超聲波檢測海洋石油平臺環(huán)板焊縫母材缺陷

常 宇，蔣桂通，王興國

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

環(huán)板是海洋石油平臺的主要結(jié)構(gòu)之一，環(huán)板與立柱相交形成的T型焊縫接頭質(zhì)量非常關(guān)鍵，由于環(huán)板與立柱交接的T型接頭及空間結(jié)構(gòu)的限制和局限性，對此種焊縫進(jìn)行探傷無法使用射線檢測，而通常采用超聲波檢測方法來檢測焊縫的焊接質(zhì)量。超聲波檢測可以有效地檢測出焊縫中的未熔合、氣孔、夾渣、未焊透和裂紋等常規(guī)缺陷［1］，而本文敘述的是當(dāng)超聲波遇到一種特殊缺陷時的研究［2］、分析、判斷方法與過程。

與常規(guī)焊縫缺陷不同的是，此缺陷超聲波反射信號顯示不在焊縫內(nèi)，也不在熱影響區(qū)，而在靠近熱影響區(qū)的母材內(nèi)。與鋼板常規(guī)缺陷不同的是，此缺陷超聲波反射信號不具備鋼板夾層特征，也不具備母材撕裂特征，其寬度較窄、具有一定的自身高度和一定的長度［3］。

本文采用直射波與斜射波正反兩面多角度超聲波檢測，經(jīng)過1∶1作圖，并對縱波和橫波、各方向和角度獲得的超聲波信號進(jìn)行綜合分析，判定其為鋼板母材穿孔，此種缺陷非常少見但危害非常嚴(yán)重，經(jīng)過預(yù)熱、氣刨、打磨、磁粉檢驗確認(rèn)缺陷徹底清除后、再嚴(yán)格按照返修程序進(jìn)行堆焊、打磨、采用同樣的超聲波檢驗技術(shù)發(fā)現(xiàn)原來的缺陷信號消失，確認(rèn)修復(fù)完好。此缺陷的發(fā)現(xiàn)和問題的解決保障了工程項目的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時為焊縫超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展提供了較為寶貴的借鑒。

1 案例基礎(chǔ)

在海洋石油平臺某項目的建造過程中，設(shè)計的環(huán)板母材壁厚38 mm，環(huán)板與組塊立柱相交形成的焊縫節(jié)點型式為T型，坡口型式為K型，在用70°橫波斜探頭對焊縫進(jìn)行探傷時，讀取儀器讀數(shù)，當(dāng)用鋼板尺測量缺陷波信號水平位置時，發(fā)現(xiàn)缺陷并不在焊縫內(nèi)部，并且經(jīng)過1∶1作圖得出，此缺陷距離焊縫邊緣仍有10～12 mm，波幅比較高。用縱波直探頭對此位置進(jìn)行鋼板母材檢測時未發(fā)現(xiàn)有影響橫波入射的夾層類缺陷，但確實存在一個位于始波與底波之間的反射波，此缺陷反射波不同于夾層信號反射波，其信號波幅很低，底波降低不明顯，說明其寬度較窄。按照ASTM A578/A578M特殊用途普通鋼板和復(fù)合鋼板直射聲束超聲檢測規(guī)范［4］，這個區(qū)域的波幅顯示是合格的，因其波幅高度并未超標(biāo)，顯示面積范圍也不超標(biāo)。但是斜探頭掃查明顯有較為嚴(yán)重的缺陷，危害大于焊縫內(nèi)部的未熔合［5］。為了判定此缺陷，制定一套可行的試驗方案，通過理論研究和一系列的試驗分析得出此缺陷的的精確位置、性質(zhì)、以及大小。

