TKY型管狀焊接接頭超聲波檢測研究及應用

王福利，趙希臣

(1.天津市船廠，天津 300452;2.河北華建檢測試驗有限責任公司，天津 300451)

近幾年，T型、K型、Y型 (以下簡稱TKY型)管狀焊接接頭超聲波檢測在國內廣泛應用于船舶制造、海上和陸地鋼結構制造，這種檢測工藝在美國、加拿大等國家應用較多，美標API RP 2X A級標準對T型、K型、Y型管狀焊接接頭超聲波檢測做出了基礎性要求，國內還未見相應標準規定。大多數檢測人員只是大概測定、粗略修正，對缺陷難以準確定位，精確分析。要想真正做到不錯檢、不漏檢、提高工作效率，保證產品質量，給探傷人員提出了更高的要求。

文章通過對API RP 2X A級標準的研究學習，查閱國內外相關資料，通過幾年來的不斷實踐，研究分析總結出了TKY型管狀焊接接頭超聲波檢測操作基本方法和工藝參數，不僅能夠滿足API RP 2X A級標準的要求，而且能夠在實踐中得到較好應用。

1 檢測對象

TKY型管狀焊接接頭與平板焊縫的不同之處在于前者超聲波檢驗的掃查面為不同曲率的曲面，后者是平面。在平面上進行超聲波檢驗，焊接缺陷的定位與定量應用常規技術，而在曲面進行超聲波檢驗時應采用特殊操作方法。其原因:①由于曲率效應的影響，超聲波入射到工件中的折射角度將發生變化;②由于曲率效應的影響，探頭接觸面發生變化，聲能損失將增大;③缺陷定位、定量困難。

2 檢測方法

2.1 作圖解析法——缺陷定位法

1)采用萬能取型規或橡皮泥在TKY管狀焊縫上取下任意點處焊縫的主、支管間的兩面角及焊縫坡口寬度的形狀，再經過完圖操作，即完成一幅曲面焊縫上任意點處的剖面圖，原則上要求按1∶1的比例完成。

2)在焊縫剖面圖上，按照探傷時缺陷定位參數 (Y，W，θ)，模擬超聲波在工件上行走的路徑，即可確定焊縫中反射體所在的水平位置及深度位置。

3)“取樣—做剖面圖—定位”操作過程如圖1～圖4所示。

圖1 取樣操作

圖2 復制軌跡

圖3 補圖操作

圖4 模擬定位

4)作圖解析定位應注意以下3點。①取樣時取型規一定要與焊縫垂直，若在不垂直的情況下取樣，會使所做的剖面圖上的主支管間的兩面角與實際情況不符，導致缺陷定位誤差增大。②每一個缺陷至少做一張剖面圖，較長的缺陷應做多張。TKY型管狀焊縫，由于主支管間兩面角不同，支管曲率也隨之改變，故焊縫A點的缺陷應在A點的剖面圖上定位，B點的缺陷應在B點的剖面圖上定位，否則會導致錯檢。③取樣后在復制、補圖過程中，必須準確無誤。在實際操作中，以下幾方面需特別注意:掃查工件厚度尺寸應準確;角度或折射角應讀取準確;所劃根部間隙與實際情況應相符，否則導致剖面圖不準確，影響對根部缺陷性質的判斷。

2.2 操作修正補償法

操作修正補償法 (也叫傳遞修正或傳遞補償)是用來補償參考試塊與工件之間由于曲率和厚度效應的影響及兩者表面狀況、材質、耦合劑、接觸面積、聲學衰減特性的差異引起的聲能損失。具體操作步驟如下。

1)儀器調節到雙探頭模式。

2)選用2只晶片尺寸、折射角、頻率相同或相近的斜探頭。

3)選擇對比試塊的厚度應與工件厚度尺寸相同或相近。

4)在對比試塊上，一跨距內作一收一發測試，如圖5所示。即:發射探頭置于位置Ⅰ，接收探頭置于位置Ⅱ，將最高回波調為熒光屏滿刻度的80% ，記錄此時波峰的高度H1及儀器靈敏度B1。

圖5 試塊收發測試圖

5)儀器靈敏度保持不變，將接收探頭置于位置Ⅲ，得到第2個波峰高度H2，在熒光屏上將兩波峰連成一條直線，如圖6所示。

圖6 屏面顯示一跨距與二跨距波峰位置圖

6)儀器靈敏度保持不變，將2只探頭同時移到被檢工件上，在一個跨距內找到工件底面回波，測出工件底面回波波峰與圖6直線的分貝差ΔdB值 (傳遞補償值)，如圖7、圖8所示。［1］

