丁 兵

(上海船舶工藝研究所,上海 200032)

海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波檢測(cè)

丁 兵

(上海船舶工藝研究所,上海 200032)

以入級(jí)DNV的海洋鉆井船鋼結(jié)構(gòu)平板對(duì)接焊縫為例,介紹了海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波檢測(cè)方法的相關(guān)要求以及檢測(cè)的主要流程和技術(shù)要點(diǎn)。結(jié)果表明,超聲波檢測(cè)方法能夠有效檢測(cè)海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫中存在的缺陷。

海洋工程;鋼結(jié)構(gòu)焊縫;超聲波檢測(cè)

Abstract:In this paper,for case of entry-level DNV’s offshore drilling vessel steel construction plate butt weld,a marine engineering steel construction weld ultrasonic testing requirements and test methods related to the main processes and technical issues involved is introduced.The results show that ultrasonic detection methods can effectively detect the defects of the marine engineering steel construction weld.

Key words:marine engineering;steel construction weld;ultrasonic testing

0 引言

隨著工業(yè)和科技的不斷發(fā)展,能源緊缺日趨嚴(yán)重,海洋石油和天然氣開采必然越來越受到世界各國(guó)重視?，F(xiàn)今,海洋油氣工程裝備產(chǎn)業(yè)已成為影響國(guó)家能源穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),也成為了造船業(yè)利潤(rùn)的新增長(zhǎng)點(diǎn)和主要海洋國(guó)家競(jìng)相爭(zhēng)奪的市場(chǎng)。海洋工程包括海洋鉆井船、海洋鉆井平臺(tái)等,如圖1所示。這些項(xiàng)目由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,因而質(zhì)量要求高,成本投入大。建造過程中業(yè)主委托某一船級(jí)社進(jìn)行全程質(zhì)量監(jiān)控,并對(duì)產(chǎn)品出具質(zhì)量證明。如最近由上海船廠船舶有限公司建造完成的海洋鉆井船入級(jí)DNV(挪威船級(jí)社),上海外高橋造船有限公司建造的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水半潛式鉆井平臺(tái)入級(jí)ABS(美國(guó)船級(jí)社)和CCS(中國(guó)船級(jí)社)。本文以入級(jí)DNV的海洋鉆井船為例,介紹海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波檢測(cè)的主要方法和技術(shù)要點(diǎn)。

該項(xiàng)目主要采用材質(zhì)為A36、D36以及具有 Z向性能的鋼板,主要部件板厚范圍10～50 mm。焊接方法包括手工電弧焊、埋弧自動(dòng)焊和CO2氣體保護(hù)焊。焊接接頭形式有等厚平板對(duì)接、變截面平板對(duì)接、角型接、T型接等,如圖2所示。

1 海洋平臺(tái)焊接結(jié)構(gòu)超聲波檢測(cè)的相關(guān)要求

1.1檢測(cè)人員資質(zhì)

參與本項(xiàng)目超聲波檢測(cè)的人員必須按照EN473、ISO9712或其他等同的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系,進(jìn)行UT-II級(jí)或UT-III級(jí)的資格鑒定和認(rèn)證。證書應(yīng)表明持證人員所獲得的何種方法/接頭形式的資格認(rèn)定,并且持證人員還應(yīng)具一定的焊接專業(yè)知識(shí),能對(duì)缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,以及對(duì)預(yù)防缺陷產(chǎn)生提出建設(shè)性意見等資質(zhì)。

1.2 海洋平臺(tái)焊接結(jié)構(gòu)超聲波檢測(cè)的質(zhì)量要求

依據(jù)設(shè)計(jì)應(yīng)力的水平及型式和接頭的重要性,《DNV海洋工程標(biāo)準(zhǔn)-OS-C401》對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫的檢測(cè)范圍分別作出了明確規(guī)定,同時(shí)也明確了不同檢測(cè)方法的接受標(biāo)準(zhǔn)。表1為焊縫超聲波檢測(cè)的接受標(biāo)準(zhǔn)。

表1 DNV焊縫超聲波檢測(cè)的接受標(biāo)準(zhǔn)

1.3 檢測(cè)系統(tǒng)及其性能指標(biāo)

超聲波檢測(cè)系統(tǒng)包括儀器、探頭、試塊、探頭電纜和耦合劑。在檢測(cè)過程中,要求儀器、探頭和探頭電纜匹配良好且性能穩(wěn)定,滿足必要的檢測(cè)靈敏度。

(1)對(duì)探頭的要求:

