长输管道自动焊对接环焊缝熔铜裂纹的检测与判定

作者简介:

李涛（1989—）,男,工程师,主要研究方向为无损检测技术工程应用

自动焊是目前国内大口径长输管道的主要焊接方法之一。裂纹是焊缝中危害最大的缺陷,自动焊中的裂纹包括冷裂纹和熔铜热裂纹。冷裂纹主要是应力造成,射线和超声检测是检测冷裂纹的有效手段,射线检测可对冷裂纹缺陷进行准确定性。相对来说,热裂纹（主要是熔铜裂纹）在自动焊中更为常见,具有较强的隐蔽性,缺陷的发现和判定比较困难。熔铜裂纹形成的直接原因是铜元素进入了焊缝。铜元素的来源主要是焊枪的铜质导电嘴,当导电嘴碰壁或烧熔后,铜液渗入焊道。PAUT检测、TOFD检测、AUT检测是发现熔铜裂纹的有效手段,但是无法对缺陷进行准确定性。对于熔铜裂纹,射线检测在发现缺陷和判定缺陷方面有局限性。受焊缝坡口角度、缺陷自身性质和射线检测的透照角度等因素影响,熔铜发生时,V形坡口焊缝中缺陷的分布类似分层缺陷,射线检测难以发现并显示。在复合型坡口焊缝中,缺陷沿坡口分布,坡口角度小,射线检测一般可以发现相关显示,但是相关显示的特征不一定具有典型的裂纹特征（如端部发尖、分叉等特征）,缺陷的准确定性有困难[1-2]。MT（磁粉检测）是判定熔铜裂纹的有效方法,但其只能检测表面或近表面的缺陷,所以必须将焊缝打磨至缺陷位置或接近缺陷位置时,MT才能检出缺陷,属于破坏性检测。熔铜裂纹是危害性缺陷,在保持焊缝完整的前提下,有效地检出和准确判定熔铜裂纹具有重要意义。

1. 焊接方法及坡口形式

长输管道的焊接方法主要有GMAW（熔化极气体保护电弧焊）、GTAW+FCAW-G（钨极氩弧焊+药芯焊丝气体保护电弧焊）、SMAW（焊条电弧焊）等。常见坡口形式有复合型坡口和V形坡口,如图1,2所示。

2. 缺陷检测

长输管道对接环焊缝熔铜裂纹缺陷的检测方法有AUT检测、PAUT+TOFD检测、射线检测（RT、DR）、MT检测等。

2.1 复合型坡口检测

复合型坡口焊接方式为GMAW（熔化极气体保护电弧焊）,坡口角度小,所以焊缝宽度较窄（全自动焊接的焊缝宽度约10~16 mm）,当发生熔铜时,焊接过程中焊枪的摆幅较小,铜元素一般沿坡口堆积,有较大的自身高度,检测方法一般采用AUT检测和射线检测。以下为某管道工程对接环焊缝熔铜裂纹的AUT、RT检测示例。