圖7 工件收發測試圖

圖8 屏面顯示傳遞補償測定示意圖

7)操作修正的點數確定。①Y型 (K型)應在支管整個圓周不同曲率的位置選4個點進行操作修正，其補償數值 (ΔdB為波高差值)應是這4點的平均值;② T型焊縫應選2個點的平均值;③平板焊縫、對接管及管縱縫選2個點，并取其平均值，按管徑、厚度的不同分別做操作修正，并填寫操作修正報告備案。

3 基準點的確定

管狀TKY型焊縫進行超聲波檢驗中，焊縫的缺陷需要多個數據表達出來，例如缺陷的長度、深度、位置，這些數據為以后復查 (特別對于不需要修理而必須記錄的缺陷)及將來用計算機輔助制圖具有重要意義。經過多年檢測經驗，下述基準點的確定方法現場操作比較方便。

1)管狀T型焊縫缺陷定位基準點的確定方法。T型焊縫是指主支管夾角為90°的焊縫，當面對T型焊縫 (斜探頭探測焊縫方向)時支管與主管上組對工藝線垂直相交點作為基準點。左側為“D”點，右側為“C”點，如圖9所示。

2)管狀Y型 (K型)焊縫缺陷定位基準點的確定方法。Y型焊縫確定缺陷定位基準點D和C，如圖10所示。

圖9 T型管上確定標記點位置示意圖

圖10 Y型管上確定標記點位置示意圖

3)TKY型管狀焊縫缺陷定位基準點數量確定的基本原則。T型焊縫可定4個基準點，也可定2個基準點，因為T型焊縫可按支管直徑4等分。Y型焊縫，不可按支管外徑4等分，因此，把基準點D和C 2個點均定在主管的工藝線上，操作性強且準確。用這種方法定基準點也為使用計算機輔助繪制焊縫缺陷定位圖做好了準備。只設2個點測量X值 (X為測量點至基準點間沿焊縫長度)時，由于測量點距離基準點間沿焊縫長度大會造成測量困難，為此引入“+”“－”符號標記，測量X值時只要依據2個基準點按示意圖所示方向用“+”“－”標記出來，X值的確定就顯得方便多了。注，“+”為順時針方向，“－”為逆時針方向。

4 TKY型焊縫剖面圖上主、支管根部間隙的確定

在作圖解析定位操作中，用萬能取型規在焊縫上取樣、復制，根據主支管的壁厚進行補圖。而主支管根部間隙劃的大與小，將直接影響到剖面圖上的坡口角度的大小，從而改變了原焊縫的形狀，及焊縫根部凸出部位之形狀。從而在分析根部缺陷的位置時會導致誤判。確定主支管根部間隙的大小有以下2種方法。

方法1)。由QC人員在檢查組對時，測量后把間隙超標數據標在主管不易磨去的位置，無超標的不標，探傷人員作UT檢驗前應仔細觀察焊口附近有無間隙超標標記，在有標記位置處按標記數據確定間隙量，無標記處按規范規定的間隙量確定。

方法2)。按照API RP 2X A級的標準操作要求，在支管組對前，在支管圓周，以適當的數值做上標記，在作剖面圖時，按此標記量出支管底面坡口位置，如圖11所示。

方法1)和方法2)2種標記方法都能反映支管與主管焊前組對時的實際情況，建議在重要的節點采用方法2)。

5 直探頭縱波檢測

直探頭檢測主要針對斜探頭掃查區域母材、鋼板復查、TKY型管節點背交位置。

1)斜探頭掃查區域的直探頭檢測。①直探頭檢測的目的:探測母材是否存在有可能影響斜射波入射的反射體，但它不作為驗收或拒收的依據，應對這些反射體位置和區域做好記錄以備查。②直探頭探測靈敏度的設定:調節儀器使工件第2次底波高度為熒光屏滿刻度的75%±5%，以此作為掃查靈敏度。

2)鋼板復查、TKY型管節點背交位置 (依據驗收標準)。

6 API RP 2X A級標準使用要點

6.1 超聲波儀器、探頭和試塊

1)超聲波儀器的校正。水平線性:誤差小于1%;垂直線性:誤差小于±5%;分辨力 (儀器探頭組合分辨力)在IOW試塊上，能分辨出D 1.5距離為4 mm的2個孔;靈敏度余量大于40 dB。

2)探頭的選用。盡量選擇小角度探頭;頻率在1～6 MHz之間;折射角:45°、60°、70°及標稱角度的 ±1°。

3)試塊的選用。①IIW標準試塊，用途:校正儀器性能;調整儀器的測定范圍;測量探頭入射點、折射角。②API RP 2X A級對比試塊和IOW試塊用于制作DAC曲線，校正儀器的靈敏度和探頭性能。