①直探頭用于母材上探頭移動(dòng)區(qū)域內(nèi)缺陷的檢測(cè),這些缺陷包括母材分層、夾雜等面積型缺陷,以及母材上可能產(chǎn)生的馬腳修補(bǔ)缺陷,也用于檢測(cè)母材顯著的材質(zhì)衰減和板厚的變化。同時(shí),對(duì)于 T型接頭和 Y型接頭,也應(yīng)用直探頭在翼板母材遠(yuǎn)離焊縫的一面進(jìn)行檢測(cè),以便發(fā)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)未熔合、未焊透等危害性缺陷。直探頭包括雙晶直探頭(檢測(cè)t≤20 mm)和單晶直探頭(檢測(cè)t>20 mm),頻率為2～5 MHz,晶片直徑Φ10 mm、Φ20 mm。

②斜探頭用于檢測(cè)區(qū)域內(nèi)所有缺陷的檢測(cè),在選擇探頭角度時(shí),應(yīng)考慮主聲束盡可能與預(yù)計(jì)的缺陷面垂直,例如對(duì)未熔合的檢測(cè),就應(yīng)該選擇主聲束與未熔合面垂直的探頭。斜探頭的公稱角度為45°、60°、70°,頻率為2～5 MHz,晶片有效面積不超過500 mm2,且任一邊長(zhǎng)不大于25 mm,同時(shí)規(guī)定聲束軸線水平偏離角不大于2°,探頭主聲束垂直方向的偏離,不應(yīng)有明顯的雙峰。

(2)對(duì)試塊的要求:

試塊包括標(biāo)準(zhǔn)試塊(IIW-V1、IIW-V2)以及與被檢工件材料具有相同聲學(xué)性能的對(duì)比試塊(RB2),如圖3所示。試塊必須滿足尺寸精度和表面粗糙度的要求。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)試塊及對(duì)比試塊草圖

(3)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)綜合性能的要求:

達(dá)到最大檢測(cè)聲程時(shí),檢測(cè)系統(tǒng)的有效檢測(cè)靈敏度余量不小于10 dB;直探頭的遠(yuǎn)場(chǎng)分辨力不小于30 dB,斜探頭不小于6 dB。

1.4 檢測(cè)面的選擇和準(zhǔn)備

為了有效檢測(cè)焊縫,必須根據(jù)焊接接頭形式、板厚和可能產(chǎn)生的缺陷類型來選擇檢測(cè)面。主要掃查面如圖4所示。對(duì)于薄板平對(duì)接,可以采用單面雙側(cè)進(jìn)行掃查,當(dāng)單面雙側(cè)無法滿足時(shí),可以采用雙面單側(cè)進(jìn)行掃查。對(duì)于 T型接頭和 Y型接頭,應(yīng)盡可能多地選擇檢測(cè)面。

T型接頭和Y型接頭用于直探頭掃查的清理寬度為腹板厚度加上焊角尺寸。用于斜探頭掃查的清理寬度與對(duì)接焊縫要求一樣。

圖4 幾種焊接接頭的檢測(cè)面示意圖

2 檢測(cè)實(shí)例

為了具體說明海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波檢測(cè)的特點(diǎn),本文以海洋工程鋼結(jié)構(gòu)中常用的平板對(duì)接鋼結(jié)構(gòu)焊縫形式(如圖5)為例,對(duì)海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波檢測(cè)的工藝流程介紹如下。

2.1 檢測(cè)前的準(zhǔn)備

檢測(cè)開始前,檢測(cè)人員應(yīng)了解被檢構(gòu)件的基本情況,包括材質(zhì)、板厚、結(jié)構(gòu)類型、坡口形式、焊接方法、質(zhì)量等級(jí)、表面狀態(tài)等,并確定合理的檢測(cè)區(qū)域。對(duì)不低于NV420級(jí)別的構(gòu)件,檢測(cè)應(yīng)選擇在焊接完成48 h后進(jìn)行;其余級(jí)別的構(gòu)件,在焊接完成24 h后進(jìn)行。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與調(diào)整

(1)儀器、探頭選擇

根據(jù)板厚、結(jié)構(gòu)類型、坡口形式、焊接方法等有關(guān)信息,選取有利于發(fā)現(xiàn)缺陷的探頭類型。一般情況下,每個(gè)檢測(cè)部位至少要用到3個(gè)探頭,進(jìn)行焊縫區(qū)域和焊縫兩側(cè)母材區(qū)域內(nèi)缺陷的檢測(cè),以便于更準(zhǔn)確的判斷缺陷類型和位置。

