超聲波檢驗(yàn)TKY型管節(jié)點(diǎn)工藝

超聲波檢驗(yàn)TKY型管節(jié)點(diǎn)焊縫的操作工藝邢樹宏（中國海油工程檢驗(yàn)公司）摘要：本文重點(diǎn)介紹了超聲波檢驗(yàn)TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫的工藝要點(diǎn)。眾所周知丁KY管接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)是海洋工程最重要和最常見結(jié)構(gòu)形式，而且它在鋼結(jié)構(gòu)的焊縫中也是最為復(fù)雜，其焊縫截面形狀是隨相貫點(diǎn)位置不同而變化，因而難以使用射線照相法進(jìn)行檢測。目前國內(nèi)外主要采用手動超聲波探傷方法進(jìn)行檢驗(yàn)。在TKY管接節(jié)點(diǎn)焊縫手動超聲波探傷的過程中，由于TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫截面形狀隨兩面角變化而變化、半跨聲程也隨其表現(xiàn)出很大的差異同時(shí)它還會波及探頭的接觸面積減小或由于曲率效應(yīng)而使得回波高度下降等狀況，無疑使超聲波檢驗(yàn)中的缺陷定位和定量及缺陷尺寸評定更加困難。使用K值探頭及應(yīng)用水平距離或深度定位等傳統(tǒng)的超聲波檢驗(yàn)技術(shù)，無法滿足檢驗(yàn)TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫的基本要求。采用“作圖解析法”---缺陷定位、“修正補(bǔ)償法”---缺陷定量、“波束邊界法或最大振幅法、振幅比較法”---評定缺陷尺寸等為主要內(nèi)容的超聲波檢驗(yàn)新技術(shù)，是檢驗(yàn)TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫的有效方法。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在海洋工程及其他大型結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)中。關(guān)鍵詞：TKY型管焊縫作圖解析法定位法波束邊界定量法引言:在海洋工程建造中，眾多鋼管間的連接多為TKY結(jié)構(gòu)。針對TKT型管焊縫的質(zhì)量檢驗(yàn)，普遍采用手動超聲波檢測。由于在不斷變化的曲面上進(jìn)行超聲波檢測，其焊縫截面形狀也不斷變化，半跨距聲程表現(xiàn)很大的差異。因此，無法套用平板對接焊縫常用的缺陷定位、定量技術(shù)。該類焊縫缺陷的定位、定量的基本手段則是“作圖解析法---定位”，“修正補(bǔ)償法---定量”。另外，包括諸如缺陷三維尺寸的評定、TKY管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)焊縫的跟部間隙予留、定位基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)定、DAC曲線的制作等都是手動超聲波檢驗(yàn)TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫不可缺少重要內(nèi)容。1、作圖解析一定位法的原理作圖解析-定位法，即當(dāng)檢驗(yàn)員認(rèn)為有必要對缺陷進(jìn)行定位時(shí)，借助于萬能取型規(guī)（或橡皮泥）獲取焊縫外型，按1:1的比例將其復(fù)制在紙上，然后再用萬能取型規(guī)和其他制圖工具按實(shí)測主、支管厚度及其焊縫跟部間隙、留根高度及坡口角，將缺陷所處的焊縫剖面圖補(bǔ)充完整，最后按探頭入射點(diǎn)到焊縫邊沿距離Y、實(shí)測折射角。