黃揚(yáng)雄，林東文，郭志賢（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波檢測(cè)模擬試塊的設(shè)計(jì)與制作

黃揚(yáng)雄，林東文，郭志賢
（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

為推動(dòng)超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在管節(jié)點(diǎn)焊縫上的應(yīng)用，替代傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)，需要在管節(jié)點(diǎn)焊縫模擬試塊上進(jìn)行演示，驗(yàn)證工藝的可行性。而關(guān)于相控陣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)的案例規(guī)范中并無(wú)關(guān)于模擬試塊的制作要求。為了解決該問(wèn)題，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)并制作了典型的Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫模擬試塊，并在試塊上驗(yàn)證了超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)的可行性。

超聲相控陣；模擬試塊；設(shè)計(jì)與制作

1 序 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和新型技術(shù)的廣泛應(yīng)用，檢測(cè)技術(shù)正朝著可視化成像發(fā)展[1]。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)因其獨(dú)有的聲束聚焦特性、快速的掃查能力和清晰、直觀的成像等優(yōu)點(diǎn)引起過(guò)國(guó)內(nèi)外無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的高度重視。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)用較少的換能器及少量的掃查動(dòng)作完成檢測(cè)區(qū)域的全部掃查，并且對(duì)工件內(nèi)部具有非常好的實(shí)時(shí)成像能力，超聲圖像可以提供大量直觀信息，準(zhǔn)確檢測(cè)出工件內(nèi)的缺陷，并確定缺陷位置、大小及性質(zhì)。

管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)常見(jiàn)于大型展覽廳、飛機(jī)場(chǎng)航站樓、運(yùn)動(dòng)體育館、大型會(huì)場(chǎng)以及海洋平臺(tái)等大跨度空間結(jié)構(gòu)中，體積龐大，大多為高空作業(yè)，不便于相控陣檢測(cè)技術(shù)研究，故此需要制作管節(jié)點(diǎn)焊縫模擬試塊。而相關(guān)案例[2]及文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)等并無(wú)關(guān)于管節(jié)點(diǎn)焊縫的制作要求或說(shuō)明，這給推廣超聲相控陣技術(shù)在管節(jié)點(diǎn)焊縫上的應(yīng)用帶來(lái)了困難。筆者結(jié)合實(shí)際，敘述了管節(jié)點(diǎn)焊縫的幾何特征參數(shù)，設(shè)計(jì)制作了管節(jié)點(diǎn)焊縫模擬試塊，用于推廣超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在管節(jié)點(diǎn)焊縫的應(yīng)用。

2 管節(jié)點(diǎn)焊縫的特征參數(shù)

2.1 管節(jié)點(diǎn)焊縫的幾何特征

管節(jié)點(diǎn)主要有T、K、Y三種形式，如圖1（a）所示，其中最具有代表性的是Y型節(jié)點(diǎn)，其焊縫的形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1（b）所示。Y型管節(jié)點(diǎn)的七個(gè)特征參數(shù)：主管外徑di、、支管外徑dn、主管壁厚ti、支管壁厚tn、主支管夾角θ、二面角ψ、坡口角φ。其中前五個(gè)參數(shù)為不變量值，而二面角ψ和坡口角φ則隨焊縫位置不同而連續(xù)變化，并且坡口角φ隨二面角ψ變化而變化，按照標(biāo)準(zhǔn)API RP 2X-2004相關(guān)規(guī)范[3]，坡口角φ可按圖2求得。

圖1 管節(jié)點(diǎn)焊縫形式及Y型管節(jié)點(diǎn)特征參數(shù)

圖2 Y型節(jié)點(diǎn)焊縫坡口參數(shù)

2.2 坡口尺寸及留根

根據(jù)API RP 2X-2004標(biāo)準(zhǔn)，與主管相接的支管端需要開(kāi)坡口，坡口間隙量ω與二面角ψ的關(guān)系如表1所示。

表1 二面角ψ與間隙量ω的關(guān)系

根據(jù)表中給出的間隙量范圍，制作時(shí)按圖3近似求解方法，確定ω值，圖中δ為留根高度（鈍邊），一般取2mm。

圖3 根部間隙的確定

3 試塊規(guī)格設(shè)計(jì)及要求

管節(jié)點(diǎn)焊縫的設(shè)計(jì)規(guī)格，設(shè)計(jì)者根據(jù)結(jié)構(gòu)按照相關(guān)規(guī)范對(duì)鋼管外徑和壁厚進(jìn)行選擇。一般來(lái)說(shuō)，主管直徑di為600～2000mm，壁厚ti 為18～80mm，支管直徑dn為400～900mm，壁厚tn為12～60mm，主支管的夾角θ一般在20°～90°，當(dāng)θ＝90°時(shí)，即為T型節(jié)點(diǎn)。