根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際要求,選用汕頭超聲儀器研究所生產(chǎn)的CTS-2 000、CTS-2 020、CTS-3 000等數(shù)字式超聲波探傷儀。這些數(shù)字式儀器攜帶方便,操作簡(jiǎn)單,具有不少于100組的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,可以將多組DAC曲線存儲(chǔ)在其中,也可以將檢測(cè)中遇到的某些回波存于其中,以便分析研究。并選用上海創(chuàng)辰檢測(cè)設(shè)備有限公司研制生產(chǎn)的探頭和探頭電纜。其探頭規(guī)格為

圖5 海洋工程鋼結(jié)構(gòu)平板對(duì)接焊縫

直探頭 :5P14F10、2.5P14Z、2.5P20Z

斜探頭:4P8×12A70、4P8×12A60、4P13×13A70、4P13×13A60、4P13×13A45

超聲波探頭在使用前應(yīng)進(jìn)行探頭實(shí)際參數(shù)測(cè)量,確認(rèn)探頭標(biāo)稱參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的誤差是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)儀器參數(shù)設(shè)置

根據(jù)檢測(cè)對(duì)象,在儀器面板對(duì)應(yīng)菜單上設(shè)置材料聲速、探頭類型、發(fā)射強(qiáng)度、重復(fù)頻率、工件厚度等參數(shù)。在IIW-V1試塊上測(cè)定探頭零點(diǎn)和脈沖位移,調(diào)整探測(cè)范圍,使最大檢測(cè)范圍回波調(diào)節(jié)至顯示屏滿刻度3/4左右。

2.3 傳輸補(bǔ)償測(cè)定

檢測(cè)開始前,必須測(cè)定檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)比試塊和工件上的傳輸補(bǔ)償。這種傳輸補(bǔ)償即是包括因材質(zhì)差異、聲程差異和表面耦合等在內(nèi)的一系列因素導(dǎo)致接收回波能量的變化。

2.4 制作DAC曲線

將直探頭放置在對(duì)比試塊上(試塊材質(zhì)與工件相同,外形尺寸300×40×50 mm,即 T=50 mm),DAC曲線如圖6所示;斜探頭放置在RB2試塊上,測(cè)得的DAC曲線如圖7所示。在檢測(cè)聲程范圍內(nèi),制作DAC曲線時(shí)不少于3點(diǎn),且必須包含最遠(yuǎn)的聲程。

2.5 橫向缺陷檢測(cè)靈敏度

在對(duì)工件進(jìn)行斜探頭掃查時(shí),必須進(jìn)行橫向缺陷的檢測(cè)。檢測(cè)橫向缺陷時(shí),在原檢測(cè)靈敏度基礎(chǔ)上增加6 dB。

2.6 掃查速度和方式

掃查速度不大于150 mm/s,探頭移動(dòng)保證至少10%探頭晶片寬度的重疊。為了有利于發(fā)現(xiàn)缺陷和區(qū)別真假信號(hào),采取前后、左右、轉(zhuǎn)動(dòng)和環(huán)繞四種基本掃查方式掃查。在檢測(cè)橫向缺陷時(shí),采用與焊縫中心線呈10°～20°的夾角進(jìn)行雙側(cè)雙向掃查;對(duì)于余高磨平的焊縫,可將探頭置于焊縫上,進(jìn)行兩個(gè)方向的掃查。

2.7 掃查靈敏度設(shè)置

為了充分掃查檢測(cè)區(qū)域,不造成漏檢和誤判,掃查靈敏度不能低于基準(zhǔn)靈敏度,即20%DAC曲線,檢測(cè)橫向缺陷時(shí)增加6 dB,另外還須考慮傳輸補(bǔ)償。

2.8 檢測(cè)系統(tǒng)的校驗(yàn)和復(fù)核

檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性直接影響檢測(cè)結(jié)果的正確性,因此,整個(gè)檢測(cè)實(shí)施過程中都必須保證檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。用不少于3個(gè)點(diǎn)的反射回波對(duì)DAC曲線進(jìn)行復(fù)核,如果曲線上任何一點(diǎn)的波高下降≥2 dB,則應(yīng)對(duì)上一次復(fù)核以來的所有檢測(cè)進(jìn)行復(fù)驗(yàn);如果曲線上任何一點(diǎn)的波高上升≥2 dB,則應(yīng)對(duì)上一次復(fù)核以來的所有記錄信號(hào)進(jìn)行重新評(píng)定。

2.9 檢測(cè)信號(hào)的評(píng)價(jià)

采用DAC曲線并以最高回波為基礎(chǔ),對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià),依據(jù)焊縫坡口形式、焊接工藝、缺陷位置、動(dòng)態(tài)波形等對(duì)缺陷進(jìn)行性質(zhì)估判。具體需要依據(jù)表2來判斷被檢焊縫是否合格。所有缺陷回波,都需要用焊縫1:1剖面圖來表示,以便對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位和性質(zhì)估判。表2和圖8作為一個(gè)檢測(cè)例子。

