TKY管節(jié)點焊縫的超聲檢測

簡添福，潘文超，陸銘慧，鄭志忠

（1.福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院漳州分院，漳州 363000；2.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063）

鋼結構由于其具有強度高、韌性好、剛度大、占地空間少、外觀優(yōu)美等優(yōu)點，在建筑行業(yè)及海洋工程領域得到了廣泛應用。隨著陸地上石油資源的枯竭，人們把眼光瞄向了深海。而深海石油的開采，需要建立大量的海上平臺，平臺的支撐部分多為管管焊接相連。將支管的一端焊接在主管上，這種結構形式稱為管節(jié)點焊縫。又根據(jù)主、支管之間的夾角大小可將其分為T 型、K 型、Y 型三種形式，如圖1。由于海洋平臺常年遭受海水侵蝕、浮冰和潮汐沖擊的作用，所以其安全性顯得尤為重要［1］，對海洋平臺鋼結構物的無損檢測也就十分必要。目前，對于TKY 管節(jié)點焊縫的檢測主要存在以下問題。

（1）檢測方法單一，目前廣泛采用的是常規(guī)超聲檢測方法。通常參考美國石油協(xié)會標準API RP 2X－2004，采用45°、60°、70°三種角度的探頭對焊縫進行檢測。

圖1 TKY 管節(jié)點焊縫結構示意

（2）檢測效率低下，一個操作熟練的檢測人員，采用常規(guī)超聲的方法檢測一個TKY 管節(jié)點焊縫，大概需要一個上午的時間。

筆者綜述了TKY 管節(jié)點焊縫超聲檢測的發(fā)展概況，介紹了適用于TKY 管節(jié)點焊縫超聲檢測的各種方法，并對TKY 管節(jié)點焊縫無損檢測技術的發(fā)展方向進行了展望。

1 傳統(tǒng)無損檢測方法概述

TKY管節(jié)點焊縫的檢測，主要是發(fā)現(xiàn)并定位主支管連接處焊縫區(qū)域內(nèi)存在的不連續(xù)。傳統(tǒng)的檢測方法主要有三種：磁粉檢測（MT）、射線檢測（RT）以及超聲波檢測（UT）。由于管節(jié)點焊縫的檢測多為高空作業(yè)，且呈相貫線形式的焊縫結構，使得射線檢測的實施存在極大的局限性。目前，管節(jié)點焊縫主要采用超聲波方法檢測，而磁粉檢測常作為輔助手段使用。

常用的超聲檢測方法是脈沖反射法，其原理為：探頭向工件中發(fā)射脈沖超聲波，當聲波遇到缺陷時，會發(fā)生反射、散射等作用，反射回來的聲波被探頭接收，根據(jù)接收到的超聲波對工件質(zhì)量進行評價。對于TKY 管節(jié)點焊縫的檢測多采用常規(guī)超聲檢測方法，但由于其結構的特殊性，常規(guī)超聲檢測方法仍存在較多檢測難點，如反射波識別困難，存在檢測盲區(qū)，檢測工作效率低等問題。其中最主要的難點是反射回波的定位問題。目前，多采用“里波反射法”和“作圖解析—定位法”對反射回波進行定位。

關于利用超聲脈沖反射法對TKY 管節(jié)點焊縫檢測的問題，1994年中國船級社的程志虎博士在“TKY管節(jié)點焊縫超聲波探傷系列講座”［2］中作了較為詳細的討論，同時提出了針對這種特殊結構焊縫檢測的未來研究方向，主要包括：制訂符合我國自身特點的工藝標準和驗收準則；開發(fā)計算機輔助計算和作圖的軟件；研制新型的專用超聲檢測設備和換能器等。

2 超聲檢測新方法

2.1 相貫線焊縫數(shù)學模型的建立

TKY 管節(jié)點焊縫的空間結構復雜，按照標準組裝的該類工件有規(guī)則的空間數(shù)學模型，相貫線焊縫的數(shù)學模型可由主支管內(nèi)外壁的相交相貫線方程給出。冶金部建筑研究總院的劉興亞［3］等通過數(shù)學推導，建立了T、K、Y 管節(jié)點焊縫各結構參數(shù)的相互關系，并采用計算機輔助計算，繪制幾何臨界角與相貫角、聲程修正系數(shù)及水平距離修正系數(shù)與相貫角和偏角的關系曲線，為TKY 管節(jié)點焊縫超聲波檢測在工程實踐中的應用奠定了理論基礎。1999年天津大學的王萍［4］等根據(jù)TKY 管節(jié)點焊縫的結構特點，建立了焊縫及其任意定點截面的數(shù)學模型，并給出其算法，實現(xiàn)了利用計算機對缺陷的準確、快速定位，大大降低人為因素對缺陷定位的影響和操作人員的勞動強度。