及熒光屏上出現(xiàn)的最高反射波的聲程W，畫出模擬聲束傳播路線，以完成焊縫的缺陷定位。這就是作圖解析一定位法原理。1.1作圖解析一定位法的操作程序1.1.1主、支管預(yù)留根部間隙的確定在作圖解析定位操作中，畫主、支管根部預(yù)留間隙的大與小直接影響到剖面圖上的支管坡口角度的大小，若偏差較大時(shí)將導(dǎo)致其與原焊縫及焊縫根部凸出部位的形狀不符，將會增大分析根部缺陷的難度更甚者還會造成根部缺陷誤判。因此，在作圖解析定位操作中必須按實(shí)際情況合理地預(yù)留主、支管間根部間隙顯得極為重要。確定主、支管豫留根部間隙的方法有兩種供選擇。按組對后的實(shí)測數(shù)據(jù)由QC人員在檢查組對時(shí)，經(jīng)測量后把組對預(yù)留間隙超標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)記在主管不易磨去的位置；無超標(biāo)的不做標(biāo)記。超聲波檢驗(yàn)操作人員作檢驗(yàn)前應(yīng)仔細(xì)觀察焊口附近有無組對間隙超標(biāo)標(biāo)記。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)標(biāo)記時(shí)，應(yīng)按其數(shù)值作圖，在無標(biāo)記處則按規(guī)范規(guī)定的間隙量畫圖。按組對前的標(biāo)記在支管組對前應(yīng)修整坡口，超聲波檢驗(yàn)員應(yīng)以適當(dāng)?shù)臄?shù)值在支管圓周做處標(biāo)記，當(dāng)做剖面圖時(shí)，按此標(biāo)記量出確定支管底面坡口的位置：見圖-1圖-1支管底面坡口的位置的標(biāo)

圖-2取樣操作示意圖圖-2取樣操作示意圖主管焊前組對時(shí)的實(shí)際情況，重要的節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用第②種方法。1.1.2“取樣一一作剖面圖”操作順序:①取樣操作:在Y型焊縫上缺陷波反射最高處用萬能取形規(guī)取樣見圖-2②用萬能取形規(guī)在工件上取樣效果參見圖-3圖-3取樣效果復(fù)制軌跡：（將萬能型規(guī)上的軌跡復(fù)制到紙上）參見圖-4圖-4主、支管及焊縫外型之軌跡補(bǔ)圖操作延長主管表面軌跡線參見圖-5圖-5延長主管表面軌跡補(bǔ)圖操作按主管的厚度進(jìn)行補(bǔ)圖參見圖-6補(bǔ)圖操作按支管的厚度進(jìn)行補(bǔ)圖參見圖-7補(bǔ)圖操作按主、支管間預(yù)留組對間隙畫焊縫坡口線后即完成焊縫剖面圖參見圖-81.2“摸擬定位”操作順序圖：在焊縫剖面圖上按照斜探頭入射點(diǎn)到焊縫邊沿的實(shí)測距離Y確定探頭位置，參見圖-9圖-9確定探頭位置在縫剖面圖上按照斜探頭實(shí)測折射角e及聲程距離w畫出模擬聲波的傳播路線以確定反射體的深度位置“D”。參見圖-10圖-10確定反射體的深度位置“D”1.3手工作圖解析定位法的五要素：（一） 必須選擇聲程定位方式調(diào)整超聲波探傷儀器。（二） 取樣時(shí)型規(guī)一定要與焊縫垂直；（三） 一個(gè)缺陷至少要做一幅剖面圖，且應(yīng)在缺陷最高反射處取樣;（四） 補(bǔ)圖操作時(shí)一定按原取樣位置量取主、支管曲率；（五） 摸擬定位操作時(shí)所采用相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)應(yīng)是實(shí)際測量數(shù)據(jù)。1.5基準(zhǔn)點(diǎn)的確定:在管狀TKY型焊縫進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)中，焊縫缺陷需要多個(gè)數(shù)據(jù)描述，如：缺陷的長度、深度，另外還應(yīng)描述這個(gè)缺陷在整條焊縫所處的位置。