2 制定方案

文章研究的內(nèi)容是海洋石油平臺組塊的環(huán)板T接立柱，K型坡口焊縫，環(huán)板壁厚38 mm，材質(zhì)為DH36碳鋼，使用的設(shè)備是USM35超聲波探傷儀，使用的探頭為汕頭超聲的5Z10*10A45、5Z10*10A60、5Z10*10A70的橫波斜探頭和5Z20N的縱波直探頭。首先要對設(shè)備和各個探頭進(jìn)行精確的校準(zhǔn)和DAC曲線制作［6］，再到現(xiàn)場進(jìn)行精確探傷。制定試驗方案如下：（1）從上表面分別用45°、60°、70°探頭對此位置沿焊縫的長度方向進(jìn)行縱向探傷［7］，測量缺陷的深度和長度；（2）從下表面分別用45°、60°、70°探頭對此位置沿焊縫的長度方向進(jìn)行縱向探傷，測量缺陷的深度和長度；（3）從上表面分別用45°、60°、70°探頭對此位置沿焊縫的長度方向進(jìn)行橫向探傷，測量缺陷的深度和寬度；（4）從下表面分別用45°、60°、70°探頭對此位置沿焊縫的長度方向進(jìn)行橫向探傷，測量缺陷的深度和寬度；（5）從上表面用0°探頭對此位置進(jìn)行探傷［8］，測量缺陷的深度、寬度和長度；（6）從下表面用0°探頭對此位置進(jìn)行探傷，測量缺陷的深度、寬度和長度；（7）綜合以上波形的特點，進(jìn)行分析對比后進(jìn)行判定；（8）進(jìn)行驗證，氣刨或打磨到指定深度位置進(jìn)行目視檢驗；（9）缺陷去除干凈后，對氣刨打磨的凹坑區(qū)域進(jìn)行磁粉檢驗，在確認(rèn)缺陷被氣刨打磨徹底后，再進(jìn)行嚴(yán)格的返修［9］。

3 實施方案

在上表面進(jìn)行斜探頭縱向探傷時，發(fā)現(xiàn)缺陷反射信號波幅超過100% DAC曲線，按照儀器上的讀數(shù)，用鋼板尺測量水平位置時，發(fā)現(xiàn)缺陷信號不在焊縫內(nèi)，而在母材內(nèi)，水平距離焊縫邊緣10～12 mm，深度顯示在6～8 mm，有一定的長度，測量其長度在150 mm，說明此處有一個深度在6～8 mm，長度在150 mm的缺陷。波形圖如圖1所示。

圖1 上探表傷面波斜幅探和頭讀縱數(shù)向

圖2 下表面斜探頭縱向探傷波幅和讀數(shù)

在下表面進(jìn)行斜探頭縱向探傷時，同樣發(fā)現(xiàn)缺陷反射信號波幅超過100%DAC曲線，按照儀器上的讀數(shù)，用鋼板尺測量水平位置時，發(fā)現(xiàn)缺陷信號不在焊縫內(nèi)，也在母材內(nèi)，水平距離焊縫邊緣10～12 mm，深度顯示在30～32 mm，與在正面探傷正好對應(yīng)，有一定的長度，測量其長度在150 mm，說明此處有一個深度在30～32 mm，從正面測量就是6～8 mm，長度在150 mm的缺陷。波形圖如圖2所示。

在上表面進(jìn)行斜探頭橫向探傷時，發(fā)現(xiàn)波幅很底的波，距離焊縫邊緣10～12 mm，深度顯示在6～8 mm，橫向方向幾乎沒有寬度，一掃而過，大致在3～4 mm，沿150 mm焊縫方向都有這個顯示，說明此處有一個寬度為3～4 mm，長度為150 mm的缺陷。波形圖如圖3所示。

圖3 上探表傷面波斜幅探和頭讀橫數(shù)向

圖4 下表面斜探頭橫向探傷波幅和讀數(shù)

在下表面進(jìn)行斜探頭橫向探傷時，發(fā)現(xiàn)波幅很底的波，距離焊縫邊緣10～12 mm，深度顯示在30～32 mm，橫向方向幾乎沒有寬度，一掃而過，大致在3～4 mm，沿150 mm焊縫方向都有這個顯示，說明此處有一個寬度為3～4 mm，長度為150 mm的缺陷。波形圖如圖4所示。

用0°探頭對此位置進(jìn)行探傷，采用的是5Z20N的縱波探頭，探頭直徑20 mm，半徑10 mm，滿足剛才的缺陷信號距離焊縫邊緣10 mm以上，剛好能對此位置進(jìn)行探傷，在正面測獲得深度為8 mm的缺陷信號，在背面測獲得深度為23 mm的缺陷信號，缺陷信號波幅很低，底波信號依然很高。沿焊縫長度方向150 mm都有此信號，而且很穩(wěn)定。說明此處有一個窄而長的缺陷，缺陷自身有一定的高度，高度為板厚減去缺陷距離上表面的深度再減去缺陷距離下表面的深度，即38 mm-8 mm-23 mm=7 mm。波形圖如圖5所示。

