楊 光,王 猛,馬海濱,張富春,賈劉仁

(海洋石油工程股份有限公司,天津300452)

海洋鋼結(jié)構(gòu)用TMCP鋼焊縫的超聲波檢測(cè)

楊 光,王 猛,馬海濱,張富春,賈劉仁

(海洋石油工程股份有限公司,天津300452)

TMCP(熱機(jī)械控制工藝)鋼在軋制過(guò)程中,TMCP工藝對(duì)材料晶粒會(huì)造成影響,導(dǎo)致鋼材聲學(xué)性能發(fā)生變化。介紹了TMCP鋼對(duì)焊縫超聲波檢測(cè)造成的影響,并通過(guò)制作TMCP鋼超聲波對(duì)比試塊、校準(zhǔn)超聲波設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用三個(gè)方面來(lái)解決TMCP鋼對(duì)焊縫超聲波檢測(cè)造成的影響,達(dá)到對(duì)焊縫缺陷的準(zhǔn)確檢測(cè)。

TMCP鋼;TMCP對(duì)比試塊;聲速和折射角修正

TMCP(Thermo Mechanical Control Process,熱機(jī)械控制工藝)就是在熱軋過(guò)程中,在控制加熱溫度、軋制溫度和壓下量的基礎(chǔ)上,再實(shí)施空冷或控制冷卻的技術(shù)。TMCP工藝是當(dāng)今高性能鋼材的主要生產(chǎn)手段,是提高鋼的強(qiáng)度和韌性的一種控制工藝技術(shù)。中國(guó)海洋石油資源的開發(fā)逐漸向深海域推移,由于環(huán)境更加嚴(yán)酷,在海洋鋼結(jié)構(gòu)建造中對(duì)鋼材的屈服強(qiáng)度和韌性要求更高,并且要求對(duì)大厚度鋼板進(jìn)行CTOD(裂紋尖端張開位移)試驗(yàn)[1]。筆者通過(guò)制作TMCP鋼超聲波對(duì)比試塊、校準(zhǔn)超聲波設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)TMCP鋼焊縫進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 TMCP工藝對(duì)超聲波檢測(cè)的影響

由于TMCP鋼在軋制過(guò)程中,鋼板晶粒在軋制方向上呈長(zhǎng)條狀,從而導(dǎo)致TCMP鋼呈各向異性,同時(shí)晶粒的細(xì)化也會(huì)對(duì)鋼材聲學(xué)性能造成很大影響。根據(jù)API RP 2X標(biāo)準(zhǔn)Recommended Practice for Ultrasonic and Magnetic Examination of Offshore Structural Fabrication and Guidelines for Qualification of Technicians,通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)試塊IIW (參見(jiàn)API RP 2X中第7.3.5.2節(jié)),對(duì)45°,60°,70°三個(gè)超聲波探頭的前沿距離、折射角度及系統(tǒng)聲程進(jìn)行了校準(zhǔn)。使用校準(zhǔn)后的超聲波檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)預(yù)埋在TMCP鋼板中的圓通孔深度進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn),實(shí)際孔深為18.8,30,60 mm,檢測(cè)結(jié)果及偏差如表1所示。根據(jù)圓通孔反射的最大回波和探頭位置測(cè)定探頭實(shí)際折射角度,并和根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試塊IIW測(cè)定的折射角度進(jìn)行對(duì)比,斜探頭折射角在TMCP鋼中的實(shí)際角度及偏差如表2所示。表中L表示TMCP鋼軋制方向,T表示垂直于TMCP鋼軋制方向。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)預(yù)埋缺陷的深度定位時(shí),如果不對(duì)TMCP鋼進(jìn)行專門校準(zhǔn),最大偏差可達(dá)16%,斜探頭橫波折射角最大偏差可達(dá)3.6%,兩項(xiàng)誤差遠(yuǎn)超正常偏差允許范圍,如果不對(duì)超聲波設(shè)備進(jìn)行專門調(diào)節(jié),會(huì)極大地影響現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)精度,造成漏檢、錯(cuò)檢。