為此還需要設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)。1.5.1管狀T型焊縫缺陷定位基準(zhǔn)點(diǎn)的確定方法：T型焊縫是指主、支管夾角為90度的焊縫。把面對T型焊縫（斜探頭探測焊縫方向）時(shí)支管與主管上組對工藝線垂直相交點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)“a”點(diǎn)，“c”點(diǎn)。如圖-11所示：1.5.2管狀Y型（K型）焊縫缺陷定位基準(zhǔn)點(diǎn)的確定方法:如圖-12所示1.5.3TKY型管狀焊縫缺陷定位基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量確定的基本原則T型焊縫可定4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，也可定兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，因?yàn)門型焊縫可按支管直徑四等分，而Y（K）型焊縫不可等分，因此，把基準(zhǔn)點(diǎn)a和C兩個(gè)點(diǎn)均定在主管的工藝線上，操作性強(qiáng)且準(zhǔn)確。用這種方法定基準(zhǔn)點(diǎn)也為使用微機(jī)輔助做焊逢缺陷定位分析打下了基礎(chǔ)。只設(shè)兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)測量X值時(shí)，由于其距離大可能遇到困難，但是，在兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)附近的缺陷，測量乂值時(shí)只要按示意圖所示方向用“+”“-”X值就很方便。2操作修正補(bǔ)償定量法斜探頭在支管上垂直于橢圓焊縫掃查時(shí)，支管的曲率越大，探頭與探測面接觸面積越小，甚至是線或點(diǎn)接觸，此時(shí)不僅探頭聲學(xué)特性變化，更重要的是耦合不良，聲能損失大，使回波幅度下降。另一方面根據(jù)聲反射的理論，聲波透射到底面，由于底面呈凸面，使反射聲束發(fā)散聲壓下降，同樣使回波幅度下降。為改善接觸條件，應(yīng)盡量采用小尺寸探頭，同時(shí)調(diào)整靈敏度時(shí)應(yīng)作因曲率及、材質(zhì)、厚度、耦合劑等不同差異引起的補(bǔ)償。1操作修正補(bǔ)償操作的準(zhǔn)備儀器要調(diào)整適當(dāng)?shù)穆暢谭秶罢{(diào)雙探頭檔。用兩個(gè)實(shí)測折射角接近的探頭兩折射角差別應(yīng)小于0.5°選擇對比試塊的厚度應(yīng)與工件厚度尺寸至少小1/3。耦合劑：在對比試塊上操作時(shí)應(yīng)用機(jī)油（為了保護(hù)對試塊）在工件上用甘油或CMC溶液。2.2操作修正的操作順序方框圖:見圖-13圖-13操作修正的操作順序方框圖對比試塊上掃查在對比試塊上掃查畫波峰連線在工件上掃查對比差值乙dB操作修正補(bǔ)償值2.3操作修正的點(diǎn)數(shù)：Y型（K型）應(yīng)在支管整個(gè)圓周不同曲率的位置選4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行操作修正。其補(bǔ)償數(shù)值（AdB）應(yīng)是這四點(diǎn)的平均值。T型焊縫應(yīng)選兩個(gè)點(diǎn)的平均值。按管徑、厚度的不同分別做操作修正。并填寫操作修正報(bào)告?zhèn)浒?。DAC曲線的制作：見圖-14-1圖-14-1制作DAC曲線時(shí)的探頭掃查順序儀器測定范圍的調(diào)整：TKY管狀焊縫：全跨距的1.5倍對比試塊厚度的選擇應(yīng)等于或接近探測母材厚度。