表2 缺陷記錄表

2.10 質(zhì)量反饋

焊縫無損檢測(cè)是產(chǎn)品加工制作過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。檢測(cè)結(jié)果盡可能反映焊縫內(nèi)部真實(shí)情況,而業(yè)主、與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、監(jiān)造等有關(guān)部門都有可能需要根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來評(píng)價(jià)產(chǎn)品和施工質(zhì)量。因此,有必要加強(qiáng)檢測(cè)結(jié)果信息的溝通。檢測(cè)人員應(yīng)該及時(shí)反饋檢測(cè)結(jié)果,以檢測(cè)速報(bào)、質(zhì)量報(bào)表、檢測(cè)報(bào)告等形式反映被檢焊縫質(zhì)量,便于各方動(dòng)態(tài)控制施工質(zhì)量和調(diào)整施工計(jì)劃。

2.11 返修控制

所有不合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的焊縫,都應(yīng)根據(jù)預(yù)先制定的焊接返修工藝進(jìn)行返修,返修的次數(shù)不宜超過2次。返修后的焊縫應(yīng)根據(jù)原來的檢測(cè)工藝進(jìn)行檢測(cè),并在缺陷部位兩端延伸不少于100 mm的兩段進(jìn)行擴(kuò)檢。

2.12 檢測(cè)資料的管理

檢測(cè)資料能有效記錄檢測(cè)過程和反映工程質(zhì)量狀況。檢測(cè)資料包括申請(qǐng)單、檢測(cè)部位圖、檢測(cè)原始記錄、缺陷分

布示意圖、檢測(cè)報(bào)告和質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表等。檢測(cè)報(bào)告和記錄中應(yīng)明確反映檢測(cè)結(jié)論、人員、設(shè)備、地點(diǎn)、日期、檢測(cè)規(guī)程、驗(yàn)收要求和超標(biāo)缺陷分布示意圖等信息。檢測(cè)資料必須按有關(guān)法規(guī)和合同進(jìn)行存檔管理。

圖8 缺陷定位圖

3 結(jié)論

海洋工程鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波檢測(cè)在某種程度上有別于常規(guī)焊縫檢測(cè),在選擇探頭角度和數(shù)量上有嚴(yán)格要求,這一方面是為了全面掃查到焊縫截面,另一方面是要對(duì)可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行搜索,特別是裂紋、未焊透、未熔合等那些危害性缺陷。根據(jù)焊縫坡口角度,選擇與缺陷取向垂直的聲束方向有利于發(fā)現(xiàn)缺陷。而在檢測(cè)面的選擇上,對(duì)于未焊透和裂紋缺陷應(yīng)盡量采用一次波,對(duì)于邊緣未熔合應(yīng)盡可能使用同側(cè)母材底面一次反射波,這樣得到的缺陷回波信號(hào)會(huì)非常明顯,因而也不至于出現(xiàn)漏檢。另外,焊縫1∶1作圖也是非常重要的工作,通過檢測(cè)記錄回波所有信息(包括波高、位置、回波包絡(luò)圖等),然后反映在焊縫剖面圖上,有助于缺陷定性。

焊縫超聲波檢測(cè)需要大量的專業(yè)理論知識(shí)和豐富的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。由于海洋工程其所處的特殊的環(huán)境,我們更應(yīng)該嚴(yán)格按照檢測(cè)規(guī)范和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)。作為檢測(cè)人員,必須不斷學(xué)習(xí)理論知識(shí)與積累工作經(jīng)驗(yàn),選擇合適的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法,對(duì)缺陷進(jìn)行有效的評(píng)價(jià),以確保產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] DNV海洋工程標(biāo)準(zhǔn)-OS-C401[S].2004.

[2] DNV無損檢測(cè)入級(jí)指導(dǎo)No.7[S].2004.

[3] 鄭暉,林樹青.超聲檢測(cè)[M].北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2008.

[4] JB/T4730-2005,承壓設(shè)備無損檢測(cè)[S].

[5] 吳敏等.船體全焊透 T型結(jié)構(gòu)焊縫的超聲波檢測(cè)[J].無損檢測(cè),2009,31(2):164-166.

Ultrasonic Testing of Marine Engineering Steel Construction Welds

DING Bing
(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute,Shanghai 200032,China)

P751

A

1001-4500(2010)03-0052-05

2009-09-27; 修改稿收到日期:2010-03-29

丁 兵(1973-),男,高級(jí)工程師,從事無損檢測(cè)科研、培訓(xùn)和工程檢測(cè)。