2.1.1 AUT检测

AUT检测是结合了相控阵分层聚焦（原理来自脉冲反射法）和TOFD的综合检测方法,其能够发现熔铜裂纹是基于Cu和Fe的声阻抗不同的原理,某熔铜裂纹的AUT检测图谱如图3所示。AUT检测的A扫描通道、体积通道、TOFD检测通道（当缺陷位于TOFD检测盲区外时）一般均可有效发现缺陷。在复合型坡口焊缝中,熔铜裂纹有一定的自身高度,且铜的熔点低于钢的,当焊缝填充金属已经凝固成固态时,铜仍是液态,因此铜元素会沿着焊缝晶界流动,熔铜裂纹呈现为沿晶开裂,同时液态的铜元素在焊缝填充金属凝固过程中也会沿着坡口向上浮,所以熔铜裂纹在高度方向一般会超过一层焊道的高度。AUT检测时,由于A扫描的检测原理是脉冲反射法,缺陷自身的尺寸、方向对检测结果影响较大,缺陷的有效反射面是影响缺陷发现和评判的主要依据,而熔铜裂纹渗入焊缝中的铜总含量较少,沿焊缝金属晶界发散分布（非常细微）,缺陷有效反射面小,所以A扫描中表现为可在连续多个通道中发现缺陷显示,但是波幅较低。在B扫描体积通道中,由于B扫描通道的灵敏度是在基准灵敏度基础上提高8~14 dB（A扫描通道反射体一般是ϕ2 mm平底孔,B扫描通道反射体是ϕ1.5 mm平底孔）,故B扫描体积通道具有更高的灵敏度,对熔铜裂纹发现能力更强,且B扫描相邻通道的覆盖范围更大,采集数据闸门更长,缺陷表现为在连续多个通道中均有显示,且在上下游B扫描相应通道也能同时发现缺陷显示。TOFD通道中,当缺陷不在盲区范围时,TOFD通道可以有效发现缺陷显示,熔铜裂纹在AUT检测中的影像显示与密集气孔缺陷的影像非常接近,故对于熔铜缺陷的定性需要借助其他的检测方法综合进行。熔铜裂纹AUT声束扫描模拟如图4所示,复合型坡口焊接接头熔铜裂纹宏观金相如图5所示。

2.1.2 射线检测

在复合坡口中,当射线检测采用中心透照时,横向裂纹检出角接近0°,从射线机的布置来说其有利于沿坡口方向有一定自身高度的缺陷的检出,此时,能够有效发现全自动焊接中产生的熔铜裂纹；缺陷的形态有时呈现标准的裂纹形态（尖端、分叉等）,有时呈现非典型裂纹特征（条缺形态等）,当渗铜量较少或者出现在热焊区（角度为45°）时射线检测可能无法发现缺陷。复合V形坡口RT检测中的缺陷显示如图6所示,复合V形坡口中心透照模拟如图7所示。

2.1.3 宏观分析与微观组织分析

根据无损检测结果对缺陷部位的焊缝取切片做宏观金相分析,结果发现了裂纹显示,其位于填充焊层,在熔合区附近,裂纹附近区域的颜色较深,呈黄色且具有金属光泽,说明化学成分与其他部位成分存在差异。对金相组织进行观察发现,裂纹附近焊缝组织呈树枝晶状,树枝晶的晶界上存在白色的条状或颗粒状的物质,裂纹沿柱状晶晶界扩展,沿晶界分布,如图8所示。

2.1.4 扫描电镜及能谱分析

采用扫描电镜（见图9）和能谱仪对晶界上的条状物进行成分分析,分析后发现,条状物铜（Cu）含量较高,质量分数约为81.87%。

2.2 V形坡口检测

V形坡口焊接方法采用组合自动焊（GTAW+FCAW-G）,其坡口角度一般为22°~25°（壁厚为18.4~25.7 mm,焊缝宽度为20~30 mm）,导电嘴碰壁后,由于坡口角度大、焊缝宽度宽,焊枪摆幅较大,对熔池的搅动较大,铜元素在搅动过程中沿着摆幅方向分布在焊道中,某熔铜裂纹宏观金相图如图10所示。检测方法一般为PAUT+TOFD和射线的检测方式。某熔铜裂纹的DR（数字射线）和PAUT检测结果如图11所示,PAUT检测时在23~39 mm位置发现熔铜裂纹,对应部位的DR检测未发现任何缺欠显示。

2.2.1 射线检测

射线检测中心透照模拟如图12所示,熔铜缺陷在V形坡口中沿层间和坡口分布,类似分层和坡口未熔合,透照布置对缺陷检出率低,另外铜和铁的密度接近,在透照能量范围内衰减系数也接近,△T（缺陷沿透照厚度方向的高度）在射线束的方向上较小,不易形成黑度差。所以,在V形坡口中,射线检测难以检出熔铜裂纹。