制作方法如圖T4T、圖-14-2所示：80% \\400%DACCIlli I圖-14-2制作DAC曲對制作使用DAC曲線的基本要求每條DAC曲線最少測定4個(gè)點(diǎn)。每組DAC曲線應(yīng)包括100%、50%及200%在內(nèi)的三條曲線。每一個(gè)探頭角度及不同的測定范圍各做一組DAC曲線，且不能混用。每次探傷前應(yīng)重新校核DAC曲線。5.TKY管狀焊縫缺陷評定對于確定反射體的尺寸已發(fā)明了幾種方法，很遺憾，盡管這些方法對于平板和管子對接焊縫結(jié)果是令人滿意的，但是在管狀結(jié)構(gòu)TKY焊縫的檢驗(yàn)中沒有一種方法能產(chǎn)生絕對準(zhǔn)確的結(jié)果，鑒于此API標(biāo)準(zhǔn)《海上結(jié)構(gòu)建造的超聲波檢驗(yàn)推薦作法和超聲技師資格考核指南》中推薦了三種在確定缺陷尺寸方面有效的方法用于結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，它們是：波束邊界法最大振幅法振幅比較法5.1波束邊界法應(yīng)用波束邊界法評定TKY管狀焊縫缺陷尺寸，首先應(yīng)測定斜探頭橫波波束的有效邊界。圖-15波束擴(kuò)散示意圖

測定斜探頭橫波波束的有效邊界應(yīng)包括兩方面的內(nèi)容：水平擴(kuò)散的有效邊界和垂直擴(kuò)散的有效邊界。5.1.1測定波束水平擴(kuò)散①所用試塊：IOW試塊如圖16所示圖16IOW試塊示意圖②測定方法如圖17所示圖示20db探頭AW位JE20db探頭AW位JE探頭Miftt圖17水平擴(kuò)散及屏幕顯示示意圖工|s 口％1xJi——I.1測定順序：⑴將超聲波儀器的測定范圍調(diào)整到200mm；⑵將斜探頭置IOW試塊于A1位置（圖-17）。當(dāng)掃查橫孔a的反射波達(dá)到最高后調(diào)整儀器靈敏度，使其波高至熒光屏的某個(gè)高度（如全刻度的50%）后記錄其聲程W數(shù)據(jù)。⑶增加靈敏度20dB⑷向（a2方向）移動探頭直至熒光屏上的反射振幅回到原來的高度上（即全刻度的50%）止，測量、并記錄試塊邊緣A1到探頭中心線距離（L2）。表1斜探頭波束水平擴(kuò)散測定記錄No.孔深聲程L2H/2=L2-22 H=2（L2-22）TOC\o"1-5"\h\za 13b 19c 25d 32d 43c 50b 56a 62⑸用公式（1）計(jì)算出波束水平擴(kuò)散寬度H。⑹按照測定順序中（1）~（5）做法分別測定IOW試塊上a~d孔⑺把上述所測數(shù)據(jù)記錄到表1中。

⑻按表1中的數(shù)據(jù)繪制W-H擴(kuò)散圖見圖18所示n ，， > , —H」_ W120 110JOO90 B0 70 的 5° 40 3Q 20 W圖18W-H擴(kuò)散圖（水平擴(kuò)散）5.1.2測定斜探頭波束的垂直擴(kuò)散㈠測定斜探頭波束垂直擴(kuò)散的數(shù)據(jù)測定波束水平擴(kuò)散所用試塊與4.1.1⑴相同測定方法：如圖19所示，測定IOW試塊上a-d每個(gè)橫孔的波束垂直擴(kuò)散。圖19垂直擴(kuò)散的測定方法及災(zāi)光屏顯示測定順序：⑴調(diào)整超聲波儀器聲程定位1：2的范圍⑵把斜探頭置IOW試塊于C位置附近并前后移動，當(dāng)橫孔反射波達(dá)到最高后調(diào)整儀器靈敏度，使其波高至熒光屏的某個(gè)高度（如全刻度的50%），測量、記錄水平距離YC及聲程WC數(shù)據(jù)。⑶增加20dB靈敏度。⑷向A方向移動探頭當(dāng)反射波高降到50%時(shí)之止，測量、記錄水平距離Ya及聲程Wa數(shù)據(jù)。