制備試塊的材料應(yīng)與實(shí)際檢測(cè)工件的基本形式與規(guī)格相同，或與工件的聲學(xué)特性相近,試塊表面光潔度應(yīng)代表工件掃查面的光潔度。實(shí)際工程中，通常從工件上截取試塊材料，以此來(lái)保證試塊材料以及表面靈敏度的一致性。

焊接管節(jié)點(diǎn)的制造是經(jīng)過(guò)卷板，管子縱縫焊接，支管相貫端面的坡口加工（由數(shù)控機(jī)床完成），主支管組裝和相貫線處焊接（手工焊接）等過(guò)程。焊接方法采用手工單面焊接，焊接缺陷的類型與手工焊相同，多為未焊透、未熔合、夾雜和裂紋等。

4 試塊制備

4.1 試塊尺寸設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)試塊尺寸應(yīng)充分考慮檢驗(yàn)工藝的需求，使得探頭在工件上有足夠的掃查區(qū)域。設(shè)計(jì)制作最具代表性的Y型管節(jié)點(diǎn)，材料為Q235鋼，橫波聲速為3233m/s，試塊的參數(shù)如下：Y型管節(jié)點(diǎn)參數(shù)：主管外徑為508mm，壁厚為23mm，管長(zhǎng)800mm；支管外徑為406mm，壁厚19mm，管長(zhǎng)600mm，主支管交叉角度為45°。

4.2 坡口制備與點(diǎn)焊固定

坡口的形式?jīng)Q定了焊縫的形狀，Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫的坡口開(kāi)在支管上，其形狀呈現(xiàn)一條空間的馬鞍形曲線，如圖4所示。對(duì)于這種非平面的坡口形式，需要專用的數(shù)控切割機(jī)完成，機(jī)器內(nèi)部存有多種類型和形式的坡口參數(shù)，工作時(shí)只需選擇相應(yīng)的坡口形式，機(jī)器即可根據(jù)所選坡口類型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)坡口。坡口完成后，需由經(jīng)驗(yàn)豐富的師傅檢查坡口是否符合要求，并對(duì)坡口面進(jìn)行修磨，去除毛刺，坡口規(guī)格達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1[4]的坡口面相關(guān)要求。

點(diǎn)焊固定，將主、支管組對(duì)，并在未準(zhǔn)備埋缺陷處點(diǎn)焊，固定結(jié)構(gòu)。測(cè)量坡口間隙，并至少在各終點(diǎn)處測(cè)量根部間隙，并記錄數(shù)據(jù)以供后面取形參考。

圖4 Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫坡口形式

5 預(yù)埋缺陷方案設(shè)計(jì)

預(yù)埋缺陷位置應(yīng)盡可能的分布在易出現(xiàn)缺陷的區(qū)域，包括：主管側(cè)壁、支管側(cè)壁、根部以及焊縫內(nèi)部區(qū)域。將預(yù)埋缺陷布置在指定位置，預(yù)埋缺陷的類型包括：根部未熔合、根部未焊透、坡口未熔合、夾雜等，裂紋一般不一定做出。布置缺陷的位置要做好記錄，最好拍照保存，每一個(gè)管節(jié)點(diǎn)焊縫的缺陷數(shù)量可根據(jù)自己的實(shí)際情況安排，但要保證缺陷能相互分開(kāi)。預(yù)埋缺陷方案如表2所示。

表2 預(yù)埋缺陷方案

圖5 預(yù)埋缺陷

利用Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫模擬試塊驗(yàn)證相控陣檢測(cè)技術(shù)的可行性，超聲相控陣試驗(yàn)探頭頻率為4MHz，16陣元，陣元間距為0.5mm；楔塊傾角36°，中心陣元高度為10.6mm，聲速為2337m/s，探頭偏轉(zhuǎn)范圍為35°～70°。