總體來(lái)說(shuō),TMCP工藝對(duì)鋼材聲學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在:①軋制方向L和垂直于軋制方向T的材料聲學(xué)性能顯著不同;②超聲波在TMCP鋼材中的聲速發(fā)生變化;③ 超聲波斜探頭折射角度在TMCP鋼材中發(fā)生變化。

表1 使用試塊IIW校準(zhǔn)后超聲波系統(tǒng)對(duì)TMCP鋼缺陷深度的檢測(cè)結(jié)果及偏差

表2 斜探頭折射角在TMCP鋼中的實(shí)際角度及偏差

2 TMCP鋼對(duì)超聲波檢測(cè)影響的修正

2.1 TMCP對(duì)比試塊制作

根據(jù)上述試驗(yàn),由普通碳鋼調(diào)試校準(zhǔn)的超聲檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)TMCP鋼進(jìn)行有效檢測(cè)。為了準(zhǔn)確地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),必須使用TMCP鋼材制作試塊對(duì)超聲檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。依據(jù)TMCP軋制原理,以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鋼板的切割及使用方向,TMCP鋼對(duì)比試塊需要制作軋制方向L和垂直于軋制方向T兩種規(guī)格。對(duì)于實(shí)際鋼板各種厚度,均需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼板進(jìn)行L和T方向切割。切割前根據(jù)API 2W《美國(guó)石油協(xié)會(huì)海洋結(jié)構(gòu)用熱機(jī)械控軋鋼板標(biāo)準(zhǔn)》要求對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行縱波直探頭檢測(cè),以確保母材沒(méi)有夾層類缺陷。

針對(duì)工程項(xiàng)目中超聲波驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)大多使用API RP 2X A級(jí)標(biāo)準(zhǔn),試塊制作依據(jù)API RP 2X第7.10.1節(jié)的推薦要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。TMCP試塊設(shè)計(jì)如圖1所示,圖中T為厚度。

圖1 TMCP對(duì)比試塊設(shè)計(jì)示意

2.2 超聲波設(shè)備校準(zhǔn)

超聲波設(shè)備校準(zhǔn)的核心內(nèi)容就是確定探頭的前沿距離、折射角度、被測(cè)材料中的橫波聲速。通過(guò)確定以上參數(shù)就可以利用超聲波設(shè)備準(zhǔn)確地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)。

(1)探頭前沿距離的確定

由于探頭前沿距離只涉及到最高反射波的確定,所以依然可以使用試塊IIW進(jìn)行測(cè)定。在IIW試塊上找到最高反射波,根據(jù)試塊圓弧面半徑和探頭位置進(jìn)行讀數(shù)即可獲得探頭前沿距離。

圖2 探頭前沿距離的確定示意

(2)探頭折射角的確定

使用同規(guī)格同角度的兩個(gè)探頭,前沿分別為L(zhǎng)1和L2,在制作好的厚度為T的TMCP對(duì)比試塊上找到一次底波的最高回波,記錄探頭之間的水平距離L0,探頭發(fā)射-接收聲程示意如圖3所示[2]。

根據(jù)幾何關(guān)系可以得出探頭折射角公式:

圖3 探頭發(fā)射-接收聲程示意

或者可以通過(guò)單探頭對(duì)TMCP對(duì)比試塊中孔深為T′的φ1.6 mm的孔進(jìn)行檢測(cè),找到最高波后記錄探頭前沿′L1和探頭到孔的水平距離′L0,探頭檢測(cè)圓通孔聲程示意如圖4所示。

圖4 探頭檢測(cè)圓通孔聲程示意

根據(jù)幾何關(guān)系可以得出:

(3)TMCP鋼中的橫波聲速的確定

首先根據(jù)試塊IIW測(cè)得探頭在普通碳鋼中的折射角β0和聲速Cs0,根據(jù)折射定律:

可以得出TMCP鋼中的橫波聲速:

