TKY管接點焊縫形狀模型在相控陣檢測中的應(yīng)用

陸銘慧，邵紅亮，劉勛豐，程 俊

（南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063）

T、K、Y管節(jié)點結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)越的力學(xué)性能和使用性能，在海洋工程中被廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外主要采用超聲橫波對此類焊縫進行檢測，即在焊縫支管側(cè)通過控制探頭使其垂直于焊縫并沿焊縫走向作周向掃查。但在周向焊縫的不同位置上，探頭掃查點處支管上的曲率不一樣，焊縫的截面形狀也隨著位置的不同而連續(xù)變化，甚至在某些位置掃查時可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)回波而使得難以與缺陷回波進行區(qū)分辨別，目前針對此類焊縫多采用作圖解析法對缺陷進行定位［1］。但作圖解析法對管結(jié)構(gòu)的原始數(shù)據(jù)依賴過高，且作圖步驟繁多，工作量大，由于現(xiàn)場工作條件艱苦，因此受人為因素影響較大，一個環(huán)節(jié)失誤就可能導(dǎo)致定位工作的失敗，所以迫切需要改進［2］。文獻［3］推導(dǎo)了TKY管節(jié)點焊縫各結(jié)構(gòu)參數(shù)相互之間的關(guān)系，建立了聲程修正系數(shù)理論模型，采用計算機輔助計算的方法，繪制了幾何臨界角與相貫角、相貫角與聲程修正系數(shù)及水平距離修正系數(shù)的關(guān)系曲線，初步對傳統(tǒng)的缺陷定位方法進行改進。趙志斌［4］等以管節(jié)點結(jié)構(gòu)中最具有代表性的Y型管節(jié)點作為研究對象，對Y型管節(jié)點結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進行了理論推導(dǎo)。筆者在TKY管節(jié)點焊縫三維數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了管節(jié)點焊縫上任意位置處截面圖的二維平面數(shù)學(xué)模型，運用計算機輔助編程進行二維截面圖的繪制，并在管節(jié)點模型的基礎(chǔ)上，進行了二維截面上的聲束覆蓋模擬和實施自動回波定位方法。

1 計算機輔助程序

1.1 TKY截面模型的建立

對相貫節(jié)點超聲檢測時，進行缺陷定位的基礎(chǔ)就是得到垂直于焊縫的聲束截面，即過該點的法平面截得主支管所得的剖面圖。根據(jù)空間幾何知識很明顯，法平面與主管的內(nèi)、外壁的相交曲線及法平面與支管的內(nèi)、外壁的相交曲線，是兩組同心橢圓曲線。

圖1 管節(jié)點焊縫截面

以二面角為鈍角時為例：如圖1所示，設(shè)根部間隙為m，焊縫寬度為n；主管橢圓中心點O2；支管橢圓中心點為O1，兩橢圓短軸的夾角λ。以O(shè)1點為坐標(biāo)原點，支管長軸方向為X軸方向，支管短軸方向為Y軸，建立平面直角坐標(biāo)系，則支管橢圓方程可表示為：

主管橢圓經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，平移，方程可表示為：

式中：a，b分別為所屬橢圓的長短軸；（x2，y2）為截主管所得橢圓中心O2點坐標(biāo)；γ為橢圓旋轉(zhuǎn)系數(shù)，根據(jù)橢圓旋轉(zhuǎn)方式不同其取值為±1。

在圖1中，區(qū)域ABCD為焊縫區(qū)域，由根部間隙m，通過數(shù)值解析算法可以確定A、B兩點的坐標(biāo)值，結(jié)合B點坐標(biāo)和剖口角度可以計算出C點的坐標(biāo)，以C點為圓心，以焊縫寬度n為半徑作圓，交主管外壁于D點，連接ABCD點即為焊縫模型。實際進行檢測時探頭在支管弧段CM間進行移動。

1.2 相控陣掃查聲束覆蓋模擬

在使用相控陣檢測TKY管節(jié)點焊縫時，為減小或消除檢測盲區(qū)，需要知道在任意截面上相控陣探頭在不同位置時聲束覆蓋情況。根據(jù)已給出的焊縫截面圖，截取焊縫及其附近管壁部分作為研究對象，來確定相控陣聲束入射路徑。給定帶斜楔相控陣斜探頭及其參數(shù)，設(shè)某一陣元坐標(biāo)為相對于點O1的坐標(biāo)為E（xE，yE），根據(jù)以下公式可推導(dǎo)出入設(shè)點R 處的坐標(biāo)（xR，yR）：

式中：h表示陣元距離探頭底面高度；k為相控陣探頭底面直線的斜率；α為聲束入射角。

聲束線在支管壁上的折射及反射滿足費馬定理和反射定理，單一陣元的聲束路徑如圖2所示。依據(jù)此方法可以模擬出其它角度的聲束輻射路徑，最后各角度的聲束合成可以模擬超聲相控陣在掃查該類工件時扇掃和線掃的聲場覆蓋效果，通過改變探頭的位置，可以研究在不通過掃查位置上相控陣探頭聲束在焊縫區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況，從而為TKY管節(jié)點焊縫的相控陣檢測提供理論指導(dǎo)，保證使用最少的掃查次數(shù)能覆蓋到各截面整個區(qū)域，從而提高檢測工作效率。

