一般使用定量線(圖1)。2.3接頭移動距離p探測范圍選擇在焊縫管體一側(cè),清除探測面電焊飛濺等異物,探頭移動距離P應(yīng)盡量滿足P≥2TK+20mm(T為壁厚,K為探頭K值)。探頭移動掃查方式采用U型,每次橫向移動一個探頭寬度,以保證百分之百掃查。2.4缺陷定位2.4.1半音程檢測方法圖2圖2中OA表示主聲束聲程S,圖中可見,要確定缺陷位置,應(yīng)預(yù)先測出探頭的入射點和K值。0.5缺陷聲音s=h。cos距地面s，水平距離l，htg，缺陷深度h=scos2.4.2水平距離2t-h圖3可見,一個跨距范圍內(nèi)缺陷的聲程S+S1=(2t-h)/cosβ;水平距離L=(2t-h)·tgβ;缺陷深度h=(S+S1)·cosβ。3干擾回波的判定(1)必須先對探傷方法、儀器和探頭性能、參考試塊作出明確的規(guī)定,然后用試塊上的人工缺陷確定儀器和探頭組合靈敏度,使靈敏度統(tǒng)一。(2)掃查時可適當(dāng)提高一些靈敏度,以補償由于操作中的聲耦合不穩(wěn)定所帶來的靈敏度波動,但也不能提得太高。(3)發(fā)現(xiàn)缺陷波要排除各種干擾波防止誤判。這些干擾有的是焊縫增強量或焊縫區(qū)域表面缺陷產(chǎn)生的,有的是由焊縫形狀的影響而產(chǎn)生的波型轉(zhuǎn)換引起的。因此,為了正確地判定各種干擾回波,不僅要對焊接構(gòu)件的特點,焊縫的形狀以及是否有可能產(chǎn)生干擾回波進行必要的了解,而且還必須計算出回波發(fā)生源。(4)質(zhì)量評定采用當(dāng)量比較法,凡超過人工缺陷反射波的缺陷一律定為不合格,反之則判為合格。不合格區(qū)段應(yīng)予以切除或進行局部修整,修整后仍需探傷復(fù)驗是否合格。4典型接頭缺陷形成的原因和波型特征4.1未焊接的瑜普4.1.1未焊透缺陷產(chǎn)生原因(1)接頭的坡口與本體裝配不正確,坡口型式為U型,鈍邊厚度為1～2mm(圖4)。如兩個被焊工件間距過小,鈍邊過大,兩工件接合處坡口的鈍邊尺寸不等,都會促成未焊透缺陷的產(chǎn)生。(2)形成電弧的電流和電壓不足,焊接速度過快,母材金屬未充分預(yù)熱,而焊條過早熔化是產(chǎn)生未焊透缺陷的又一原因。(3)材料焊接部位有鐵銹、油圬、熔渣、氧化鐵皮等臟物,阻礙母材金屬邊緣很好地熔化,也會造成未焊透缺陷。(4)材料焊接過程中焊條傾斜角有誤,熔池偏離母材金屬一邊,致使另一邊受熱不均,造成未焊透。4.1.2未焊透缺陷造成的焊縫安全隱患在U型坡口對接焊縫中未焊透缺陷常發(fā)生在坡口邊緣部位,缺陷處有一層淡淡的氧化膜,嚴(yán)重未焊透缺陷若出現(xiàn)在管類工件的焊縫內(nèi),在水壓、氣壓試驗時,未焊透部位會出現(xiàn)透水漏氣現(xiàn)象。此時,焊縫的抗拉強度會成倍降低,焊縫邊緣未焊透缺陷更是危險。這時承壓工件應(yīng)判廢或重焊。4.1.3缺陷反射波的產(chǎn)生原因未焊透缺陷或未熔接缺陷對超聲波的反應(yīng)比較敏感,但是由于未焊透缺陷表面不規(guī)則,深淺不一,對超聲波不能構(gòu)成平整光滑的反射面,因此會出現(xiàn)雜亂的缺陷反射波。4.2焊接誤差的凹陷4.2.1焊縫的熱應(yīng)力焊縫中的裂紋缺陷是由應(yīng)力造成的,其應(yīng)力起源于焊接時的加熱和冷卻過程,使得在母材和熔池之間,以及熔池和已凝固的焊縫之間出現(xiàn)很大的溫差。溫差導(dǎo)致焊縫和母材之間以及焊縫的不同部位之間產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過焊縫在此溫度下能夠承受的強度時,焊縫就會破裂。因此裂紋缺陷可分為熱裂紋、冷裂紋和層狀撕裂等類型。4.2.2熱裂紋缺陷顯微缺陷焊縫熱裂紋缺陷大小不一,有的是只能用放大鏡和顯微鏡觀察的顯微裂紋,也有肉眼可見的宏觀熱裂紋,它們都是沿晶界開裂,表面有氧化痕跡。