⑸向B方向移動探頭當(dāng)反射波高降到50%時(shí)之止，測量、記錄水平距離Yb及聲程Wb數(shù)據(jù)。⑹按照上述順序分別測定a?d橫孔，記錄各組數(shù)據(jù)并填寫到表2中。表2斜探頭波束垂直擴(kuò)散測定記錄:⑴如圖6所示，按探頭的實(shí)測折射角畫出主聲束線WC。c 25d 32d 43c 50繪制斜探頭波束垂直擴(kuò)散圖的步驟⑴按圖-20所示，并按IOW試塊上a?d等8個(gè)橫孔的孔深以1：1的方式標(biāo)在主聲束線WC上。標(biāo)注點(diǎn)的編號分別是a、b、c、d、d、c,過各標(biāo)注點(diǎn)作探傷面的水平線。

⑵按圖-20所示，并按IOW試塊上a?d等8個(gè)橫孔的孔深以1：1的方式標(biāo)在主聲束線W「上。標(biāo)注點(diǎn)的編號分別是a、b、c、d、d、c,過各標(biāo)注點(diǎn)作探C傷面的水平線。圖-20繪制斜探頭波束垂直擴(kuò)散圖的步驟⑶在a-13水平線上以a點(diǎn)為圓心，在圓心的右側(cè)以X=Yc-Ya（表2中孔深為13mm時(shí)的水平距離記錄）為半徑作標(biāo)記點(diǎn)a'。⑷的二丫丁丫。為半徑作另一標(biāo)記點(diǎn)a''。⑸按⑶-⑷所敘述方法分別畫出b-c…各點(diǎn)所對應(yīng)的b'-c'…和b''-c''…標(biāo)記點(diǎn)。⑹分別用直線連接各標(biāo)注點(diǎn)并延伸到聲波入射界面。⑺整理圖6后，用量角尺測量聲束有效邊界Wb的折射角度為68o；聲束有效邊界Wa的折射角度為52o；主聲束％的折射角為61o（見圖21）。圖2160o斜探頭20dB波束有效邊界實(shí)測圖圖21所示內(nèi)容：編號為04655,60o斜探頭的20dB波束有效邊界實(shí)測效果圖。5.1.3應(yīng)用波束有效邊界法測定缺陷的三維數(shù)據(jù)（一）應(yīng)用波束的水平擴(kuò)散的有效邊界測定缺陷的指示長度（20dB測長法）。（1）采用4.1.1④測定順序中的操作方法測定焊縫中缺陷的指示長度見圖22。（2）在“波束水平擴(kuò)散（W-H）圖”上，查出按缺陷反射波的聲程所對應(yīng)的H數(shù)據(jù)。按下式計(jì)算出缺陷的實(shí)際指示長度L。（1）L=S-（H/2+H/2）（1）其中L為缺陷的指示長度S為探頭移動距離H為探頭水平擴(kuò)散中的寬度值圖22圖2220dB測長法操作示意圖（二）應(yīng)用波束的垂直擴(kuò)散測定缺陷的自身高度及相關(guān)數(shù)據(jù)Ay⑴采用4.1.2中③的測定順序中操作方法測定焊縫中缺陷的自身高度見圖23圖23應(yīng)用波束的垂直擴(kuò)散有效邊界測定缺陷（1）按圖23示意圖計(jì)算焊縫中缺陷的自身（垂直）高度TOC\o"1-5"\h\zAd=dB-dA （2）（2） 該缺陷的參考數(shù)據(jù)△y=（MN2-△d2）i/2 （3）（MN的長度是在1：1焊縫剖面圖上測量的數(shù)據(jù)）（3） 該缺陷與探傷面傾斜角度甲ip=tan-i（△d/△y） （4）5.2最大振幅法5.2.1利用超聲波波束最大振幅確定反射體的自身高度Adf最大振幅法是利用超聲波波束中最大能量集中在聲束中心線很窄的范圍內(nèi)這一事實(shí)，利用這一特點(diǎn)用與波束邊界相同的操作使反射波達(dá)最大，向前移動探頭直至反射波剛好從峰值開始下降，這一點(diǎn)應(yīng)為反射體的頂點(diǎn)。底邊的確定是向后移動探頭，直至反射波開始下降。測量每次的聲程和前后探頭的表面距離，在工件1：1截面圖上可確定出反射體的自身高度△df。參見圖23圖24應(yīng)用最大振幅法測定缺陷的自身高度按圖24示意圖計(jì)算焊縫中缺陷的自身（垂直）高度△df=D下-D上（5）5.2.2利用最大振幅法確定反射體的長度反射體長度的確定是通過平行于反射體移動探頭直至最大波幅開始下降。