簡(jiǎn)添福，潘文超，陸銘慧，鄭志忠

（1.福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，漳州 363000；2.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063）

鋼結(jié)構(gòu)由于其具有強(qiáng)度高、韌性好、剛度大、占地空間少、外觀優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，在建筑行業(yè)及海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著陸地上石油資源的枯竭，人們把眼光瞄向了深海。而深海石油的開采，需要建立大量的海上平臺(tái)，平臺(tái)的支撐部分多為管管焊接相連。將支管的一端焊接在主管上，這種結(jié)構(gòu)形式稱為管節(jié)點(diǎn)焊縫。又根據(jù)主、支管之間的夾角大小可將其分為T 型、K 型、Y 型三種形式，如圖1。由于海洋平臺(tái)常年遭受海水侵蝕、浮冰和潮汐沖擊的作用，所以其安全性顯得尤為重要［1］，對(duì)海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)物的無損檢測(cè)也就十分必要。目前，對(duì)于TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)主要存在以下問題。

（1）檢測(cè)方法單一，目前廣泛采用的是常規(guī)超聲檢測(cè)方法。通常參考美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API RP 2X－2004，采用45°、60°、70°三種角度的探頭對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫結(jié)構(gòu)示意

（2）檢測(cè)效率低下，一個(gè)操作熟練的檢測(cè)人員，采用常規(guī)超聲的方法檢測(cè)一個(gè)TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫，大概需要一個(gè)上午的時(shí)間。

筆者綜述了TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲檢測(cè)的發(fā)展概況，介紹了適用于TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲檢測(cè)的各種方法，并對(duì)TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法概述

TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)，主要是發(fā)現(xiàn)并定位主支管連接處焊縫區(qū)域內(nèi)存在的不連續(xù)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要有三種：磁粉檢測(cè)（MT）、射線檢測(cè)（RT）以及超聲波檢測(cè)（UT）。由于管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)多為高空作業(yè)，且呈相貫線形式的焊縫結(jié)構(gòu)，使得射線檢測(cè)的實(shí)施存在極大的局限性。目前，管節(jié)點(diǎn)焊縫主要采用超聲波方法檢測(cè)，而磁粉檢測(cè)常作為輔助手段使用。

常用的超聲檢測(cè)方法是脈沖反射法，其原理為：探頭向工件中發(fā)射脈沖超聲波，當(dāng)聲波遇到缺陷時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、散射等作用，反射回來的聲波被探頭接收，根據(jù)接收到的超聲波對(duì)工件質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)多采用常規(guī)超聲檢測(cè)方法，但由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，常規(guī)超聲檢測(cè)方法仍存在較多檢測(cè)難點(diǎn)，如反射波識(shí)別困難，存在檢測(cè)盲區(qū)，檢測(cè)工作效率低等問題。其中最主要的難點(diǎn)是反射回波的定位問題。目前，多采用“里波反射法”和“作圖解析—定位法”對(duì)反射回波進(jìn)行定位。

關(guān)于利用超聲脈沖反射法對(duì)TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)的問題，1994年中國(guó)船級(jí)社的程志虎博士在“TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波探傷系列講座”［2］中作了較為詳細(xì)的討論，同時(shí)提出了針對(duì)這種特殊結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)的未來研究方向，主要包括：制訂符合我國(guó)自身特點(diǎn)的工藝標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收準(zhǔn)則；開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和作圖的軟件；研制新型的專用超聲檢測(cè)設(shè)備和換能器等。

2 超聲檢測(cè)新方法

2.1 相貫線焊縫數(shù)學(xué)模型的建立

TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照標(biāo)準(zhǔn)組裝的該類工件有規(guī)則的空間數(shù)學(xué)模型，相貫線焊縫的數(shù)學(xué)模型可由主支管內(nèi)外壁的相交相貫線方程給出。冶金部建筑研究總院的劉興亞［3］等通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立了T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫各結(jié)構(gòu)參數(shù)的相互關(guān)系，并采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，繪制幾何臨界角與相貫角、聲程修正系數(shù)及水平距離修正系數(shù)與相貫角和偏角的關(guān)系曲線，為TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波檢測(cè)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。1999年天津大學(xué)的王萍［4］等根據(jù)TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了焊縫及其任意定點(diǎn)截面的數(shù)學(xué)模型，并給出其算法，實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)對(duì)缺陷的準(zhǔn)確、快速定位，大大降低人為因素對(duì)缺陷定位的影響和操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用