(4)DAC曲線的制作

將探頭前沿距離、探頭折射角度和在TMCP鋼中的橫波聲速輸入到超聲波檢測(cè)儀中,使用制作好的TMCP對(duì)比試塊,根據(jù)API RP 2X標(biāo)準(zhǔn)第7.9.3節(jié)進(jìn)行DAC曲線的制作。

2.3 修正測(cè)試試驗(yàn)

根據(jù)2.2節(jié)中的校準(zhǔn)方法通過(guò)TMCP對(duì)比試塊對(duì)章節(jié)1.1中的45°,60°,70°三個(gè)超聲波探頭的前沿距離、折射角度及系統(tǒng)聲程進(jìn)行校準(zhǔn),并再次對(duì)預(yù)埋在TMCP鋼板中的圓通孔深度進(jìn)行檢測(cè)。使用TMCP對(duì)比試塊校準(zhǔn)后的超聲波系統(tǒng)對(duì)缺陷深度檢測(cè)結(jié)果及偏差如表3所示。從結(jié)果看出深度偏差由最大16%降至2.7%,平均深度偏差由1.8 mm降至0.4 mm,滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)精度要求。

表3 使用TMCP對(duì)比試塊校準(zhǔn)后的超聲波系統(tǒng)對(duì)缺陷深度檢測(cè)結(jié)果及偏差

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在調(diào)試好儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí),需要注意對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊縫的方向性進(jìn)行判斷,以免使用錯(cuò)誤的DAC曲線進(jìn)行檢測(cè)。判斷的方法為:使用兩個(gè)同規(guī)格同角度探頭一發(fā)一收跨焊道和平行于焊道進(jìn)行兩次測(cè)試,找到一次底波的最高回波,確定探頭間距,探頭間距較長(zhǎng)的方向?yàn)門MCP軋制方向,探頭間距較短的方向?yàn)榇怪庇赥MCP軋制方向,最后找到預(yù)先調(diào)試好的同方向DAC通道進(jìn)行超聲波檢測(cè);或者也可以簡(jiǎn)單通過(guò)分別使用L與T兩個(gè)方向的DAC通道對(duì)端部進(jìn)行板厚檢測(cè),根據(jù)顯示的板厚結(jié)果確定軋制方向。

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了TMCP鋼對(duì)超聲波檢測(cè)造成的影響,以及如何制作TMCP對(duì)比試塊和調(diào)試超聲波設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)際操作時(shí)容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析解答。對(duì)廣泛應(yīng)用于海洋鋼結(jié)構(gòu)中的TMCP鋼進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí),需要在檢測(cè)前進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試才能使檢測(cè)結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確,從而保障工程的焊接質(zhì)量。

[1] 宋立新,石繼程,田建鋒.淺談TMCP鋼在近海工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)造船,2010(2):292-296.

[2] 尹潤(rùn)朋,王賀.TMCP鋼中聲速與折射角的修正[J].無(wú)損檢測(cè),2012,34(8):44-46.

Ultrasonic Testing for TMCP Steel Weld in Offshore Steel Structure

YANG Guang,WANG Meng,MA Hai-bin,ZHANG Fu-chun,JIA Liu-ren
(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China)

TMCP steel is widely used in offshore steel structures at present as its well strength and toughness.The acoustic property of TMCP steel is changed because of the grain size variation during the rolling process.This article introduces the influence to ultrasonic testing by TMCP technology,and also suggests the solution to amend the influence to achieve the accurate inspection for weld seam.The solution is based on the three ways,such as making the TMCP reference block,the calibration of ultrasonic equipment and adjusting in field application.

TMCP steel;TMCP reference block;Correction of sound velocity and refraction angle

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0032-03

10.11973/wsjc201701008

2016-04-22

楊 光(1983－),男,碩士,工程師,主要從事海洋石油工程無(wú)損檢測(cè)工作。

楊 光,E-mail:yangguang3＠m(xù)ail.cooec.com.cn。