聲束可視化在管節(jié)點焊縫超聲檢測中的應(yīng)用

王少軍,宋　 盼,程　俊,左延田

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院， 上海 200062；2.北京青云航空儀表有限公司， 北京 100086)

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聲束可視化在管節(jié)點焊縫超聲檢測中的應(yīng)用

王少軍1,宋 盼1,程俊2,左延田1

(1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院， 上海 200062；2.北京青云航空儀表有限公司， 北京 100086)

通過簡化鋼管幾何結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了管節(jié)點焊縫任意剖面的數(shù)學(xué)模型。利用幾何聲學(xué)原理和計算機模擬技術(shù)，繪制了焊接接頭的剖面圖和超聲波的傳播路徑，實現(xiàn)了焊接接頭聲束覆蓋模型的可視化，為制定超聲相控陣檢測工藝、設(shè)置設(shè)備檢測參數(shù)和檢驗檢測效果提供了技術(shù)支持和直觀的圖像顯示。通過進行驗證試驗,結(jié)果表明：采用聲束可視化及超聲相控陣技術(shù)相結(jié)合的手段,可對管節(jié)點焊縫進行有效、快速及準確的檢測。

管節(jié)點焊縫; 超聲相控陣; 聲束可視化

管節(jié)點焊縫由于美觀、力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點，在鋼結(jié)構(gòu)、壓力容器、壓力管道、起重機械及游樂設(shè)施等工程中大量使用，其質(zhì)量可靠性也越來越受到人們重視。由于管節(jié)點焊縫的幾何形狀特殊且復(fù)雜，采用射線方法往往無法對此類構(gòu)件進行檢測;磁粉檢測方法無法檢測焊縫的埋藏缺陷。故,對這類構(gòu)件的檢測，工程上主要采用單角度超聲橫波檢測的方法[1]，該方法在操作過程中需要頻繁移動甚至更換探頭，加之需手工繪圖進行定位缺陷等繁多步驟、工程應(yīng)用受到極大的限制[2]。

然而,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲檢測技術(shù)正朝著超聲波成像、可視化和智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)今,運用相控陣檢測技術(shù)可實現(xiàn)對管節(jié)點焊縫的檢測，有效地為此類復(fù)雜構(gòu)件的檢測提供了技術(shù)支持[3-5]；運用計算機模擬技術(shù)可實現(xiàn)聲束管節(jié)點焊縫覆蓋的可視化，有效地評價焊接接頭的盲區(qū)大小、識別管節(jié)點焊縫的偽缺陷、定位管節(jié)點焊縫的缺陷，有效地減少了人為因素造成的誤差。筆者介紹了結(jié)合相控陣技術(shù)的聲束可視化手段在管節(jié)點焊縫超聲檢測中的應(yīng)用。

1　管節(jié)點焊縫聲束可視化模型

1.1管節(jié)點焊縫數(shù)學(xué)模型

對管節(jié)點焊縫超聲檢測時，進行缺陷定位、偽缺陷識別及盲區(qū)檢測的基礎(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)管節(jié)點焊縫結(jié)構(gòu)圖可知，法平面與主管的內(nèi)、外壁的相關(guān)曲線及法平面與支管的內(nèi)、外壁的相關(guān)曲線，是兩組同心橢圓曲線，對主管橢圓曲線進行旋轉(zhuǎn)可得到管節(jié)點焊縫任意剖面的截面圖。以旋轉(zhuǎn)角為銳角時為例：管節(jié)點焊縫剖面如圖1所示，直線AB為焊縫根部間隙，間隙量為m。直線AC為焊縫坡口所在位置。曲線CD為焊縫寬度，長度為n。在平面直角坐標(biāo)系中，坐標(biāo)系原點為支管軸線橢圓中心點O支(0，0)，主管的橢圓中心點為O主(Ox，Oy)。a，b為主管橢圓的長短軸。則主管橢圓經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變化,得到方程：

(1)

在圖1中，ABCD為焊縫區(qū)域，通過數(shù)值算法可以確定A、B兩點的坐標(biāo)值;結(jié)合B點坐標(biāo)、坡口角度及支管橢圓方程可以確定C點的坐標(biāo);以C點為圓心，以焊縫寬度為半徑交主管外壁于D點，即可知D點坐標(biāo)[6]。至此，區(qū)域ABCD為管節(jié)點焊縫模型。