反射體長度有位于起始和末尾的探頭中心線之間的距離確定。5.3振幅比較法振幅比較法就是將缺陷產(chǎn)生的振幅與對比試塊上人工反射體產(chǎn)生的振幅在儀器屏幕上進(jìn)行比較。如果振幅相等，聲程也相等，那么認(rèn)為聲波所截取的這兩個(gè)反射體的面積相等。由于焊接缺陷一般平行于焊縫長度，應(yīng)準(zhǔn)備各種寬度和長度的人工反射體以便在掃查中與被檢缺陷進(jìn)行比較。首先由其他方法確定出缺陷未知長度，然后選擇適當(dāng)長度的人工反射體再進(jìn)行振幅比較。5.3.1對比試塊及人工反射體的選擇API-RP-2X標(biāo)準(zhǔn)中要求用于C級檢查的對比試塊應(yīng)含有與最小不合格缺陷相應(yīng)的平面形反射體。該試塊應(yīng)含有一個(gè)1.6X1.6mm的方形槽和適合于45。、600、和7。。探頭方位的V形槽及一個(gè)＜p1.6X38mm平底孔。5.3.2制作人工反射體的距離-振幅校正曲線因?yàn)榉瓷潴w的振幅隨著距離的增大而減小，因此需要作一條距離-振幅校正曲線（DAC）。特別是當(dāng)未知反射體和基準(zhǔn)反射體在熒光屏水平刻度的不同位置時(shí)，可用這條線比較反射體的大小。需要作數(shù)條不同類型和不同長度人工反射體的距離-振幅校正曲線。該曲線的制作方法與本文介紹的“DAC曲線的制作”中的作法是相同的，不同之處是只需要一條100%DAC曲線。5.3.3振幅比較法應(yīng)用示例用振幅比較法確定反射體尺寸，首先必須知道基準(zhǔn)反射體的面積，并且其形狀必須與被檢缺陷相類似。對于焊縫跟部的檢查應(yīng)采用機(jī)加工槽為基準(zhǔn)反射體，因?yàn)樗鼈兏艽韺?shí)際的焊接缺陷。假設(shè)用一個(gè)1.6X1.6X25.4mm（寬X高X長）的長方體槽為參考標(biāo)準(zhǔn)，其面積由長X寬得出為40.6mm2。同時(shí)再假定未知缺陷是一個(gè)與參考標(biāo)準(zhǔn)相同的角型反射體，其長度已由其他方法測定為12.7mm。盡管不是很精確，用12.7mm除基準(zhǔn)反射體面積就可以得到這個(gè)未知缺陷的寬度（40.6/12.7=3.2mm）。5.4三種確定缺陷尺寸方法的對比分析及注意事項(xiàng)波束邊界法：波束邊界法最適于厚度為19mm或更厚一些的桿件，并在此厚度上用直射法（半個(gè)跨距）評定缺陷。當(dāng)使用該方法測量角型反射體（如單面焊中的未焊透）高度時(shí)，其結(jié)果是不可靠的。對這類反射體應(yīng)采用其他方法。最大波幅法：當(dāng)儀器的脈沖寬度很窄并且使用高分辨力探頭時(shí)，最大振幅法能產(chǎn)生最佳效果。當(dāng)探頭直徑與波長比值較大時(shí)，所產(chǎn)生的波束尖銳，這種情況更適于最大振幅法。為了具備上述條件，要求使用高于正常掃查的頻率根據(jù)探傷表面的狀況盡量使用大直徑探頭。當(dāng)使用這類探頭時(shí)一定注意，避免再近場區(qū)內(nèi)平定缺陷。與波束邊界法相同，使用這種方法評定角型反射也有一定困難。振幅比較法振幅比較法除確定焊縫內(nèi)部較小的圓形反射體、單面焊中長的未焊透寬度和大于波束寬度的細(xì)長反射體之外，振幅比較法在確定超標(biāo)焊接缺陷的尺寸方面幫助不大。振幅比較法之所以能夠解決后兩個(gè)問題，是由于聲束強(qiáng)度集中在聲場的中心，并且當(dāng)反射體長度大于波束寬度時(shí)聲波強(qiáng)度對于寬度的變化特別敏感。但是當(dāng)反射體寬度大于約6.4mm時(shí)，精度會大大降低。6.結(jié)束語TKY管接點(diǎn)的缺陷定位是建立在以手工獲取探傷面外型的基礎(chǔ)上，而獲取、復(fù)制及完圖操作的誤差及諸如施工現(xiàn)場條件、操