2.2.2 PAUT+TOFD检测

PAUT+TOFD检测采用扇形扫描对整个焊缝区域进行检测,PAUT检测技术的根本依据为脉冲反射法。对于熔铜裂纹缺陷,PAUT进行扇形扫描一般能够发现缺陷显示,但缺陷有效反射面较小,反射波幅较低,如图13所示。熔铜裂纹缺陷在PAUT的A扫描显示通道中表现为波幅较低、草状杂波、多个高点等特征,如图14所示。在扇扫描通道的缺陷显示中,缺陷具有一定的宽度,两侧的扫描显示均在坡口对侧,因此缺陷宽度与焊缝宽度相同（见图15）。在B显示通道中,如图16所示,显示呈现“团状”影像,第一个信号是反射信号,波幅最高,紧跟反射信号后有多个衍射信号,两侧探头均可发现。在TOFD通道中的缺陷显示如图17所示,当缺陷处于盲区以外的区域时,TOFD通道可以有效发现缺陷,其影像与密集气孔缺陷影像相近,因其端点尖锐,相对圆形缺陷的影像,衍射波波幅更高。以上情况是熔铜裂纹PAUT+TOFD比较典型的信号显示,也有非典型的显示,TOFD通道非典型显示跟单个气孔显示的影像非常接近。所以PAUT+TOFD对熔铜裂纹的准确定性还是具有一定的难度。PAUT检测模拟示意如图18所示。

2.2.3 金相宏观分析

将该焊口缺陷部位剖切打开,如图19所示,在缺陷位置两侧切取一定数量的宏观金相切片,以确定缺陷的性质及特征形貌。在焊口缺陷部位附近切取了15个金相,经侵蚀后,其中M6~M15等10个连续的金相含有明显裂纹缺陷,如图20所示。

对含有裂纹的切片进一步做扫描电镜分析（见图21）,对裂纹处进行能谱分析,结果显示某些部位含铜量较高,分析为铜污染导致的热裂纹。

2.2.4 MT检测

磁粉检测主要用于对其他检测方式发现的疑似熔铜裂纹的破坏性检测验证,当熔铜裂纹未裂开或铜渗入量较少时,通过肉眼直接观察仍不易发现。由于铜和铁的磁导率有差异,所以磁粉检测可以识别熔铜裂纹,另外磁粉的磁痕堆积对缺陷有放大作用,提高了检测灵敏度,所以采用磁粉检测可有效发现熔铜裂纹,且缺陷的影像较为直观。

以下是某管道工程组合自动焊对接环焊缝在进行PAUT+TOFD检测中发现有疑似熔铜裂纹后,于现场进行打磨并采用磁粉检测发现有裂纹显示后,进行宏观金相检测发现的熔铜裂纹缺陷,如图22,23所示。

3. 无损检测证书挂靠网结论

（1）全自动焊接熔缺陷可通过以下方法检测和判定。AUT检测时,出现上游和下游连续多个体积通道均有缺陷显示,体积通道的A扫显示中波幅杂乱,呈草状杂波；在带状图中,连续多个带状图通道均有显示,波幅可能均较低,呈草状杂波显示；同时,当TOFD通道发现缺陷显示（非盲区）,同一水平位置多个缺陷叠加在一起时,再与射线检测进行对比,射线检测排除该部位存在密集气孔显示。

（2）组合自动焊熔铜缺陷可通过以下方法检测和判断。PAUT检测时,通过在S显示通道调节角度指针,观察D型显示（SY/T4109-2020为B型显示）的情况,当D型显示中同一水平位置同一角度指针发现2个或2个以上缺陷信号显示且在两侧探头都有缺陷显示；A显示中波幅不高（一般低于40%）且呈现草状杂波显示；S显示中,同一水平位置一般两侧均有显示,每侧探头发现的缺陷信号显示在探头对侧坡口,同时在同一深度位置处有多个信号显示；TOFD显示中,典型特征是同一水平位置多个缺陷信号叠加在一起（类似密集气孔）或直通波下沉甚至断开,非典型显示时缺陷只呈单个点状显示,此时主要从PAUT检测的各种显示进行判定同时参考射线检测结果,射线检测在该部位无密集气孔显示。

（3）对当前长输管道自动焊产生的熔铜热裂纹缺陷的检测,以上几种检测方法是相对有效的检测方法。在实际应用时,应结合多种检测方法发现的相关显示的特征综合进行评定。

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