圖1　管節(jié)點焊縫剖面示意

1.2聲束覆蓋模型

在工程應(yīng)用超聲檢測管節(jié)點焊縫時，由于聲束覆蓋焊縫不可視化，造成了檢測人員對焊縫盲區(qū)的不可控，增大了偽缺陷識別及缺陷定位的難度。因此，建立管節(jié)點焊縫聲束覆蓋模型可以使聲束可視化，減少人為因素造成的誤差。根據(jù)管節(jié)點焊縫剖面圖，來確定超聲聲束的傳播路徑。給定一折射角度為β的橫波聲束，其入射角度為α，入射角度與折射角度遵守折射定理;該聲束出射點為E(xe，ye)，在支管內(nèi)壁入射點為R，如圖2所示。根據(jù)幾何關(guān)系，可確定聲束入射點R的坐標(biāo)為：

(2)

式中：h為陣元距離探頭底面高度；θ0為切線與坐標(biāo)軸x夾角；θ為探頭斜楔角度。

圖2　聲束覆蓋模型示意

依據(jù)此方法可以模擬出其他角度的聲束傳播路徑，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，可以分析相控陣探頭聲束在焊縫區(qū)域內(nèi)的覆蓋情況；聲束可視化后對出現(xiàn)的回波進行定位計算，根據(jù)入射角度、聲程和焊縫結(jié)構(gòu)等要素，直觀地識別該回波是缺陷波或是偽缺陷波等，從而制定工程應(yīng)用超聲相控陣檢測工藝。

2　聲束可視化模擬

通過計算機編程，將上述數(shù)學(xué)模型編制成相應(yīng)的模擬定位軟件，依據(jù)工件中母線編號、間隙量、焊縫寬度、主支管直徑壁厚、距離基準母線長度(弧長)等參數(shù)，運用該軟件對試塊進行聲束可視化模擬。

此模擬軟件設(shè)定上述參數(shù)為已知，結(jié)合相控陣檢測技術(shù)，采用相控陣探頭最大偏轉(zhuǎn)角度范圍為30°～70°，探頭位于支管外壁，距離焊縫邊緣為15 mm，改變弧長的距離，可以模擬出不同的聲束傳播路徑(見圖3)，其中的弧長距離為隨機選取。

通過此模擬軟件，當(dāng)改變探頭與焊縫邊緣的間距，其他參數(shù)條件不變時，可得到不同的聲束傳播路徑,如圖4所示，其中探頭與焊縫邊緣的間距為隨機選取。

圖3　距焊縫邊緣為15 mm,改變弧長距離時的聲束可視化模擬圖

圖4　弧長440 mm,改變探頭與焊縫邊緣間距時的聲束可視化模擬圖

由圖3可知:探頭距離焊縫邊緣為常數(shù)15 mm時，弧長0～450 mm時，聲束可覆蓋焊縫根部及焊縫上表面大部分區(qū)域，由于主支管曲率、間隙的影響，靠近焊縫主管側(cè)面融合區(qū)尚存在部分未覆蓋區(qū)域，實際檢測時須對該區(qū)域進行二次掃查，調(diào)整探頭與焊縫邊緣的間距，使焊縫接頭區(qū)域能夠被全面掃查到；弧長630～760 mm時，聲束可對焊縫接頭全覆蓋，實際檢測時，只須將探頭放置于距離焊縫邊緣15 mm處并進行一次掃查即可滿足對焊縫的全掃查要求。

由圖4可知:弧長440 mm，探頭距離焊縫邊緣為0～11mm時，聲束可覆蓋焊縫根部及焊縫上表面大部分區(qū)域;探頭距離焊縫邊緣為16～22 mm時，聲束可對焊縫接頭進行全覆蓋。實際檢測過程中，改變探頭與焊縫邊緣的間距，就可改變聲束覆蓋焊縫路徑，從而防止工件的漏檢。

3　試驗應(yīng)用與分析

3.1試件設(shè)計

采用最具代表性的Y型管節(jié)點為試驗對象[7]：材料為Q235鋼，橫波聲速為3 230 m·s-1。實測主管外徑為800 mm，支管外徑為600 mm，主支管交叉角為45°，主管壁厚為25 mm，支管壁厚為19 mm，焊接完成后進行塊分區(qū)并切割。

