路寶學(xué)

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

半圓板與齒條板焊縫超聲檢測技術(shù)

路寶學(xué)

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

通過建立數(shù)學(xué)函數(shù)及利用MATALB軟件建立圖表，研究不同探頭對(duì)自升式平臺(tái)樁腿半圓板與齒條板焊縫的超聲波檢測情況，明確不同角度探頭的聲束掃查覆蓋范圍，確定掃查截面范圍的重合區(qū)域。結(jié)果表明，半圓板與齒條板焊縫的不同位置需要采用不同角度的探頭聯(lián)合進(jìn)行掃查，為檢測類似形狀工件提供了一種可行的方法。

自升式平臺(tái)；超聲波檢測；半圓板與齒條板；聲束覆蓋

0 前言

自升式鉆井平臺(tái)又稱甲板升降式或樁腿式平臺(tái)，這種平臺(tái)一般由平臺(tái)本體（或稱浮體）、升降裝置和樁腿（一般3～4個(gè)） 等部件組成。自升式海洋平臺(tái)服役過程中，所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，臺(tái)風(fēng)、海浪、海流、海冰和潮汐、海底地震等都對(duì)平臺(tái)的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，由半圓板與齒條板焊接而成的樁腿承受載荷較大，因此對(duì)半圓板與齒條板焊縫焊接質(zhì)量的要求也較高，需進(jìn)行100%的超聲波檢測。由于半圓板壁厚，且坡口形式復(fù)雜，焊縫并非是全焊透的情況，受幾何條件影響，超聲波檢測的難度較大，其主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面受幾何條件影響，單一探頭不能全部覆蓋整個(gè)焊縫掃查區(qū)域；另一方面由于檢測面為圓弧面，用平試塊調(diào)節(jié)儀器時(shí)，應(yīng)對(duì)深度、水平顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，不能直接讀取儀器上的數(shù)據(jù)，而需用直尺確定位置來判斷回波信號(hào)是否在焊縫中，所以造成缺陷判斷及定位存在困難。本文從焊縫節(jié)點(diǎn)的幾何形狀入手，在作圖法的基礎(chǔ)之上，運(yùn)用里波法原理，通過數(shù)學(xué)函數(shù)，借助計(jì)算機(jī)MATLAB軟件，繪制函數(shù)曲線，建立圖表，明確不同角度探頭的掃查范圍，正確選擇探頭，提高探傷效率。

1 試件結(jié)構(gòu)形式

由某廠建造的R550D自升式鉆井平臺(tái)，樁腿采用桁架式結(jié)構(gòu)，其半圓板、齒條板均采用超高強(qiáng)度鋼，半圓板厚度為82 mm，半徑254 mm，齒條板厚度為177.8 mm，半圓板與齒條板焊縫結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 半圓板與齒條板焊縫結(jié)構(gòu)圖

2 探頭聲束掃查焊縫截面的覆蓋情況

半圓板與齒條板焊縫采用橫波探頭進(jìn)行檢測，選用的超聲波探頭需要保證能夠掃查到整個(gè)焊縫截面，以避免出現(xiàn)漏檢的情況。由于該構(gòu)件的坡口形式較為特殊，需要通過計(jì)算明確45°、60°、70°探頭掃查區(qū)域的情況。這里通過建立平面坐標(biāo)系來討論聲束的覆蓋情況。

2.1 平面坐標(biāo)系的建立

以半圓板的圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)O（X=0，Y= 0），以齒條板為X軸，以垂直齒條板方向?yàn)閅軸，建立坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 平面坐標(biāo)系

參數(shù)設(shè)定：設(shè)入射點(diǎn)為I，折射角為β，焊縫的輪廓點(diǎn)為C、F、D、E，其中圓弧CE為半圓板圓弧的延伸線，聲束IB與OE（X軸）的夾角為γ，法線IO與齒條板OE的夾角為θ。

根據(jù)半圓板已知參數(shù)半徑R=254 mm，T=82 mm，焊縫坡口角度為30°，可以得出坐標(biāo)：O（0，0），C（251，35），D（207，0），E（254，0）。

2.2 建立函數(shù)關(guān)系計(jì)算掃查范圍

假設(shè)入射波IB的聲程為

則有

k=tan(γ)=tan(θ+β)

將I點(diǎn)坐標(biāo)（Rcosθ，Rsinθ）代入方程進(jìn)行計(jì)算，可得到

b=Rsin(θ)-Rcos(θ)tan(θ+β)入射波主聲束IB的方程可寫為

可以利用方程計(jì)算出主聲束與兩側(cè)坡口的交點(diǎn)。對(duì)于45°探頭，β=45°，聲束與半圓板側(cè)坡口面CF交點(diǎn)為A點(diǎn)，與齒條板（X軸）交于B點(diǎn)，計(jì)算出A點(diǎn)和B點(diǎn)的極限坐標(biāo)值即可得出聲束的掃查范圍。