2.2 超聲相控陣技術的應用

隨著新技術的發(fā)展和應用，超聲相控陣技術也逐步應用于現(xiàn)代無損檢測工作中。海油工程檢驗公司2001年從加拿大R／D tech公司引進該項技術，并在東方H 油田開發(fā)項目海底管線鋪設中得到了成功應用，由此開啟了超聲相控陣技術在管道類工件中的應用。哈爾濱工業(yè)大學的單寶華博士［5］等人，針對管節(jié)點焊縫結合相控陣技術研制了管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測成像系統(tǒng)，在超聲相控陣基礎上，實現(xiàn)了聲束角度可控和動態(tài)聚焦，其檢測的精確性、重現(xiàn)性及檢測結果的可靠性均高于傳統(tǒng)超聲檢測技術，檢測的實時性和直觀性得到了增強。此外，哈爾濱工業(yè)大學的郝廣平［6］等開發(fā)了應用于管節(jié)點焊縫檢測的超聲相控陣掃查器，而且還給出了掃查器與管節(jié)點之間的位姿關系，并計算了探頭坐標系、焊縫坐標系和掃查器基座坐標系之間的位姿矩陣，為掃查器的控制提供了理論依據(jù)。中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所程建政等人申請了“一種管節(jié)點焊縫超聲檢測機械掃描裝置”［7］和“一種TKY管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測系統(tǒng)”［8］兩項專利。

2.3 TOFD技術的應用

衍射時差法（Time of Flight Diffraction，TOFD）是一種依靠超聲波與缺陷端部相互作用發(fā)出的衍射波來檢出缺陷并對缺陷進行定量的檢測技術。目前，TOFD主要應用于母材厚度大于12mm 的平板焊縫或直徑較大的環(huán)焊縫的檢測。對于焊縫形狀為空間馬鞍形的TKY管節(jié)點焊縫，焊縫方向的變化限制了TOFD技術的應用；其次，焊縫兩側(cè)分別為主管和支管，耦合面為曲面，探頭耦合困難；同時，焊縫的可操作區(qū)域較小，掃查架放置困難。此外，TKY 管節(jié)點焊縫的檢測多為高空作業(yè)，增加了危險性，同時降低了檢測效率，這對于檢測工作來說是不利的。

2.4 計算機輔助設計在超聲相控陣檢測中的應用

計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是伴隨著計算機技術的產(chǎn)生和發(fā)展而出現(xiàn)的新技術。其通過利用計算機強大的計算能力和高效的圖形處理能力，輔助設計人員進行工程和產(chǎn)品的設計與分析，以模擬的理想結果指導實際的工作。對于TKY 管節(jié)點焊縫的檢測問題，人們借助CAD技術，通過建立其空間數(shù)學模型，進一步簡化得到焊縫截面二維輪廓，然后根據(jù)反射回波聲程和實際檢測角度實現(xiàn)缺陷的快速定位。例如，海洋石油工程股份有限公司檢驗公司先后與天津大學和東南大學聯(lián)合開發(fā)了針對TKY 管節(jié)點焊縫檢測的專用定位輔助軟件，并將軟件植入超聲檢測儀器當中，實現(xiàn)了缺陷的檢測定位。值得一提的是，南京航空航天大學的趙志斌等［9］討論了典型的Y 型管節(jié)點焊縫的數(shù)學模型，提出了一種在鋼結構相貫節(jié)點中確定焊縫內(nèi)部缺陷位置的新方法。2012年，南昌航空大學的程俊等人［10］在已有工作的基礎上，研制了一套“TKY 管節(jié)點焊縫相控陣檢測輔助定位”軟件，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)TKY 管節(jié)點焊縫的超聲相控陣聲束覆蓋模擬及焊縫缺陷定位等功能，并在此后將該軟件植入汕頭超聲儀器研究所有限公司研發(fā)的SUPOR 系列型號超聲相控陣檢測儀中。目前該系統(tǒng)已成功運用于TKY 管節(jié)點焊縫的檢測工作中。

2.5 TKY管節(jié)點焊縫的力學分析

海洋平臺中的管節(jié)點由于長期承受循環(huán)載荷而容易在焊縫處產(chǎn)生疲勞表面裂紋。對包含表面裂紋的管節(jié)點的殘余壽命的評估依賴于對表面裂紋應力強度因子的準確估算，因此，國內(nèi)外不少專家學者針對管節(jié)點結構進行了表面裂紋應力強度因子的有限元分析。煙臺大學的邵永波等［11］提出了KK 節(jié)點中表面裂紋的有限元網(wǎng)格產(chǎn)生方法，然后采用線彈性斷裂力學理論，通過裂紋前緣的位移外推插值法分析了KK 節(jié)點在軸向力作用下沿著表面裂紋的應力強度因子的分布情況。最后，通過對22個KK 節(jié)點的模型分析，研究了管節(jié)點的幾何參數(shù)和裂紋形狀參數(shù)對應力強度因子的影響情況。

