海洋平臺構件單面焊焊縫超聲檢測根部回波的影響分析

閆留青

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海洋石油平臺在建造過程中會使用大量只從一面焊接的管縱焊縫接頭和TKY型管狀接頭,TKY管狀接頭結構如圖1所示。該類接頭焊縫往往要求根據(jù)標準API RP 2X-2015，使用45°,60°和70° 3種標稱橫波角度探頭進行100%的超聲檢測，以確定焊縫中是否存在缺陷。在對TKY型管狀接頭進行超聲掃查時，探頭應盡量垂直于焊縫；由于垂直每個焊縫截面的坡口形式不斷變化，根部鈍邊角度也是變化的；另由于探頭掃查面曲率的變化，探頭聲束相對于根部坡口的角度也會有變化。

圖1 TKY型管狀接頭結構示意

由于上述根部鈍邊夾角和探頭掃查面的曲率變化,焊縫根部未熔合引起的超聲回波十分復雜，因此，為對焊縫根部缺陷進行準確地定位定量，需對根部鈍邊引起的根部未熔合超聲回波進行分析。制作了含有不同傾斜角度的根部鈍邊未熔合反射體模擬試塊，并對根部鈍邊角度變化引起的根部未熔合超聲回波進行了分析。

1 根部鈍邊未熔合反射機理與反射體試塊的制備

根部鈍邊未熔合的反射回波與面反射、尖端散射、尖端衍射和未熔合與底面共同產(chǎn)生的角反射等機理有關。其中尖端散射(橫波)和尖端衍射(縱波)回波幅值較小，并且與未熔合的傾角關系不大。對于面反射，隨著未熔合傾角的變化，當軸線聲束與傾斜面垂直時，反射回波最高。對于角反射，隨著未熔合傾角的變化，回波幅值也不同，當傾角為90°時，會發(fā)生端角反射。另外對于面反射和角反射，隨著未熔合傾角的變化，有時面反射對回波幅值起主要作用，有時角反射起主要作用，有時又有可能都不起作用。

文章選用壁厚為25 mm的平板，加工了31個長度和寬度相同，而傾斜角度(α)不同的根部鈍邊人工模擬反射體。其中每個根部鈍邊人工模擬反射體的規(guī)格都相同，寬都為1.6 mm，長都為30 mm。根部鈍邊反射體試塊如圖2所示(圖中僅顯示一個反射體)，根部鈍邊反射體參數(shù)如表1所示。

圖2 根部鈍邊反射體試塊結構示意

表1 人工根部鈍邊反射體參數(shù)

2 根部鈍邊未熔合模擬反射體掃查試驗

圖3 DAC曲線制作示意

使用標準API RP 2X-2015規(guī)定的A級檢測用對比試塊，以直徑為1.6 mm的長橫孔作為基準靈敏度，根據(jù)API RP 2X-2015標準第7.9.3節(jié)進行DAC(距離-波幅)曲線的制作(見圖3)。根部鈍邊反射體的A掃波形及其掃查示意如圖4所示，分別使用尺寸和頻率相同[中心頻率為5 MHz,探頭尺寸為10×10(長×寬)]，而標稱角度不同(標稱角度分別為45°，60°和70°)的3個橫波斜探頭，逐一對31個根部鈍邊未熔合模擬反射體進行掃查，并記錄每個根部鈍邊未熔合模擬反射體的最高回波與參考靈敏度的分貝差和此時最高回波處的聲程(S)，檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 根部鈍邊反射體的A掃波形及掃查示意

表2 各反射體的檢測數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 根部鈍邊角度對根部未熔合超聲回波的幅值影響

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制根部鈍邊角度與回波幅值的關系曲線(見圖5，圖中角度為探頭的標稱角度)。從圖5得出如下信息。

圖5 根部鈍邊角度與未熔合回波幅值關系曲線

(1) 當α=90°時，聲波會產(chǎn)生端角反射[1]。對于45°探頭，根部鈍邊未熔合模擬反射體的回波幅值最大。對于60°探頭，根部鈍邊未熔合模擬反射體上會激發(fā)很強的變型波(接近于縱波61°反射)，70°探頭也有類似現(xiàn)象，這成為這2種角度探頭回波幅值降低的一個重要原因。

(2) 當α≠90°時，端角反射現(xiàn)象會降低。對于45°探頭，根部鈍邊未熔合模擬反射體的回波幅值下降最快。對于60°探頭，根部鈍邊未熔合模擬反射體激發(fā)變型波的影響慢于角度變化的影響，回波幅值在α=84°時有些升高，但整體回波幅值一直比較低。對于70°探頭，由于聲速擴散角比較大，并且在α為70°和110°附近 ，根部鈍邊未熔合模擬反射體的回波幅值下降不明顯，回波幅值一直比較高，并且波動不大。

(3) 當根部鈍邊傾斜角為110°，120°和135°時，70°，60°和45°探頭分別在這些角度上是垂直入射狀態(tài)，都能夠得到最高反射回波。

(4) 當60°和45°探頭不是垂直入射根部鈍邊時，回波降低比較明顯。

(5) 對于45°探頭，90°傾角上的反射波比135°傾角(垂直入射)的高，這是因為聲束在90°傾角上發(fā)生的端角反射為雙面反射(即90°角兩側(cè)的反射面都反射了回波，見圖6)，反射面相對于135°傾角的反射面大幅增加，因此探頭接收的回波幅值較高。

圖6 90°傾角雙反射面與135°傾角單反射面示意

綜上所述，對于直角鈍邊缺陷(比如直角鈍邊未焊透，根部裂紋)，適合用45°探頭進行定量，不適合用60°探頭進行定量；對于非直角鈍邊缺陷(α角為90°±15°)，適合用70°探頭進行定量，不適合用60°和45°探頭進行定量；對于根部鈍邊傾斜角為110°，120°和135°時，可以分別用主聲束與之垂直的70°，60°和45°探頭進行定量。

3.2 根部鈍邊角度對根部未熔合超聲回波的聲程影響分析

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制的根部鈍邊角度與回波聲程的關系曲線如圖7所示。從圖7可以看出，在60°<α<150°時， 對于70°探頭，由于聲束擴散角比較大，主聲束的橫截面比較大，所以最高回波處的聲程測量值波動比較大。對于45°探頭，由于聲束擴散角比較小，主聲束的橫截面也比較小，所以最高回波處的聲程測量值波動比較小。對于60°探頭，聲程波動介于45°和70°探頭之間。因此，對于60°<α<150°的情況，優(yōu)先選用45°探頭進行定位(使用70°探頭進行定位時，偏差可能比較大)。

圖7 根部鈍邊角度與最高回波聲程的關系曲線

4 結語

通過試驗對根部鈍邊角度對根部未熔合超聲回波的幅值和聲程測量的影響進行了分析，總結了相關規(guī)律。不僅為此類焊縫根部不連續(xù)的檢測提供探頭選用的依據(jù)，而且對根部缺陷的定位定量也有較好的指導意義。