劉貴吉 李鵬頻 甘志云 周兆鴻

(海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520)

鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代工業(yè)中占有重要地位，更是海洋石油行業(yè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起到十分重要的作用。鋼結(jié)構(gòu)在建造焊接過程中受到各種因素的影響，難免產(chǎn)生各種缺陷，甚至是裂紋等危害性較大的缺陷，若在建造過程中不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并將其移除，將可能發(fā)生重大突發(fā)事件，甚至危及生命安全。因此，無損檢測(cè)在建造環(huán)節(jié)中尤為重要，目前常用的無損檢測(cè)方法有：射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)等，而超聲波檢測(cè)由于其效率高、靈敏度高、無輻射無污染等優(yōu)點(diǎn)，在海洋鋼結(jié)構(gòu)的建造中得到廣泛的應(yīng)用。

1 超聲波檢測(cè)基礎(chǔ)

超聲檢測(cè)是指超聲波與工件相互作用，就反射、透射和散射波進(jìn)行研究，對(duì)工件進(jìn)行宏觀缺陷檢測(cè)、幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測(cè)和表征，并進(jìn)而對(duì)其特定應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。

1.1 超聲波檢測(cè)原理

利用超聲波對(duì)材料中的宏觀缺陷進(jìn)行探測(cè)，依據(jù)的是超聲波在材料中傳播時(shí)的一些特性，如：聲波在通過材料時(shí)能量會(huì)有損失，在遇到兩種介質(zhì)的分界時(shí)，會(huì)發(fā)生反射等等，其工作原理是：

1）用某種方式向被檢試件中引入或激勵(lì)超聲波；

2）超聲波在試件中傳播并與其中的物體相互作用，其傳播的方向或特征會(huì)被改變；

3）改變后的超聲波又通過檢測(cè)設(shè)備被檢測(cè)到，并可對(duì)其處理和分析；

4）根據(jù)接收的超聲波的特征評(píng)估試件本身及其內(nèi)部存在的缺陷特征。

通常用以發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)估的基本信息為：

1）來自材料內(nèi)部各種不連續(xù)的反射信號(hào)的存在及其幅值；

2）入射信號(hào)與接收信號(hào)之間的傳播時(shí)間；

3）聲波通過材料以后能量的衰減。

圖1 超聲檢測(cè)示意圖

1.2 超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)和局限性

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

與其他無損檢測(cè)方法相比，超聲檢測(cè)方法的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）適用于金屬、非金屬、復(fù)合材料等多種材料的無損評(píng)價(jià)。

（2）穿透能力強(qiáng)，可對(duì)較大厚度范圍的試件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，可進(jìn)行整個(gè)試件體積的掃查。

（3）靈敏度高，可檢測(cè)到材料內(nèi)部很小的缺陷。

（4）可較準(zhǔn)確的測(cè)出缺陷的深度位置，這在很多情況下世十分必要的。

（5）設(shè)備輕便，對(duì)人體和環(huán)境無害，可作現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

1.2.2 局限性

（1）由于縱波脈沖反射法存在盲區(qū)，和缺陷取向?qū)z測(cè)靈敏度的影響，對(duì)位于表面和近表面的某些缺陷常常難以檢測(cè)。

（2）試件形狀的復(fù)雜性，如不規(guī)則形狀，小曲率半徑等，對(duì)超聲波檢測(cè)的課實(shí)施性有較大影響。

（3）材料的某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如晶粒度，非均勻性等，會(huì)使靈敏度和信噪比變差。

2 橫向裂紋檢驗(yàn)

橫向裂紋不僅給生產(chǎn)帶來困難，而且可能帶來災(zāi)難性的事故。裂紋焊接中最危險(xiǎn)的缺陷之一，他嚴(yán)重削弱了工件的承載能力和腐蝕能力，即使不太嚴(yán)重的裂紋，由于使用過程中造成應(yīng)力集中，成為各種斷裂的斷裂源。正因?yàn)榱鸭y有如此大的危害性，像JB/T 4730,GB 11345，AWS D1.1,API RP 2X等國(guó)內(nèi)外各大標(biāo)準(zhǔn)中都有 “裂紋不可接受”等類似描述。而超聲波檢測(cè)對(duì)缺陷性質(zhì)判定沒有射線檢測(cè)直觀，如果檢測(cè)方法不當(dāng)?shù)仍蛟斐蓹M向裂紋的漏檢或誤判，其都有不良結(jié)果：若把其他缺陷判為橫向裂紋造成不必要的返修，進(jìn)而影響材料韌性等性能；把裂紋判為點(diǎn)狀缺陷放過，則工程就存在較大的安全隱患。所以正確選擇探測(cè)方法和對(duì)回波特性分析，對(duì)橫向裂紋的超聲波檢測(cè)尤為重要。

2.1 探頭角度的選擇

縱波直探頭：橫向裂紋屬面狀缺陷，一般和探測(cè)面垂直，而0°直探頭適用于發(fā)現(xiàn)與探測(cè)面平行的缺陷，所以直探頭不能有效的探測(cè)出橫向裂紋。

橫波斜探頭：對(duì)同一缺陷，70°和60°探頭聲程較大，聲波能量由于被吸收和散射造成衰減嚴(yán)重，尤其只在檢測(cè)母材厚度較大的焊縫時(shí)，回波高度較低，對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷波和波形分析不利，進(jìn)而影響是否為橫向裂紋的判定。而45°探頭具有聲束集中、聲程短衰減小，聲壓往復(fù)透射率高的特點(diǎn)，所以選用45°探頭具有良好的效果。圖2是70°，60°和45°探頭在相同的基準(zhǔn)靈敏度的前提下，對(duì)同一橫向裂紋的回波比較：