隨著新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，超聲相控陣技術(shù)也逐步應(yīng)用于現(xiàn)代無損檢測(cè)工作中。海油工程檢驗(yàn)公司2001年從加拿大R／D tech公司引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，并在東方H 油田開發(fā)項(xiàng)目海底管線鋪設(shè)中得到了成功應(yīng)用，由此開啟了超聲相控陣技術(shù)在管道類工件中的應(yīng)用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的單寶華博士［5］等人，針對(duì)管節(jié)點(diǎn)焊縫結(jié)合相控陣技術(shù)研制了管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲相控陣檢測(cè)成像系統(tǒng)，在超聲相控陣基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了聲束角度可控和動(dòng)態(tài)聚焦，其檢測(cè)的精確性、重現(xiàn)性及檢測(cè)結(jié)果的可靠性均高于傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和直觀性得到了增強(qiáng)。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郝廣平［6］等開發(fā)了應(yīng)用于管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)的超聲相控陣掃查器，而且還給出了掃查器與管節(jié)點(diǎn)之間的位姿關(guān)系，并計(jì)算了探頭坐標(biāo)系、焊縫坐標(biāo)系和掃查器基座坐標(biāo)系之間的位姿矩陣，為掃查器的控制提供了理論依據(jù)。中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所程建政等人申請(qǐng)了“一種管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲檢測(cè)機(jī)械掃描裝置”［7］和“一種TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)”［8］兩項(xiàng)專利。

2.3 TOFD技術(shù)的應(yīng)用

衍射時(shí)差法（Time of Flight Diffraction，TOFD）是一種依靠超聲波與缺陷端部相互作用發(fā)出的衍射波來檢出缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行定量的檢測(cè)技術(shù)。目前，TOFD主要應(yīng)用于母材厚度大于12mm 的平板焊縫或直徑較大的環(huán)焊縫的檢測(cè)。對(duì)于焊縫形狀為空間馬鞍形的TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫，焊縫方向的變化限制了TOFD技術(shù)的應(yīng)用；其次，焊縫兩側(cè)分別為主管和支管，耦合面為曲面，探頭耦合困難；同時(shí)，焊縫的可操作區(qū)域較小，掃查架放置困難。此外，TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)多為高空作業(yè)，增加了危險(xiǎn)性，同時(shí)降低了檢測(cè)效率，這對(duì)于檢測(cè)工作來說是不利的。

2.4 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在超聲相控陣檢測(cè)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù)。其通過利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和高效的圖形處理能力，輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析，以模擬的理想結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際的工作。對(duì)于TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)問題，人們借助CAD技術(shù)，通過建立其空間數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到焊縫截面二維輪廓，然后根據(jù)反射回波聲程和實(shí)際檢測(cè)角度實(shí)現(xiàn)缺陷的快速定位。例如，海洋石油工程股份有限公司檢驗(yàn)公司先后與天津大學(xué)和東南大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了針對(duì)TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)的專用定位輔助軟件，并將軟件植入超聲檢測(cè)儀器當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了缺陷的檢測(cè)定位。值得一提的是，南京航空航天大學(xué)的趙志斌等［9］討論了典型的Y 型管節(jié)點(diǎn)焊縫的數(shù)學(xué)模型，提出了一種在鋼結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)中確定焊縫內(nèi)部缺陷位置的新方法。2012年，南昌航空大學(xué)的程俊等人［10］在已有工作的基礎(chǔ)上，研制了一套“TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫相控陣檢測(cè)輔助定位”軟件，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的超聲相控陣聲束覆蓋模擬及焊縫缺陷定位等功能，并在此后將該軟件植入汕頭超聲儀器研究所有限公司研發(fā)的SUPOR 系列型號(hào)超聲相控陣檢測(cè)儀中。目前該系統(tǒng)已成功運(yùn)用于TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)工作中。

2.5 TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫的力學(xué)分析

海洋平臺(tái)中的管節(jié)點(diǎn)由于長(zhǎng)期承受循環(huán)載荷而容易在焊縫處產(chǎn)生疲勞表面裂紋。對(duì)包含表面裂紋的管節(jié)點(diǎn)的殘余壽命的評(píng)估依賴于對(duì)表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的準(zhǔn)確估算，因此，國(guó)內(nèi)外不少專家學(xué)者針對(duì)管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的有限元分析。煙臺(tái)大學(xué)的邵永波等［11］提出了KK 節(jié)點(diǎn)中表面裂紋的有限元網(wǎng)格產(chǎn)生方法，然后采用線彈性斷裂力學(xué)理論，通過裂紋前緣的位移外推插值法分析了KK 節(jié)點(diǎn)在軸向力作用下沿著表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子的分布情況。最后，通過對(duì)22個(gè)KK 節(jié)點(diǎn)的模型分析，研究了管節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)和裂紋形狀參數(shù)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響情況。