圖5(a)為試件實物圖，圖5(b)為聲束覆蓋效果圖。在試件上設(shè)計深度為20 mm的兩個短橫孔，孔徑為φ2 mm。

圖5　試件實物與弧長400 mm時的聲束覆蓋效果圖

3.2應(yīng)用與分析

采用超聲相控陣儀器對試件進行掃查，得到掃查圖如圖6所示。由圖可見:在掃查圖上共計有2處回波信號，信號1聲程50.3 mm，掃查角度37.9°；信號2聲程38.8 mm，掃查角度60.2°。

圖6　試件的相控陣掃查圖

圖7　信號1,2的定位圖

使用計算機聲束模擬軟件，對圖6掃查結(jié)果的回波信號進行分析定位，如圖7所示，W為反射回波聲程，D為回波深度。圖中,1號回波為1號孔的二次反射波；2號回波為未焊透端角回波?？梢?1號回波為缺陷波,2號回波為偽缺陷回波。由于工件F-B面存在嚴重未焊透現(xiàn)象以及橫孔F-B-1對聲波的影響，橫孔F-B-2未被檢出。因此，通過相控陣檢測結(jié)合聲束模擬軟件，可以有效地評價焊接接頭的盲區(qū)大小,識別管節(jié)點焊縫的偽缺陷,定位管節(jié)點焊縫的缺陷，有效地減少了人為因素造成的誤差。

4　結(jié)論

(1) 運用計算機模擬軟件實現(xiàn)了管節(jié)點焊縫聲束的可視化，可以直觀顯示波束在管節(jié)點焊縫的覆蓋狀態(tài)，有效地評價焊接接頭的盲區(qū)大小，有效地定位管節(jié)點焊縫的缺陷，有效地識別管節(jié)點焊縫的偽缺陷，減少人為因素在檢測工作中的影響。

(2) 采用超聲相控陣掃查可以減少探頭的移動，同時可以縮小管節(jié)點焊縫的檢測盲區(qū)，降低缺陷漏檢率。

(3) 采用聲束可視化及超聲相控陣技術(shù)相結(jié)合的手段,可對管節(jié)點焊縫進行有效、快速及準確的檢測。

[1]程志虎.TKY管節(jié)點焊縫超聲波探傷——第一講 技術(shù)特征與影響因素[J].無損檢測,1994，16(8)：234-240.

[2]劉凱.正確選擇和使用縱波雙晶探頭[J].無損探傷，2005，27(2)：29-32.

[3]單寶華，歐進萍.海洋平臺結(jié)構(gòu)管節(jié)點焊縫超聲相控陣檢測技術(shù)[J].焊接學(xué)報,2004,25(6):35-37.

[4]李衍，薛飛展.承壓設(shè)備焊縫超聲相控陣檢測讀譜[J].無損檢測,2010,32(8) 567-570,644.

[5]鄧燕燕,程俊.Y型管節(jié)點焊縫超聲波檢測缺陷的計算機輔助定位[J].無損檢測,2014,36(2):32-35.

[6]徐士良.常用算法程序集(C++語言描述)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2009.

[7]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(xué),2006:33-37,41-45.

Application of Visual Beam Ultrasonic in Inspection of Weld in Tubular Node

WANG Shao-jun1, SONG Pan1, CHENG Jun2, ZUO Yan-tian1

(1.Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research, Shanghai 200062, China;2.Beijing Qingyun Aviation Instrument Co., Ltd., Beijing 100086, China)

This paper constructs mathematical model of tubular joint weld of arbitrary section by simplifying the geometry structure. Geometric acoustics and computer simulation technology were used, and a cross sectional view of welded joints and the propagation path of ultrasonic waves was drawn in order to achieve a welded joint beam coverage model visualization, which can provide technical support and intuitive graphic display for the development of ultrasonic phased array testing process and setting detection parameters for better inspection effect. Study shows that it is beneficial for enhancing the effectiveness and achieving rapid and accurate detection of tubular joint weld by employment of visual beam and ultrasonic phased array technology.

Tubular joint; Ultrasonic phased array; Visual beam

2015-11-10

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科研資助項目(2013-54);國家自然科學(xué)基金資助項目(51205256)

王少軍(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事特種設(shè)備的超聲無損檢測與研究工作。

王少軍,E-mail: 254309308@qq.com。

10.11973/wsjc201606004

TG115.28

A

1000-6656(2016)06-0017-04