圖2 聲束入射焊縫接頭

在對發(fā)現(xiàn)可疑回波進行定位時，讀取儀器中反射回波的折射角度β以及聲程，算出入射點R和反射點S點的坐標(biāo)，判斷SR的長度和聲程的大小關(guān)系，可以確定回該波反射波來源于一次反射波或二次反射波以及反射點的具體位置，進而可以直觀地顯示該回波是否來自于焊縫區(qū)域。

2 模型應(yīng)用實例

2.1 模擬試塊的研制加工

試驗采用最具代表性的Y型管節(jié)點為研究對象：材料Q235鋼，橫波聲速為3 233m／s。實測主管外徑為910mm，支管外徑為610mm，主支管交叉角度為45°，主管壁厚為25mm，支管壁厚為19mm。焊接完成后進行塊分區(qū)并切割。

圖3 試塊實物及扇掃聲束覆蓋效果

圖3（a）為試驗試塊實物，圖3（b）為A端面?zhèn)鹊穆暿采w效果。在試塊上設(shè)計了深度均為20mm的兩個短橫孔，孔徑為φ2mm。以此位置為例進行聲束覆蓋仿真，當(dāng)探頭距離焊縫邊緣10mm，扇掃角度35°～68°時單次掃查就可實現(xiàn)焊縫該位置截面聲束覆蓋全部，因此將此參數(shù)作為此位置的相控陣掃查參數(shù)，試驗表明將管節(jié)點環(huán)焊縫進行合理分區(qū)后，每個區(qū)域內(nèi)使用一組或兩組掃查參數(shù)即可實現(xiàn)該分區(qū)內(nèi)焊縫連續(xù)位置的聲束全覆蓋。

使用相控陣儀器進行掃查時，儀器可以自動識別探頭參數(shù)和楔塊參數(shù)，其它參數(shù)根據(jù)實際工件進行設(shè)置，在試塊上相關(guān)位置涂好耦合劑后，移動探頭使探頭聲束截面與該位置焊縫垂直，并測量夾具保持探頭前沿距焊縫支管側(cè)邊緣10mm，如圖3（b）的聲束覆蓋模擬，此時可以保證在不前后移動探頭及更換探頭的情況下，使用相控陣扇掃即可覆蓋該位置的整個焊縫接頭面，大大減小了檢測盲區(qū)，提高了檢測效率。

2.2 試驗結(jié)果

試驗通過計算機編程，將上述數(shù)學(xué)模型編制成相應(yīng)的“輔助定位軟件”，使用該軟件對試驗用試塊進行聲束覆蓋以及對各反射回波進行定位。

圖4為E編號試塊上A側(cè)面附近相控陣儀器掃查圖，在掃查圖上共計四處回波信號，表1是各回波信號的聲程及掃查角度。

圖4 人工孔掃查圖

表1 缺陷掃查結(jié)果

使用“計算機輔助定位軟件”，對圖4掃查結(jié)果的回波信號1，2，3，4的進行定位，如圖5所示，其中w表示反射回波聲程，D表示回波深度。由圖可知：1，2號回波分別為1號孔的一次波和二次反射波的相控陣扇掃成像，3號回波為2號孔的二次反射回波相控陣成像，4號回波則為來自主管內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)反射回波，屬于偽缺陷回波。

圖5 回波信號定位圖示

表2 缺陷定位誤差分析 mm

如表2為對A～F編號試塊上共12組人工模擬缺陷的計算機輔助定位結(jié)果與人工缺陷實際測量值的對比，軟件定位結(jié)果與實際測量值最小偏差為0.09mm，幾乎與實際缺陷位置相符，最大偏差為1.86mm，此誤差值已在海洋平臺的超聲檢測缺陷定位誤差可接受范圍內(nèi)，因此使用計算機輔助定位在一定程度上可以滿足海平臺TKY管節(jié)點焊縫超聲檢測缺陷定位要求，而且計算機輔助的方法比傳統(tǒng)的作圖解析法有更高的定位精度和工作效率。

3 結(jié)論

（1）采用超聲相控陣掃查可以減小管節(jié)點焊縫的檢測盲區(qū)，降低缺陷漏檢率。

（2）使用計算機輔助軟件可以繪制管節(jié)點焊縫截面實際形狀，并模擬相控陣聲束在焊縫區(qū)的覆蓋范圍，有效地指導(dǎo)超聲相控陣檢測參數(shù)的設(shè)置。目前該軟件已植入SIUI SUPER型號超聲相控陣儀器。

（3）計算機輔助軟件能夠快速、直觀定位反射回波，比傳統(tǒng)的作圖解析法，具有更高的工作效率和定位精度，并減少人為因素在檢測工作中的影響。

最終通過試驗對所設(shè)計的模型進行驗證，結(jié)果表明，使用計算機輔助可以大大改善缺陷定位工作的效率和準(zhǔn)確性。

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