3 無損檢測(cè)方法的展望

3.1 自動(dòng)化成像檢測(cè)技術(shù)

在現(xiàn)代無損檢測(cè)技術(shù)中，超聲成像技術(shù)［12］是一種令人矚目的新技術(shù)，它集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)采集技術(shù)和圖像處理技術(shù)于一體，生成的直觀的超聲圖像可記錄豐富的信息，直接地反映物體的聲學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)代超聲成像技術(shù)大多具有自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)，具有檢測(cè)的一致性好，可靠性、復(fù)現(xiàn)性高等優(yōu)點(diǎn)；其對(duì)存儲(chǔ)的檢測(cè)結(jié)果可進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，并可對(duì)歷次檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)比較，以對(duì)缺陷做動(dòng)態(tài)檢測(cè)。因此，該技術(shù)的應(yīng)用，必將成為無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2 專家系統(tǒng)的應(yīng)用

專家系統(tǒng)是一種具有特定領(lǐng)域內(nèi)大量知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的程序系統(tǒng)，它應(yīng)用人工智能技術(shù)來模擬專家的思維過程以求解領(lǐng)域內(nèi)的各種問題，其水平可以達(dá)到甚至超過專家的水平。

在海洋工程無損檢測(cè)行業(yè)有許多技術(shù)高明的專家，他們?cè)谶@一領(lǐng)域具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如果把對(duì)TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)集中起來，并在計(jì)算機(jī)中形成知識(shí)庫(kù)，然后再把專家們運(yùn)用這些知識(shí)判斷缺陷的思維過程編成程序構(gòu)成推理機(jī)，使得計(jì)算機(jī)能像人類專家那樣對(duì)缺陷信號(hào)進(jìn)行判斷，則這樣的程序就是一個(gè)專家系統(tǒng)。類似的應(yīng)用，如自1968年美國(guó)的費(fèi)根鮑姆研制成功第一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)學(xué)專家系統(tǒng)DEN－DRAL 以來，專家系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)獲得了迅速發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療診斷、圖像處理、石油化工、地質(zhì)勘探、金融決策以及軍事等領(lǐng)域。

圖2為一個(gè)三段結(jié)構(gòu)的人工智能系統(tǒng)，其可幫助對(duì)超聲檢測(cè)（UT）應(yīng)用并不熟練的操作人員選擇最好的檢測(cè)方法、技術(shù)去解決所遇到的問題，該系統(tǒng)被稱為超聲UT顧問，可為咨詢者提供咨詢服務(wù)。該專家系統(tǒng)由3個(gè)部分組成：超聲檢測(cè)（UT）方法和技術(shù)庫(kù)，UT方法和技術(shù)優(yōu)先順序的排列，各類專家系統(tǒng)。

4 結(jié)語

TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫由于其復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，常規(guī)的超聲波檢測(cè)難以有效地對(duì)該類結(jié)構(gòu)件進(jìn)行快速準(zhǔn)確地檢測(cè)，隨著新型檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)工藝的發(fā)展和應(yīng)用，新的技術(shù)，如超聲相控陣成像檢測(cè)、自動(dòng)化檢測(cè)、專家系統(tǒng)等技術(shù)的應(yīng)用將大大提高檢測(cè)效率和可靠性，減少人為因素造成的誤差，推動(dòng)超聲無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。

［1］程志虎.TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波探傷——第一講：概述［J］.無損檢測(cè)，1994，16（8）：27－33.

［2］程志虎.“TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波探傷系列講座”刊后語［J］.無損檢測(cè)，1995，3（17）：86－87.

［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.

［4］王萍，程道超，林孔元，等.TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫缺陷定位的研究［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，32（4）：459－462.

［5］單寶華，歐進(jìn)萍.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)［J］.焊接學(xué)報(bào)，2004，25（6）：35－37.

［6］郝廣平，鄧宗全.相控陣探頭掃查器檢測(cè)管節(jié)點(diǎn)焊縫的位姿［J］.焊接學(xué)報(bào)，2006，27（2）：23－26.

［7］程建政，宋玉玲.一種管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲檢測(cè)機(jī)械掃描裝置：中國(guó)，CN1624470［P］.2005－06－08.

［8］程建政，宋玉玲，張旸，等.一種TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)：中國(guó)，CN1616961［P］.2005－05－18.

［9］趙志斌.Y 型管節(jié)點(diǎn)的超聲檢測(cè)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2006.

［10］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（33）：45－49.

［11］邵永波，杜之富，胡維東.海洋平臺(tái)中KK 管節(jié)點(diǎn)表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的有限元計(jì)算方法［J］.船舶力學(xué)，2008，12（2）：82－90.

［12］施克仁.無損檢測(cè)新技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.