丁 兵， 黃燕琳， 徐 鴿， 季漢敏， 李 軍

(上海船舶工藝研究所, 上海 200032)

管材縱向焊縫超聲波檢測缺陷定位方法研究

丁 兵， 黃燕琳， 徐 鴿， 季漢敏， 李 軍

(上海船舶工藝研究所, 上海 200032)

經(jīng)過研究實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)出了圓柱曲面周向橫波檢測缺陷定位的多種方法，適用于不同曲率半徑和不同厚度的工件，用不同角度探頭進(jìn)行超聲波檢測缺陷定位，不但可提高缺陷定位的準(zhǔn)確性，而且操作簡便，提高檢測工作效率，為檢測工作帶來較大方便。

管材縱向焊縫 海洋工程 超聲波檢測

1 引言

管材縱向焊縫超聲波檢測主要采用圓柱曲面周向橫波檢測方法。該方法在海洋油氣工程裝備產(chǎn)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)的制造中大量應(yīng)用，如導(dǎo)管架和平臺拉筋縱焊縫的超聲波檢測均屬于這種情況。由于曲面因素的影響，在缺陷定位時(shí)，此類工件與平板對接焊完全不同。在對此類工件檢測時(shí)，必須根據(jù)缺陷反射信號得到的聲程，并利用取型規(guī)對工件進(jìn)行1∶1焊縫截面取樣，在取樣圖上確定主聲束入射點(diǎn)和入射角，才能完成缺陷的定位。然而在實(shí)際檢測中，由于取樣時(shí)只對工件部分取型，因此在確定取樣圖上的入射點(diǎn)和入射角時(shí)，存在較大的誤差，易產(chǎn)生誤判，甚至漏檢，從而造成檢測質(zhì)量和判定缺陷準(zhǔn)確率的下降。

本文以某海洋平臺實(shí)際工程為例，采用了1∶1焊縫截面取樣、模擬節(jié)點(diǎn)式樣為切入點(diǎn)，對管材縱向焊縫檢測缺陷定位進(jìn)行分析，探索圓柱曲面周向橫波檢測缺陷定位的技術(shù)要點(diǎn)，總結(jié)出便于實(shí)際應(yīng)用的定位方法，為在實(shí)際檢測中的缺陷定位提供便利。

2 項(xiàng)目概況及檢測系統(tǒng)介紹

某自升式海洋鉆井平臺，主要結(jié)構(gòu)包括樁腿、生活樓、直升機(jī)平臺、主船體、井架、懸臂梁、提升機(jī)構(gòu)和吊機(jī)底座等，材質(zhì)為EQ47和EQ56等高強(qiáng)度等級鋼材。在井架及提升機(jī)構(gòu)中，分布著大量的管材焊接部件。焊縫檢測要求需滿足《ABS: 船體焊接無損檢測指導(dǎo)-2011》。超聲波檢測系統(tǒng)包括儀器、探頭、試塊、探頭電纜和耦合劑。在檢測過程中，要求儀器、探頭和探頭電纜匹配良好且性能穩(wěn)定，符合相應(yīng)規(guī)范的要求，同時(shí)滿足必要的檢測靈敏度。

3 圓柱曲面周向橫波檢測缺陷定位的理論依據(jù)

3.1 外圓周向探測

圖1 外圓周向探測

圖中：AC=d(平板工件中缺陷埋藏深度)

BC=dtgβ=Kd=l(平板工件中缺陷水平距離)

AO=R，CO=R-d

從而可得

3.2 內(nèi)壁周向探測

圖2 內(nèi)圓周向探測

圖中：AC=d(平板工件中缺陷埋藏深度)

BC=dtgβ=Kd=l(平板工件中缺陷水平距離)

AO=R，CO=R-d

從而可得

4 圓柱曲面周向橫波檢測缺陷定位方法

4.1 作圖法

利用取型規(guī)對工件被檢部位1∶1取樣作截面圖，根據(jù)探頭已測的前沿距離l0及探頭與焊縫邊緣的位置關(guān)系，找到聲束入射點(diǎn)位置。由于探頭折射角已測定，因此，可根據(jù)儀器顯示的的缺陷聲程來描出缺陷在焊縫中的具體位置，以實(shí)際測量的辦法來確定缺陷的埋藏深度和水平距離，如圖3所示。

圖3 作圖法定位

4.2 兩點(diǎn)定位法

如圖4所示，探頭在焊縫一側(cè)接收到缺陷的最高反射回波，此時(shí)可確定探頭在工件上的入射點(diǎn)。

在焊縫另一側(cè)用同樣的方法確定探頭在工件上的入射點(diǎn)。焊縫兩側(cè)的兩個(gè)入射點(diǎn)的連線中心位置即為缺陷的投影位置。這種方法對于判定根部未焊透類缺陷有較高的可靠性。