顯微鏡熱裂紋缺陷在焊縫剖面上呈網(wǎng)狀,無一定開裂方向;而宏觀熱裂紋缺陷多呈縱向開裂,且分布在焊縫中心部位。即在焊縫兩邊造成的柱狀晶體的對縫線上,裂紋寬度由十分之一毫米到數(shù)毫米不等,可沿焊縫長度方向延伸至幾厘米到數(shù)十厘米。裂紋表面粗糙,沒有光澤,有明顯的氧化現(xiàn)象和粒狀突出物存在。4.2.3觀熱裂紋缺陷一般來說宏觀熱裂紋缺陷對超聲波的反射比較敏感,而微觀熱裂紋缺陷的反射則比較微弱。檢查焊縫宏觀熱裂紋缺陷常用2～2.5MHz的超聲波,此時缺陷反射波根部有若干小波峰出現(xiàn)。若增大探傷靈敏度,小波峰亦隨之增高,反之則有規(guī)律地減小,而且比較穩(wěn)定。這種現(xiàn)象是熱裂紋表面粒狀突起物和主裂紋邊緣向縱深發(fā)展的微裂紋所引起的超聲反射波,可作為判定該缺陷為宏觀熱裂紋的根據(jù)。4.3內(nèi)孔漏4.3.1氣體邊界孔隙氣孔缺陷是在焊接時,焊接熔池中所產(chǎn)生的氣體不能在熔池凝固前及時溢出,而在焊縫內(nèi)形成的孔洞,大致可分為分散氣孔、密集氣孔和鏈狀氣孔等三大類。(1)單個氣孔缺陷又稱單個氣孔,是焊接前未將焊縫坡口處金屬上的鐵銹、油圬和油漆等清理干凈,電焊條潮濕,水分在電弧高溫作用下分解成氫氣和氧氣,溶解于液態(tài)金屬中,此時若焊縫中液態(tài)金屬凝固過快,溶解氣體不能及時溢出,即產(chǎn)生單個氣孔缺陷。在焊縫內(nèi)部多呈單一狀態(tài)均勻分布在焊縫上部,氣孔體積不大,呈球形或橢圓形,內(nèi)表面光滑。(2)密度計的結(jié)果—密集氣孔是在焊接過程中,由于產(chǎn)生電弧的電流電壓不穩(wěn)定,電焊條內(nèi)含碳量過高,焊藥、熔劑潮濕,電弧過長或焊接方式改變等導(dǎo)致。它們呈群狀密集分布在焊縫中心部位,其單個體積大小不一,且被沒有氣孔的致密金屬區(qū)段所隔開。在手工焊接中密集氣孔常發(fā)生在焊縫的起點和電弧中斷處。解剖后可以看到孔洞大小不一的蜂窩狀分布。(3)焊縫熔池內(nèi)的氫氣主要是由氫引起的。氫來源于潮濕的助熔劑和沒有充分干燥的焊條涂料中的水分,焊接過程中,在電弧的高溫作用下,水被分解為氫和氧,氧與合金元素結(jié)合形成氧化物,同時降低了氫在金屬液中的溶解度。因此在焊接過程中溶池內(nèi)的液態(tài)金屬常含有飽和的氫氣。當(dāng)焊縫熔池溫度降低時,氫立即開始從熔池析出,由于焊縫冷卻速度很快,氫氣泡來不及溢出,滯留于焊縫內(nèi)形成鏈狀氣孔缺陷。鏈狀氣孔在焊縫中呈直線分布,氣孔邊沿相互銜接,狀如鏈條,鏈的中心與焊縫軸線平行。4.3.2金相線上的雙線脈沖反射(1)單個獨立的氣孔內(nèi)充滿氣體,對超聲波的反射十分強烈,其回波波形為陡峭的單峰反射波。探頭不動時缺陷反射波十分穩(wěn)定;當(dāng)探頭稍一移動,氣孔缺陷反射波即會消失。在斜探頭探傷時,單個氣孔若恰好處在波束前后沿的交叉位置時,也會出現(xiàn)雙峰脈沖反射。(2)由于在用斜探頭檢測密集型氣孔時超聲束能同時掃到多個氣孔,因此在儀器熒光屏上缺陷的反射波形呈多個參差不齊尖峰。當(dāng)以缺陷區(qū)為中心稍微移動探頭時,波形不斷跳動,移動探頭時缺陷反射波并不立即消失,嚴(yán)重的密集氣孔型缺陷,反射信號還能形成所謂林狀反射波形。(3)當(dāng)探頭平行于焊縫移動時,擴散了的聲束會同時掃到兩、三個或多個鏈狀氣孔。由于鏈狀氣孔缺陷在一條直線上分布,因此反復(fù)移動探頭時,在儀器熒光屏的同一位置上,氣孔反射波會等高度地繼續(xù)出現(xiàn)。與單個氣缺陷反射波形相似,多為單峰反射,個別是雙峰反射。鑒于焊縫中缺陷種類很多,例如未熔合、夾雜和咬邊等,主要靠探傷人員平時的經(jīng)驗積累,才能作出