利用深度和弧長(zhǎng)兩個(gè)參量來(lái)標(biāo)定缺陷的位置，深度指的是缺陷到支管平面的深度，弧長(zhǎng)是指從Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫的腳尖位置到缺陷所在位置的焊縫長(zhǎng)度。預(yù)埋缺陷在焊接前和焊接后分別進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果如表3所示，Y型管節(jié)點(diǎn)試塊的相控陣檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

6 試塊檢驗(yàn)

試塊焊接完成后，需要對(duì)焊縫表面進(jìn)行處理，打磨出金屬光澤為宜，不應(yīng)有飛濺，銹斑、油漆。

對(duì)制作完成的Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫目視檢測(cè)，焊縫應(yīng)飽滿，無(wú)飛濺，咬邊等明顯缺陷。

對(duì)制作完成的Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫采用超聲波驗(yàn)收，并將檢測(cè)結(jié)果與預(yù)埋方案進(jìn)行對(duì)照，對(duì)不理想處進(jìn)行修補(bǔ)，并把無(wú)預(yù)埋缺陷處超聲波檢測(cè)到的缺陷去除。

采用萬(wàn)能取形規(guī)測(cè)量并畫出各鐘點(diǎn)處的焊縫截面圖，并根據(jù)焊接之前測(cè)量的根部間隙值完善焊縫截面取形圖，結(jié)果精確到1mm。

主管多余處可以切除，既穩(wěn)定又減重。

圖6 Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫試塊

7 相控陣檢測(cè)驗(yàn)證

圖7 Y型管節(jié)點(diǎn)試塊相控陣檢測(cè)結(jié)果

表3給出了Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫模擬試塊在焊接前以及焊接后人工缺陷的測(cè)量結(jié)果，由表3可見(jiàn)焊接過(guò)程導(dǎo)致人工預(yù)埋缺陷的位置發(fā)生了改變，但總體來(lái)看，人工缺陷的位置改變不大，均在可控范圍內(nèi)，不影響檢測(cè)的結(jié)果。圖7給出了模擬試塊的相控陣檢測(cè)結(jié)果，并利用計(jì)算機(jī)輔助定位軟件進(jìn)行定位。從S掃查視圖來(lái)看，缺陷顯示很清楚，結(jié)構(gòu)回波易于區(qū)分，檢測(cè)結(jié)果良好。此外，圖4中還給出了Y型管節(jié)點(diǎn)焊縫的計(jì)算機(jī)輔助定位結(jié)果。

8 結(jié) 論

（1）總結(jié)了管節(jié)點(diǎn)焊縫的特征參數(shù)，并敘述了管節(jié)點(diǎn)焊縫模擬試塊的制作過(guò)程和方法，具有實(shí)際指導(dǎo)性和操作性。

（2）實(shí)際制作的模擬試塊與設(shè)計(jì)方案存在一定的偏差，尤其是預(yù)埋缺陷的位置焊接以后發(fā)生了一定的改變，但均在可控范圍內(nèi)。

（3）通過(guò)模擬試塊能夠有效的驗(yàn)證超聲相控陣技術(shù)對(duì)于管節(jié)點(diǎn)焊縫的檢測(cè)可行性。

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

[2]鐘志民,梅德松.超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè),2002,24(2):69-71.

[3]API RP 2X-2004 第四版.

[4]AWS D1.1-D1.1M-2008 鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范（中文版）.

Design and Manufacture of Simulation Test Block for Weld Pipe Node in Ultrasonic Inspection

HUANG Yang-Xiong, LIN Dong-Wen, GUO Zhi-Xian
(Fujian Boiler & Pressure Vessel Inspection Institute, Zhangzhou Branch Institute.Zhangzhou 363000,Fujian,China)

To accelerate the application of phased array ultrasonic technology in weld pipe joint in lieu of conventional ultrasonic technology, inspection procedure should be demonstrated on a simulation test block to perform acceptability. The Phased array technology standards or the Weld pipe node test case specification cannot guide us how to manufacture the simulation test block in detail. In order to solve the problem mentioned above, simulation test block was designed and manufactured as combined with engineering reality. It showed that with the help of simulation test block, the phased array ultrasonic technology is feasible for the weld pipe node joints.

Ultrasonic phased array; Simulation test block; Design and manufacture

2015-01-20

黃揚(yáng)雄，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，分院院長(zhǎng)，高級(jí)工程師，碩士
林東文，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，科室主任，高級(jí)工程師
郭志賢，男，福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，檢驗(yàn)員，工程師