陸銘慧，邵紅亮，劉勛豐，程 俊

（南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

T、K、Y管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越的力學(xué)性能和使用性能，在海洋工程中被廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外主要采用超聲橫波對(duì)此類焊縫進(jìn)行檢測(cè)，即在焊縫支管側(cè)通過(guò)控制探頭使其垂直于焊縫并沿焊縫走向作周向掃查。但在周向焊縫的不同位置上，探頭掃查點(diǎn)處支管上的曲率不一樣，焊縫的截面形狀也隨著位置的不同而連續(xù)變化，甚至在某些位置掃查時(shí)可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)回波而使得難以與缺陷回波進(jìn)行區(qū)分辨別，目前針對(duì)此類焊縫多采用作圖解析法對(duì)缺陷進(jìn)行定位［1］。但作圖解析法對(duì)管結(jié)構(gòu)的原始數(shù)據(jù)依賴過(guò)高，且作圖步驟繁多，工作量大，由于現(xiàn)場(chǎng)工作條件艱苦，因此受人為因素影響較大，一個(gè)環(huán)節(jié)失誤就可能導(dǎo)致定位工作的失敗，所以迫切需要改進(jìn)［2］。文獻(xiàn)［3］推導(dǎo)了TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫各結(jié)構(gòu)參數(shù)相互之間的關(guān)系，建立了聲程修正系數(shù)理論模型，采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的方法，繪制了幾何臨界角與相貫角、相貫角與聲程修正系數(shù)及水平距離修正系數(shù)的關(guān)系曲線，初步對(duì)傳統(tǒng)的缺陷定位方法進(jìn)行改進(jìn)。趙志斌［4］等以管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中最具有代表性的Y型管節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，對(duì)Y型管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了理論推導(dǎo)。筆者在TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫三維數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了管節(jié)點(diǎn)焊縫上任意位置處截面圖的二維平面數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助編程進(jìn)行二維截面圖的繪制，并在管節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了二維截面上的聲束覆蓋模擬和實(shí)施自動(dòng)回波定位方法。

1 計(jì)算機(jī)輔助程序

1.1 TKY截面模型的建立

對(duì)相貫節(jié)點(diǎn)超聲檢測(cè)時(shí)，進(jìn)行缺陷定位的基礎(chǔ)就是得到垂直于焊縫的聲束截面，即過(guò)該點(diǎn)的法平面截得主支管所得的剖面圖。根據(jù)空間幾何知識(shí)很明顯，法平面與主管的內(nèi)、外壁的相交曲線及法平面與支管的內(nèi)、外壁的相交曲線，是兩組同心橢圓曲線。

圖1 管節(jié)點(diǎn)焊縫截面

以二面角為鈍角時(shí)為例：如圖1所示，設(shè)根部間隙為m，焊縫寬度為n；主管橢圓中心點(diǎn)O2；支管橢圓中心點(diǎn)為O1，兩橢圓短軸的夾角λ。以O(shè)1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，支管長(zhǎng)軸方向?yàn)閄軸方向，支管短軸方向?yàn)閅軸，建立平面直角坐標(biāo)系，則支管橢圓方程可表示為：

主管橢圓經(jīng)過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，平移，方程可表示為：

式中：a，b分別為所屬橢圓的長(zhǎng)短軸；（x2，y2）為截主管所得橢圓中心O2點(diǎn)坐標(biāo)；γ為橢圓旋轉(zhuǎn)系數(shù)，根據(jù)橢圓旋轉(zhuǎn)方式不同其取值為±1。

在圖1中，區(qū)域ABCD為焊縫區(qū)域，由根部間隙m，通過(guò)數(shù)值解析算法可以確定A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)值，結(jié)合B點(diǎn)坐標(biāo)和剖口角度可以計(jì)算出C點(diǎn)的坐標(biāo)，以C點(diǎn)為圓心，以焊縫寬度n為半徑作圓，交主管外壁于D點(diǎn)，連接ABCD點(diǎn)即為焊縫模型。實(shí)際進(jìn)行檢測(cè)時(shí)探頭在支管弧段CM間進(jìn)行移動(dòng)。