圖4 兩點(diǎn)定位法

4.3 計(jì)算法

結(jié)合樁腿齒條板半圓管檢測實(shí)例，取實(shí)物工件一段，設(shè)計(jì)加工了相應(yīng)的對比試塊，運(yùn)用幾何求解方法，推導(dǎo)出定位公式，如圖5所示。

圖5 計(jì)算法定位

推導(dǎo)過程：

(1) 通過缺陷點(diǎn)做外圓半徑R，將其作為求解輔助線；

(2) 由三角形求邊長公式，得

以上兩式為外徑檢測時(shí)的定位公式，當(dāng)在內(nèi)壁檢測時(shí)應(yīng)用以下兩公式：

以上定位公式在實(shí)際檢測中，只需半徑、聲程和入射角度就可以算出缺陷的深度和水平位置，從而對缺陷準(zhǔn)確定位。

5 管材縱向焊縫檢測盲區(qū)

如圖6所示，當(dāng)用橫波外圓周向探測筒體工件時(shí)，對應(yīng)于每一個(gè)確定的K值探頭都有一個(gè)對應(yīng)的最大探測厚度。當(dāng)波束軸線與筒體內(nèi)壁相切時(shí)，對應(yīng)的壁厚為最大探測厚度Tm。當(dāng)工件厚度大于Tm時(shí)，波束軸線將掃查不到內(nèi)壁，造成焊縫根部缺陷的漏檢。

圖6 斜探頭折射角的要求

不同K值探頭最大探測壁厚Tm與工件外徑D之比Tm/D，可由下述方法導(dǎo)出：

探頭的K值愈小，可探測的最大壁厚就愈大；K值愈大，可探測的最大壁厚就愈小。在進(jìn)行管材縱向焊縫檢測前應(yīng)運(yùn)用公式sinβ≤1-2Tm/D來選擇探頭角度，以確保有效探測到焊縫根部缺陷。

6 結(jié)論

通過對管材縱向焊縫進(jìn)行1∶1取樣到運(yùn)用AUTO-CAD軟件進(jìn)行精確分析、計(jì)算，總結(jié)和推導(dǎo)出了切實(shí)有效的定位方法，為實(shí)際檢測工作帶來便利。

在此次研究、分析過程中，我們發(fā)現(xiàn)在焊縫超聲波檢測中，需要大量的專業(yè)理論知識和豐富的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。通過對缺陷的精確定位，可以有助于判斷缺陷的性質(zhì)，如未焊透、未熔合等，其出現(xiàn)位置就比較有規(guī)律性。超聲檢測技術(shù)對缺陷定位方法的研究由于生產(chǎn)發(fā)展的急切需要，尤其是當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展已越來越強(qiáng)調(diào)斷裂力學(xué)的重要性并提出了損傷容限設(shè)計(jì)概念，從而越來越引起人們的注意和重視。海洋工程其所處的特殊環(huán)境，更應(yīng)仔細(xì)判斷缺陷所處的位置，從而切實(shí)按照檢測規(guī)范和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測。

因此，檢測之前對工件進(jìn)行“摸底”非常重要，尤其是繪制掃查圖，這是檢測工作的關(guān)鍵，不僅有利于提高檢測效率，更重要的是可以由掃查圖得到豐富的信息，如探頭如何選擇，如何排除偽缺陷等。作為檢測人員，必須不斷學(xué)習(xí)理論知識與積累工作經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的檢測設(shè)備和檢測方法，對缺陷進(jìn)行有效地評價(jià)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] DNV.海洋工程標(biāo)準(zhǔn) DNV-OS-C401[S].2010.

[2] ABS.船體焊接無損檢測指導(dǎo)[S].2011.

[3] 國家發(fā)展和改革委員會(huì).JB/T4730.1-2005承壓設(shè)備無損檢測[S].2005.

[4] 鄭暉.超聲檢測[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.

Defect Location Approach Based on Ultrasonic Sounding for Pipe Longitudinal Weld

DING Bing, HUANG Yan-lin, XU Ge, JI Han-min, LI Jun

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

Experiments and practices show the several methods to detect the pipe fault location using cylindrical circumferential shear wave. The methods can apply to workpieces with different curve radius and thickness. Detecting fault location with different probe angles can not only improve the accuracy and convenience for operation, but also enhance the work efficiency.

Pipe longitudinal weld Offshore engineering Ultrasonic testing

丁 兵(1973-)，男，高級工程師。

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