由于坡口角度為 30°，且 C點(diǎn)的坐標(biāo)（252，35），坡口面CF的方程為

由式（2）、（3）可得出A點(diǎn)的X坐標(biāo)為

將入射角β=45°代入式（4），利用計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)軟件MATLAB可以繪制出探頭位置角θ與XA之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 45°探頭入射點(diǎn)位置角θ與XA之間的關(guān)系

從圖3可以得出，當(dāng)采用45°探頭，且θ= 42.95°時(shí)，XA的最小值為179，由于F點(diǎn)坐標(biāo)（X=207，Y=27），即XA

同理，可以計(jì)算出60°探頭的A點(diǎn)最小值X=219；70°探頭的A點(diǎn)最小值X=237，可見60°和70°探頭無法掃查到A點(diǎn)。

利用上述方法，通過OE的方程可以計(jì)算出3種角度探頭的B點(diǎn)的極值為

通過計(jì)算可得到，45°、60°、70°B點(diǎn)坐標(biāo)X的最小值與其A點(diǎn)坐標(biāo)X的最小值近似相等。這是因?yàn)槊糠N角度探頭在移動(dòng)過程中聲束的掃查范圍是一個(gè)環(huán)形，兩側(cè)坡口與此環(huán)形內(nèi)圓的交點(diǎn)即為A、B點(diǎn)的極限值，由于坡口的間距遠(yuǎn)小于掃查環(huán)形的內(nèi)徑，所以可以將A、B點(diǎn)的極值與橫坐標(biāo)近似相等。

3 結(jié)果與分析

如圖4所示，45°探頭的掃查區(qū)域情況是探頭在1號(hào)～2號(hào)位置，一次波能夠進(jìn)入焊縫中，能掃查到焊縫根部，2號(hào)～3號(hào)位置主聲束無法進(jìn)入焊縫區(qū)域，3號(hào)～4號(hào)區(qū)域因聲程較長，且主聲束貼近內(nèi)壁，聲束擴(kuò)散的聲波會(huì)產(chǎn)生一定干擾，不利于缺陷判斷，所以不建議用于掃查；60°和70°探頭由于XA>XF，不能掃查到焊縫根部。此外，由于70°探頭聲束貼近外壁，聲束擴(kuò)散引起的干擾同樣也不利于缺陷的判斷，所以選擇60°探頭掃查焊縫上部區(qū)域。

采用45°探頭和60°探頭聯(lián)合掃查焊縫截面時(shí)，掃查區(qū)應(yīng)存在疊加才能保證掃查到整個(gè)截面。只要探頭移動(dòng)合適的距離，60°探頭可以掃查到整個(gè)焊縫上部截面，比較60°探頭掃查到最大深度時(shí)與45°探頭在位置1時(shí)（探頭所能達(dá)到的最前端）的A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)就可以得出聲束是否滿足全覆蓋條件。

圖4 45°探頭的掃查范圍

常用的45°探頭前沿為8 mm，按設(shè)計(jì)圖紙焊縫寬度35.3 mm，可以計(jì)算出θmin角度為

代入式（4）、（5），得出45°、60°、70°探頭對(duì)應(yīng)的A、B坐標(biāo)，可以畫出45°、60°、70°聲束的掃查截面范圍及重合區(qū)域，如圖5、6、7、8所示。

圖5 45°聲束的掃查截面范圍

圖6 60°聲束的掃查截面范圍

圖7 70°聲束的掃查截面范圍

圖8 45°、60°、70°聲束的掃查截面范圍重合區(qū)域

4 結(jié)論

通過建立函數(shù)關(guān)系計(jì)算出超聲波的聲束與半圓板和齒條板焦點(diǎn)的極限坐標(biāo)方程。利用MATALB軟件建立圖表后可以得出不同探頭的掃查范圍，確定掃查截面范圍的重合區(qū)域。

半圓板與齒條板焊縫超聲檢測應(yīng)該采用不同角度的探頭聯(lián)合進(jìn)行掃查，確定45°探頭主要掃查焊縫根部、60°探頭主要掃查焊縫中部及上部、70°探頭主要輔助檢驗(yàn)焊縫上部缺陷。

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［責(zé)任編輯：劉 月］

The Welding Seam Ultrasonic Testing Technology of Semicircular Plate and Gear Rack Plate

LU Baoxue
(Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China)

Through mathematical functions establishment and graph drawing by MATALB software,the researcher studies on different probes'ultrasonic testing case on jack up platform spud leg semicircular plate and gear rack plate welding seam,clears the acoustic beam coverage of different angle probes and identifies the overlap regions of scanning section.The results show,the different welding seam positions of semicircular plate and gear rack plate need to be scanned by different angle probes jointly,to provide a feasible method for similar shape workpiece detection.

jack up platform;ultrasonic testing;semicircular plate and gear rack plate;acoustic beam coverage

TG115.28+5

A

2095-5928（2014）06-32-04

2014-08-25

路寶學(xué)（1982-），男，遼寧葫蘆島人，講師，學(xué)士，研究方向：材料成型與檢測。