圖5 下表面直探頭探傷波幅和讀數(shù)

綜上所述，由圖1～2中的數(shù)據(jù)可知，板厚38 mm的環(huán)板，從正面測得的深度6～8 mm與背面測得的深度30～32 mm是吻合的。由圖3～4中的數(shù)據(jù)可知，板厚38 mm的環(huán)板，從正面測得的深度6～8 mm與背面測得的深度30～32 mm也是是吻合的。也就是說缺陷的深度是確定的。由圖1～4的信號可知缺陷的走向是沿焊縫方向的，缺陷的長度也是確定的150 mm，缺陷的寬度是3～4 mm。由圖5得知，缺陷的自身高度為7 mm。超聲波檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 超聲波檢測數(shù)據(jù)

綜合從縱波和橫波、正面和反面、各個角度和方向得出的信號數(shù)據(jù)，判定為此信號為缺陷［10］，此缺陷不在焊縫內(nèi)，而在母材內(nèi)。此缺陷不是撕裂，因為撕裂直探頭在正面和背面探傷不到，在立柱內(nèi)部才能探測到。此缺陷不是夾層，因為夾層通常有一定的寬度，直探頭探傷夾層的信號波幅較高。因此，判定此缺陷為的穿孔，一條沿焊縫方向的長度為150 mm，寬度3～4 mm，距離上表面8 mm，自身高度7 mm的鋼板母材穿孔，一條長長的空腔。

用火把對焊縫和母材區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱后再進(jìn)行氣刨，當(dāng)氣刨到6 mm的時候，隱約看到一個空孔，氣刨到距離上表面深度8 mm的時候，穿孔完全暴露，繼續(xù)氣刨到距離上表面深度15 mm時，穿洞消失，此時，這條長長的氣孔被清除干凈，可以再進(jìn)行磁粉檢測進(jìn)行最終驗證。氣刨出來的穿孔如圖6所示，繼續(xù)氣刨穿孔會完全暴露直至消失。

圖6 氣刨出來的穿孔

4 結(jié)果與分析

通過實驗數(shù)據(jù)分析，解開了最初的疑問，此信號為靠近焊縫熱影響區(qū)的母材內(nèi)部的缺陷，不是常規(guī)的鋼板夾層，常規(guī)的撕裂和夾層，此缺陷為環(huán)板母材內(nèi)部的穿孔，即一條長長的空腔，沿焊縫方向的長度為150 mm，寬度3～4 mm，距離上表面8 mm，自身高度7 mm的鋼板母材穿孔，比較少見的一種缺陷。按夾層判定的話就是一條很窄而長的夾層，就有點輕判了，它比夾層自身高度要高的多，它里面沒有任何金屬或非金屬夾雜，而是空的。缺陷去除干凈后，對氣刨打磨的凹坑區(qū)域進(jìn)行磁粉檢驗，在確認(rèn)缺陷被徹底清除后，再嚴(yán)格按照返修程序進(jìn)行堆焊返修，以保障環(huán)板焊縫強度。

5 結(jié)束語

當(dāng)進(jìn)行環(huán)板T型焊縫超聲波檢測時，不光要檢測焊縫內(nèi)部和熱影響區(qū)的缺陷，母材內(nèi)部的缺陷也要引起重視［11］。像這種穿孔雖然很少見，但危害極其嚴(yán)重。采用換探頭、換方向、換檢測面，多維度綜合分析，定能對其進(jìn)行準(zhǔn)確的判定和精確的量化。在進(jìn)行反面探傷時，實際上也可以也可以用斜探頭的二次波在正面進(jìn)行探測驗證［12］，效果是一樣的。只是實驗的實施采用一次波得到的數(shù)據(jù)更加直觀和準(zhǔn)確。如果空間允許，還可增加一個縱波直探頭在立柱內(nèi)壁對環(huán)板T型焊縫進(jìn)行縱波直探傷，如此可以多一個關(guān)鍵的參考數(shù)據(jù)。總之，超聲波檢測環(huán)板T型焊縫的技術(shù)是可靠的，不管是常見缺陷還是罕見缺陷，利用直射波與多角度的斜射波正反兩面進(jìn)行探傷，焊縫和母材中的缺陷均可以有效檢出和準(zhǔn)確判定。