1.2 相控陣掃查聲束覆蓋模擬

在使用相控陣檢測(cè)TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫時(shí)，為減小或消除檢測(cè)盲區(qū)，需要知道在任意截面上相控陣探頭在不同位置時(shí)聲束覆蓋情況。根據(jù)已給出的焊縫截面圖，截取焊縫及其附近管壁部分作為研究對(duì)象，來(lái)確定相控陣聲束入射路徑。給定帶斜楔相控陣斜探頭及其參數(shù)，設(shè)某一陣元坐標(biāo)為相對(duì)于點(diǎn)O1的坐標(biāo)為E（xE，yE），根據(jù)以下公式可推導(dǎo)出入設(shè)點(diǎn)R 處的坐標(biāo)（xR，yR）：

式中：h表示陣元距離探頭底面高度；k為相控陣探頭底面直線的斜率；α為聲束入射角。

聲束線在支管壁上的折射及反射滿足費(fèi)馬定理和反射定理，單一陣元的聲束路徑如圖2所示。依據(jù)此方法可以模擬出其它角度的聲束輻射路徑，最后各角度的聲束合成可以模擬超聲相控陣在掃查該類工件時(shí)扇掃和線掃的聲場(chǎng)覆蓋效果，通過(guò)改變探頭的位置，可以研究在不通過(guò)掃查位置上相控陣探頭聲束在焊縫區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況，從而為TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫的相控陣檢測(cè)提供理論指導(dǎo)，保證使用最少的掃查次數(shù)能覆蓋到各截面整個(gè)區(qū)域，從而提高檢測(cè)工作效率。

圖2 聲束入射焊縫接頭

在對(duì)發(fā)現(xiàn)可疑回波進(jìn)行定位時(shí)，讀取儀器中反射回波的折射角度β以及聲程，算出入射點(diǎn)R和反射點(diǎn)S點(diǎn)的坐標(biāo)，判斷SR的長(zhǎng)度和聲程的大小關(guān)系，可以確定回該波反射波來(lái)源于一次反射波或二次反射波以及反射點(diǎn)的具體位置，進(jìn)而可以直觀地顯示該回波是否來(lái)自于焊縫區(qū)域。

2 模型應(yīng)用實(shí)例

2.1 模擬試塊的研制加工

試驗(yàn)采用最具代表性的Y型管節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象：材料Q235鋼，橫波聲速為3 233m／s。實(shí)測(cè)主管外徑為910mm，支管外徑為610mm，主支管交叉角度為45°，主管壁厚為25mm，支管壁厚為19mm。焊接完成后進(jìn)行塊分區(qū)并切割。

圖3 試塊實(shí)物及扇掃聲束覆蓋效果

圖3（a）為試驗(yàn)試塊實(shí)物，圖3（b）為A端面?zhèn)鹊穆暿采w效果。在試塊上設(shè)計(jì)了深度均為20mm的兩個(gè)短橫孔，孔徑為φ2mm。以此位置為例進(jìn)行聲束覆蓋仿真，當(dāng)探頭距離焊縫邊緣10mm，扇掃角度35°～68°時(shí)單次掃查就可實(shí)現(xiàn)焊縫該位置截面聲束覆蓋全部，因此將此參數(shù)作為此位置的相控陣掃查參數(shù)，試驗(yàn)表明將管節(jié)點(diǎn)環(huán)焊縫進(jìn)行合理分區(qū)后，每個(gè)區(qū)域內(nèi)使用一組或兩組掃查參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)該分區(qū)內(nèi)焊縫連續(xù)位置的聲束全覆蓋。

