管材縱向焊縫超聲波檢測缺陷定位方法研究

丁 兵， 黃燕琳， 徐 鴿， 季漢敏， 李 軍

(上海船舶工藝研究所, 上海 200032)

管材縱向焊縫超聲波檢測缺陷定位方法研究

丁 兵， 黃燕琳， 徐 鴿， 季漢敏， 李 軍

(上海船舶工藝研究所, 上海 200032)

經過研究實驗和實際應用，總結出了圓柱曲面周向橫波檢測缺陷定位的多種方法，適用于不同曲率半徑和不同厚度的工件，用不同角度探頭進行超聲波檢測缺陷定位，不但可提高缺陷定位的準確性，而且操作簡便，提高檢測工作效率，為檢測工作帶來較大方便。

管材縱向焊縫 海洋工程 超聲波檢測

1 引言

管材縱向焊縫超聲波檢測主要采用圓柱曲面周向橫波檢測方法。該方法在海洋油氣工程裝備產業鋼結構的制造中大量應用，如導管架和平臺拉筋縱焊縫的超聲波檢測均屬于這種情況。由于曲面因素的影響，在缺陷定位時，此類工件與平板對接焊完全不同。在對此類工件檢測時，必須根據缺陷反射信號得到的聲程，并利用取型規對工件進行1∶1焊縫截面取樣，在取樣圖上確定主聲束入射點和入射角，才能完成缺陷的定位。然而在實際檢測中，由于取樣時只對工件部分取型，因此在確定取樣圖上的入射點和入射角時，存在較大的誤差，易產生誤判，甚至漏檢，從而造成檢測質量和判定缺陷準確率的下降。

本文以某海洋平臺實際工程為例，采用了1∶1焊縫截面取樣、模擬節點式樣為切入點，對管材縱向焊縫檢測缺陷定位進行分析，探索圓柱曲面周向橫波檢測缺陷定位的技術要點，總結出便于實際應用的定位方法，為在實際檢測中的缺陷定位提供便利。

2 項目概況及檢測系統介紹

某自升式海洋鉆井平臺，主要結構包括樁腿、生活樓、直升機平臺、主船體、井架、懸臂梁、提升機構和吊機底座等，材質為EQ47和EQ56等高強度等級鋼材。在井架及提升機構中，分布著大量的管材焊接部件。焊縫檢測要求需滿足《ABS: 船體焊接無損檢測指導-2011》。超聲波檢測系統包括儀器、探頭、試塊、探頭電纜和耦合劑。在檢測過程中，要求儀器、探頭和探頭電纜匹配良好且性能穩定，符合相應規范的要求，同時滿足必要的檢測靈敏度。

3 圓柱曲面周向橫波檢測缺陷定位的理論依據

3.1 外圓周向探測

圖1 外圓周向探測

圖中：AC=d(平板工件中缺陷埋藏深度)

BC=dtgβ=Kd=l(平板工件中缺陷水平距離)

AO=R，CO=R-d

從而可得

3.2 內壁周向探測

圖2 內圓周向探測

圖中：AC=d(平板工件中缺陷埋藏深度)

BC=dtgβ=Kd=l(平板工件中缺陷水平距離)

AO=R，CO=R-d

從而可得

4 圓柱曲面周向橫波檢測缺陷定位方法

4.1 作圖法

利用取型規對工件被檢部位1∶1取樣作截面圖，根據探頭已測的前沿距離l0及探頭與焊縫邊緣的位置關系，找到聲束入射點位置。由于探頭折射角已測定，因此，可根據儀器顯示的的缺陷聲程來描出缺陷在焊縫中的具體位置，以實際測量的辦法來確定缺陷的埋藏深度和水平距離，如圖3所示。

圖3 作圖法定位

4.2 兩點定位法

如圖4所示，探頭在焊縫一側接收到缺陷的最高反射回波，此時可確定探頭在工件上的入射點。

在焊縫另一側用同樣的方法確定探頭在工件上的入射點。焊縫兩側的兩個入射點的連線中心位置即為缺陷的投影位置。這種方法對于判定根部未焊透類缺陷有較高的可靠性。

圖4 兩點定位法

4.3 計算法

結合樁腿齒條板半圓管檢測實例，取實物工件一段，設計加工了相應的對比試塊，運用幾何求解方法，推導出定位公式，如圖5所示。

圖5 計算法定位

推導過程：

(1) 通過缺陷點做外圓半徑R，將其作為求解輔助線；

(2) 由三角形求邊長公式，得

以上兩式為外徑檢測時的定位公式，當在內壁檢測時應用以下兩公式：

以上定位公式在實際檢測中，只需半徑、聲程和入射角度就可以算出缺陷的深度和水平位置，從而對缺陷準確定位。

5 管材縱向焊縫檢測盲區

如圖6所示，當用橫波外圓周向探測筒體工件時，對應于每一個確定的K值探頭都有一個對應的最大探測厚度。當波束軸線與筒體內壁相切時，對應的壁厚為最大探測厚度Tm。當工件厚度大于Tm時，波束軸線將掃查不到內壁，造成焊縫根部缺陷的漏檢。

圖6 斜探頭折射角的要求

不同K值探頭最大探測壁厚Tm與工件外徑D之比Tm/D，可由下述方法導出：

探頭的K值愈小，可探測的最大壁厚就愈大；K值愈大，可探測的最大壁厚就愈小。在進行管材縱向焊縫檢測前應運用公式sinβ≤1-2Tm/D來選擇探頭角度，以確保有效探測到焊縫根部缺陷。

6 結論

通過對管材縱向焊縫進行1∶1取樣到運用AUTO-CAD軟件進行精確分析、計算，總結和推導出了切實有效的定位方法，為實際檢測工作帶來便利。

在此次研究、分析過程中，我們發現在焊縫超聲波檢測中，需要大量的專業理論知識和豐富的實際操作經驗。通過對缺陷的精確定位，可以有助于判斷缺陷的性質，如未焊透、未熔合等，其出現位置就比較有規律性。超聲檢測技術對缺陷定位方法的研究由于生產發展的急切需要，尤其是當前技術的發展已越來越強調斷裂力學的重要性并提出了損傷容限設計概念，從而越來越引起人們的注意和重視。海洋工程其所處的特殊環境，更應仔細判斷缺陷所處的位置，從而切實按照檢測規范和驗收標準進行檢測。

因此，檢測之前對工件進行“摸底”非常重要，尤其是繪制掃查圖，這是檢測工作的關鍵，不僅有利于提高檢測效率，更重要的是可以由掃查圖得到豐富的信息，如探頭如何選擇，如何排除偽缺陷等。作為檢測人員，必須不斷學習理論知識與積累工作經驗，選擇合適的檢測設備和檢測方法，對缺陷進行有效地評價，以確保產品質量。

[1] DNV.海洋工程標準 DNV-OS-C401[S].2010.

[2] ABS.船體焊接無損檢測指導[S].2011.

[3] 國家發展和改革委員會.JB/T4730.1-2005承壓設備無損檢測[S].2005.

[4] 鄭暉.超聲檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

Defect Location Approach Based on Ultrasonic Sounding for Pipe Longitudinal Weld

DING Bing, HUANG Yan-lin, XU Ge, JI Han-min, LI Jun

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

Experiments and practices show the several methods to detect the pipe fault location using cylindrical circumferential shear wave. The methods can apply to workpieces with different curve radius and thickness. Detecting fault location with different probe angles can not only improve the accuracy and convenience for operation, but also enhance the work efficiency.

Pipe longitudinal weld Offshore engineering Ultrasonic testing

丁 兵(1973-)，男，高級工程師。

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