圖2 70°，60°和45°探頭對(duì)同一橫向裂紋的回波

2.2 橫向裂紋的掃查

圖3 焊縫UT掃查方式平面圖

常見的焊接缺陷（如夾渣、未熔合、未焊透等）大多與焊縫軸線平行或接近平行，或以點(diǎn)狀形式存在，針對(duì)這種情況，綜合使用圖3中的方式A、方式B和方式C即可,但該三種掃查方式對(duì)橫向裂紋等與焊縫軸線垂直（與聲束方向平行）的橫向缺陷無回波顯示，即無法被檢出。為能有效探出焊縫橫向裂紋應(yīng)盡可能使聲束盡可能平行于焊縫?？捎萌缦聨追N掃查方式探測(cè)橫向裂紋：

2.2.1 騎縫掃查

如果焊縫較平滑或焊縫加強(qiáng)高已經(jīng)打磨處理，探頭“騎”在焊縫上探測(cè)是檢查橫向裂紋的極為有效的方法，可采用在焊縫上直接掃查的方式，如圖3方式D所示。

2.2.2 斜平行掃查

若焊縫表面較為粗糙且不宜進(jìn)行打磨處理，為探測(cè)出焊縫中的橫向裂紋,可用探頭與焊縫軸線成一個(gè)小角度或以平行于焊縫軸線方向移動(dòng)掃查，如圖3方式E所示。

2.2.3 用雙探頭橫跨焊縫掃查法

將兩個(gè)斜探頭放在焊縫兩側(cè),組成一發(fā)一收裝置，此時(shí)若焊縫中有橫向裂紋，發(fā)射的超聲波經(jīng)反射后會(huì)被接收探頭接收從而檢出缺陷，如圖4所示。

圖4 雙探頭橫跨焊縫掃查法

該三種方法各有特點(diǎn)，斜平行掃查操作簡(jiǎn)單、效率高、焊縫無需處理、耦合較好，但由于聲束方向與裂紋不能完全垂直而造成靈敏度不高；雙探頭橫跨焊縫掃查法操作精度要求高困難大、效率不高；騎縫掃查對(duì)焊縫表面要求較高，對(duì)埋弧焊或其他焊接方法但焊縫表面進(jìn)過處理的焊縫，表面相對(duì)較平滑，能夠有效的耦合，該方法較為直接，且效率高，靈敏度高，所以在很多情況下“騎縫掃查”是首選。

2.3 掃查靈敏度

按照各項(xiàng)目業(yè)主所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

3 橫向裂紋的判別

根據(jù)形狀，我們把缺陷分為點(diǎn)狀缺陷、線狀缺陷和面狀缺陷(裂紋、未熔合)。顯然，反射體形狀不同，超聲波反射特性必然存在一定的差異，反過來，通過分析反射波、缺陷位置、焊接工藝等信息，就可以推測(cè)缺陷的性質(zhì)。

橫向裂紋具有較強(qiáng)的方向性，當(dāng)聲束與裂紋垂直時(shí)，回波高度較大，波峰尖銳，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，聲束與裂紋角度變化，聲束能量被大量反射至其他位置而無法被探頭接收，回波高度急劇下降，這一特性是判定橫向裂紋的主要依據(jù)。

檢測(cè)過程中橫向裂紋的判別可以按以下步驟：

1）在掃查靈敏度下將探頭放在的焊縫縫上掃查（參考2.2節(jié)掃查方式）；

2）發(fā)現(xiàn)橫向顯示后，找到最高波，確定是否為缺陷回波；

3）定缺陷回波后，定出缺陷的具體位置，并在焊縫上做出標(biāo)記；

4）探頭圍繞缺陷位置做環(huán)繞掃查（如圖5所示）；

圖5 環(huán)繞掃查示意圖

圖6 動(dòng)態(tài)波形圖1

環(huán)繞掃查時(shí)回波高度基本相同，變化幅值不大，其動(dòng)態(tài)波形如圖6所示，則可以判定其為點(diǎn)狀缺陷；若環(huán)繞掃查時(shí)其動(dòng)態(tài)波形如圖7或圖8所示，結(jié)合靜態(tài)波形，可判斷為橫向裂紋，在條件允許的情況下可用同樣的方法到焊縫背面掃查確認(rèn)。

圖7 動(dòng)態(tài)波形圖2

圖8 動(dòng)態(tài)波形圖3

5）若條件允許可打磨到裂紋深度，借助磁粉檢驗(yàn)（MT）進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖9 橫向裂紋MT驗(yàn)證

4 結(jié)論

超聲波探傷是檢出焊縫橫向裂紋的有效手段，尤其是厚壁焊縫，射線檢測(cè)靈敏度下降，難以發(fā)現(xiàn)其中的橫向裂紋。用超聲波檢測(cè)方法，選擇正確的參數(shù)、合適的掃查方式，掌握橫向裂紋的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)波形特點(diǎn)，能夠有效的判別橫向裂紋，這已舉措已經(jīng)在海洋石油工程的各個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，并多次準(zhǔn)確成功檢測(cè)出橫向裂紋，保證了多項(xiàng)工程質(zhì)量。

［1］API RP 2X-2004海上結(jié)構(gòu)制造超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)推薦作法及無損檢測(cè)人員技術(shù)資格鑒定指南[S].

［2］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.

［3］AWS D1.1-D1.1M-2010 鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].

［4］GB11345-89鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)[S].