使用相控陣儀器進(jìn)行掃查時(shí)，儀器可以自動(dòng)識(shí)別探頭參數(shù)和楔塊參數(shù)，其它參數(shù)根據(jù)實(shí)際工件進(jìn)行設(shè)置，在試塊上相關(guān)位置涂好耦合劑后，移動(dòng)探頭使探頭聲束截面與該位置焊縫垂直，并測(cè)量夾具保持探頭前沿距焊縫支管側(cè)邊緣10mm，如圖3（b）的聲束覆蓋模擬，此時(shí)可以保證在不前后移動(dòng)探頭及更換探頭的情況下，使用相控陣扇掃即可覆蓋該位置的整個(gè)焊縫接頭面，大大減小了檢測(cè)盲區(qū)，提高了檢測(cè)效率。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，將上述數(shù)學(xué)模型編制成相應(yīng)的“輔助定位軟件”，使用該軟件對(duì)試驗(yàn)用試塊進(jìn)行聲束覆蓋以及對(duì)各反射回波進(jìn)行定位。

圖4為E編號(hào)試塊上A側(cè)面附近相控陣儀器掃查圖，在掃查圖上共計(jì)四處回波信號(hào)，表1是各回波信號(hào)的聲程及掃查角度。

圖4 人工孔掃查圖

表1 缺陷掃查結(jié)果

使用“計(jì)算機(jī)輔助定位軟件”，對(duì)圖4掃查結(jié)果的回波信號(hào)1，2，3，4的進(jìn)行定位，如圖5所示，其中w表示反射回波聲程，D表示回波深度。由圖可知：1，2號(hào)回波分別為1號(hào)孔的一次波和二次反射波的相控陣扇掃成像，3號(hào)回波為2號(hào)孔的二次反射回波相控陣成像，4號(hào)回波則為來(lái)自主管內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)反射回波，屬于偽缺陷回波。

圖5 回波信號(hào)定位圖示

表2 缺陷定位誤差分析 mm

如表2為對(duì)A～F編號(hào)試塊上共12組人工模擬缺陷的計(jì)算機(jī)輔助定位結(jié)果與人工缺陷實(shí)際測(cè)量值的對(duì)比，軟件定位結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值最小偏差為0.09mm，幾乎與實(shí)際缺陷位置相符，最大偏差為1.86mm，此誤差值已在海洋平臺(tái)的超聲檢測(cè)缺陷定位誤差可接受范圍內(nèi)，因此使用計(jì)算機(jī)輔助定位在一定程度上可以滿足海平臺(tái)TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲檢測(cè)缺陷定位要求，而且計(jì)算機(jī)輔助的方法比傳統(tǒng)的作圖解析法有更高的定位精度和工作效率。

3 結(jié)論

（1）采用超聲相控陣掃查可以減小管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)盲區(qū)，降低缺陷漏檢率。

（2）使用計(jì)算機(jī)輔助軟件可以繪制管節(jié)點(diǎn)焊縫截面實(shí)際形狀，并模擬相控陣聲束在焊縫區(qū)的覆蓋范圍，有效地指導(dǎo)超聲相控陣檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置。目前該軟件已植入SIUI SUPER型號(hào)超聲相控陣儀器。

（3）計(jì)算機(jī)輔助軟件能夠快速、直觀定位反射回波，比傳統(tǒng)的作圖解析法，具有更高的工作效率和定位精度，并減少人為因素在檢測(cè)工作中的影響。

最終通過(guò)試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，使用計(jì)算機(jī)輔助可以大大改善缺陷定位工作的效率和準(zhǔn)確性。

［1］ 程志虎.T，K，Y管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波探傷第一講技術(shù)特征與影響因素［J］.無(wú)損檢測(cè)，1994，16（8）：234－240.

［2］ 陸銘慧，程俊，邵紅亮，等.計(jì)算機(jī)輔助在TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲相控陣檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.焊接學(xué)報(bào)，2012（4）：49－52.

［3］ 劉興亞，晉青珍，申獻(xiàn)輝.T，K，Y管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波探傷的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算［J］.鋼結(jié)構(gòu)，1998，13（4）：19－23.

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［5］ 施克仁，郭玉岷.超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2010：15－16.

［6］ 周在杞.鋼結(jié)構(gòu)超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008，264－272.

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［8］ 中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所.一種TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)：中國(guó)，200410061194［P］.2005－5－18.

［9］ API RP－2XRecommend Practice for Ultrasonic and Magnetic Examination of Offshore Structural Fabrication and Guidelines for Qualification of Technicians［S］.