6.2 工件探傷面的要求

1)焊縫的表面質量應經外觀檢測合格，所有影響超聲檢測的飛濺、污物、銹蝕等都應清除，其表面粗糙度應符合檢測要求，表面的不規則狀態不得影響檢測結果的正確性和完整性，否則應作適當的處理［2］;如處理寬度:b=1.5(2Ttan β)+l/2(mm)，其中，l為探頭長度，β為探頭折射角，T為工件厚度。

2)掃查區工件厚度測量:管材應在圓周方向選4個點;平板應沿焊縫方向每1.85 m(6英尺)測量一個點。

3)掃查區域內母材的超探檢查，以第2次底波示波屏滿幅度的80%為探測靈敏度進行掃查。

6.3 DAC曲線(距離波幅曲線)的制作

1)測定范圍:TKY型管狀焊縫，一垮距的1.5倍;平板焊縫，大于一垮距。

2)對比試塊厚度的選擇:對比試塊的厚度應盡量選用與母材相同或相近。

3)DAC曲線制作步驟如圖12所示［3］。

4)如圖12所示，選取4個或5個點，測定各點最高波 (首點達100%)，在坐標紙上依次描點并連成一條曲線，然后降低6 dB、14 dB制作另2條曲線，形成如圖13所示的3條曲線。

圖13 DAC曲線

5)DAC曲線制作的基本要求:①每條DAC曲線最少測定4個點;②每組DAC曲線應包括100%、50%及20%在內的3條曲線;③每一個探頭角度做一組DAC曲線;④不同的測定范圍及不同探頭角度所做DAC曲線不能混用;⑤每次探傷前應重新效核DAC曲線。

6.4 缺陷測量

1)缺陷定量靈敏度的確定:基準靈敏度+修正靈敏度。

2)缺陷定位:作圖解析法。

3)缺陷指示長度測定:6 dB法 (相對靈敏度半波高度法)。

6.5 缺陷評定

1)缺陷波幅≤50%(Ⅰ區)DAC曲線的反射波可忽略不計;50% ＜缺陷波幅≤100%(Ⅱ區)的反射波按其指示長度大小，按如下“表1”的規定判定;對于超過100%DAC曲線的反射波，按“表1”的規定判定。若判定為不需要返修的缺陷，應記錄該缺陷的相關數據并反映到檢驗報告中。

表1 缺陷當量評定

50%～100%DAC及TKY型根部

2)對于排成的一行的點狀缺陷按線狀缺陷進行評定。

3)在任意焊縫長度內，大于50%DAC曲線波幅的密集缺陷反射波其指示長度應小于2/3支管壁厚或9.5 mm，兩者取其較小者。

4)相鄰缺陷之間隔小于其平均長度時應按連續缺陷評定。

5)TKY型結點焊縫根部應用70°或45°探頭探測。其靈敏度應用A級所要求的對比試塊上1.6 mm×1.6 mm的凹槽作反射體調整靈敏度，其長度的評定按“表1”的規定評定。

6)對根部缺陷評定時，應根據兩管的兩面角大小對超出理論厚度以外的缺陷可以不作評定。

7)理論厚度的確定。①在焊縫“C”基準點處取樣做焊縫剖面圖;②在焊縫剖面圖上測量該焊縫主、支管兩面角Ψ;③在焊縫剖面圖上過焊縫最低點做主管的垂線;④按照所測“Ψ”查出所對應的理論厚度值，以焊縫剖面圖主管垂線延長線為基準，在焊縫根部方向做一條間距為理論厚度值且與其平行的線;理論厚度的確定見表2。⑤在焊縫剖面圖上兩平行線間的距離即為“理論厚度距離”［3］，如圖 14 所示。

表2 理論厚度確定表

圖14 理論厚度距離確定圖

7 結束語

TKY型管狀焊接接頭超聲波檢測操作基本方法，不僅能夠滿足API RP 2X A級標準的要求，而且在檢測中對缺陷的定位、定量有了準確的判定，不足之處主要是繪圖和計算比較繁瑣，隨著信息技術、成像技術的快速發展，探討計算軟件植入新型檢測設備之中，以利更好更快的為生產服務。

［1］CB/T 3559－2005.船舶鋼焊縫超聲波檢測工藝和質量分級 ［S］.

［2］JB/T 4730－2005.承壓設備無損檢測 ［S］.

［3］API RP 2X－2004.海上結構件超聲檢測和磁粉檢測［S］.