3 無損檢測方法的展望

3.1 自動化成像檢測技術

在現(xiàn)代無損檢測技術中，超聲成像技術［12］是一種令人矚目的新技術，它集計算機技術、信號采集技術和圖像處理技術于一體，生成的直觀的超聲圖像可記錄豐富的信息，直接地反映物體的聲學和力學性質(zhì)，具有廣闊的應用前景?，F(xiàn)代超聲成像技術大多具有自動化和智能化的特點，具有檢測的一致性好，可靠性、復現(xiàn)性高等優(yōu)點；其對存儲的檢測結果可進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，并可對歷次檢測的結果進行自動比較，以對缺陷做動態(tài)檢測。因此，該技術的應用，必將成為無損檢測技術發(fā)展的趨勢。

3.2 專家系統(tǒng)的應用

專家系統(tǒng)是一種具有特定領域內(nèi)大量知識與實踐經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它應用人工智能技術來模擬專家的思維過程以求解領域內(nèi)的各種問題，其水平可以達到甚至超過專家的水平。

在海洋工程無損檢測行業(yè)有許多技術高明的專家，他們在這一領域具有豐富的實踐經(jīng)驗，如果把對TKY 管節(jié)點焊縫的檢測經(jīng)驗集中起來，并在計算機中形成知識庫，然后再把專家們運用這些知識判斷缺陷的思維過程編成程序構成推理機，使得計算機能像人類專家那樣對缺陷信號進行判斷，則這樣的程序就是一個專家系統(tǒng)。類似的應用，如自1968年美國的費根鮑姆研制成功第一個基于神經(jīng)網(wǎng)絡的醫(yī)學專家系統(tǒng)DEN－DRAL 以來，專家系統(tǒng)技術已經(jīng)獲得了迅速發(fā)展，并廣泛地應用于醫(yī)療診斷、圖像處理、石油化工、地質(zhì)勘探、金融決策以及軍事等領域。

圖2為一個三段結構的人工智能系統(tǒng)，其可幫助對超聲檢測（UT）應用并不熟練的操作人員選擇最好的檢測方法、技術去解決所遇到的問題，該系統(tǒng)被稱為超聲UT顧問，可為咨詢者提供咨詢服務。該專家系統(tǒng)由3個部分組成：超聲檢測（UT）方法和技術庫，UT方法和技術優(yōu)先順序的排列，各類專家系統(tǒng)。

4 結語

TKY 管節(jié)點焊縫由于其復雜的空間結構，常規(guī)的超聲波檢測難以有效地對該類結構件進行快速準確地檢測，隨著新型檢測設備和檢測工藝的發(fā)展和應用，新的技術，如超聲相控陣成像檢測、自動化檢測、專家系統(tǒng)等技術的應用將大大提高檢測效率和可靠性，減少人為因素造成的誤差，推動超聲無損檢測與評價技術的發(fā)展。

［1］程志虎.TKY 管節(jié)點焊縫超聲波探傷——第一講：概述［J］.無損檢測，1994，16（8）：27－33.

［2］程志虎.“TKY 管節(jié)點焊縫超聲波探傷系列講座”刊后語［J］.無損檢測，1995，3（17）：86－87.

［3］劉興亞，晉青珍.申獻輝.T、K、Y 管節(jié)點焊縫超聲波探傷的計算機輔助計算［J］.鋼結構，1998，13（4）：19－23.

［4］王萍，程道超，林孔元，等.TKY 管節(jié)點焊縫缺陷定位的研究［J］.天津大學學報，1999，32（4）：459－462.

［5］單寶華，歐進萍.海洋平臺結構管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測技術［J］.焊接學報，2004，25（6）：35－37.

［6］郝廣平，鄧宗全.相控陣探頭掃查器檢測管節(jié)點焊縫的位姿［J］.焊接學報，2006，27（2）：23－26.

［7］程建政，宋玉玲.一種管節(jié)點焊縫超聲檢測機械掃描裝置：中國，CN1624470［P］.2005－06－08.

［8］程建政，宋玉玲，張旸，等.一種TKY管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測系統(tǒng)：中國，CN1616961［P］.2005－05－18.

［9］趙志斌.Y 型管節(jié)點的超聲檢測研究［D］.南京：南京航空航天大學，2006.

［10］陸銘慧，程俊，邵紅亮，等.計算機輔助在TKY 管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測中的應用［J］.焊接學報，2012，4（33）：45－49.

［11］邵永波，杜之富，胡維東.海洋平臺中KK 管節(jié)點表面裂紋應力強度因子的有限元計算方法［J］.船舶力學，2008，12（2）：82－90.

［12］施克仁.無損檢測新技術［M］.北京：清華大學出版社，2007.