海洋工程超聲波檢驗(yàn)新型API試塊的設(shè)計(jì)

李鵬頻

(海洋石油工程股份有限公司, 珠海 519000)

在海洋工程領(lǐng)域，大多數(shù)項(xiàng)目的無(wú)損檢測(cè)都需要在海上進(jìn)行，海洋工程結(jié)構(gòu)的超聲波檢驗(yàn)常采用美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)，涉及超聲波檢測(cè)的試塊包括國(guó)際焊接協(xié)會(huì)(IIW)試塊和美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)參考試塊兩種，一般調(diào)節(jié)儀器需先在IIW試塊上調(diào)節(jié)聲速、范圍，測(cè)定入射點(diǎn)和測(cè)定折射角等，然后再利用API參考試塊制作距離-波幅曲線(DAC)。如果現(xiàn)場(chǎng)需要檢測(cè)多個(gè)不同厚度的焊縫，則需要使用多個(gè)API參考試塊調(diào)節(jié)。超聲波檢測(cè)試塊重量較重，出海和出差進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)，難以帶全所有系列的參考試塊。當(dāng)進(jìn)行不同厚度材料的檢測(cè)時(shí)，如果沒(méi)有帶相應(yīng)厚度的API試塊，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)校準(zhǔn)和測(cè)試亦會(huì)有一定的困難。

筆者結(jié)合國(guó)際焊接協(xié)會(huì)(IIW)試塊和美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)系列參考試塊的各自特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種新型的滿足API-RP-2XRecommendedpracticeforultrasonicandmagneticexaminationofoffshorestructuralfabricationandguidelinesforqualificationoftechnicians檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的超聲波檢驗(yàn)通用試塊。

1 試塊的設(shè)計(jì)和加工

1.1 試塊的材料確定

目前海洋工程類項(xiàng)目中，鋼結(jié)構(gòu)所使用的碳鋼材料一般為DH36、JIS SM490YB、Q235B和20鋼。而在各個(gè)項(xiàng)目的檢驗(yàn)要求中，材料Q235B常用于制作成品工字梁，此類結(jié)構(gòu)一般只需要進(jìn)行磁粉檢測(cè),故不考慮Q235B材料。經(jīng)過(guò)使用對(duì)比，DH36、JIS SM490YB和20鋼的聲學(xué)性能基本一致。在聲學(xué)性能一致的情況下，20鋼在制作和價(jià)格上更具優(yōu)勢(shì)，故最終確定以20鋼作為新型API試塊的設(shè)計(jì)材料。

1.2 試塊反射體設(shè)計(jì)

考慮到功能性及便攜性，試塊需具有IIW標(biāo)準(zhǔn)試塊和API參考試塊的各自特點(diǎn)，以及IIW標(biāo)準(zhǔn)試塊和API參考試塊的功能，包括水平線性及垂直線性測(cè)定、聲速測(cè)定、入射點(diǎn)及折射角測(cè)定、繪制距離-波幅曲線和根部靈敏度校驗(yàn)等功能。試塊中應(yīng)包含API標(biāo)準(zhǔn)所要求的φ1.6 mm橫通孔、T形、K形、Y形管狀節(jié)點(diǎn)檢驗(yàn)所用的根部槽和用于調(diào)試儀器基本參數(shù)的圓弧。

1.2.1φ1.6 mm橫通孔位置確定

API-RP-2X《海上結(jié)構(gòu)制造超聲波檢測(cè)和磁粉檢測(cè)推薦作法及無(wú)損檢測(cè)人員技術(shù)資格鑒定指南》標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)執(zhí)行A級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則參考等級(jí)校準(zhǔn)使用的內(nèi)部反射體是標(biāo)準(zhǔn)中A級(jí)參考試塊或者規(guī)范指定的類似試塊里直徑為1.6 mm的橫通孔。當(dāng)執(zhí)行C級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，使用直徑為1.6 mm的橫通孔作為內(nèi)部反射體的參考等級(jí)。從標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，API-RP-2X驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)C級(jí)都需要使用直徑1.6 mm的橫通孔來(lái)進(jìn)行檢測(cè)靈敏度校準(zhǔn)。

根據(jù)項(xiàng)目調(diào)查統(tǒng)計(jì)，海洋工程海上超聲檢測(cè)一般壁厚在60 mm以下，以30～40 mm壁厚的焊口數(shù)量居多，為滿足海上結(jié)構(gòu)超聲波檢測(cè)需求，選擇厚度為100 mm的試塊，在6，20，40，50，70，90 mm深的位置處鉆孔(見(jiàn)圖1)。通過(guò)上下翻轉(zhuǎn)試塊能夠獲得6，10，20，30，40，50，60，70，80，90，94 mm深度的對(duì)比反射體，從而達(dá)到滿足海上結(jié)構(gòu)超聲波檢測(cè)的要求。

圖1 φ1.6 mm橫通孔的尺寸示意

1.2.2 根部槽位置

在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)中存在較多的T、K、Y節(jié)點(diǎn)焊口，這些T、K、Y節(jié)點(diǎn)的根部區(qū)域只能進(jìn)行單側(cè)檢驗(yàn)。API-RP-2X標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)執(zhí)行A級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，如果對(duì)根部區(qū)域只能進(jìn)行單側(cè)檢測(cè)，推薦使用70°探頭檢測(cè)，參考等級(jí)的校準(zhǔn)反射體應(yīng)使用1.6 mm深的表面槽。當(dāng)執(zhí)行C級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，參考等級(jí)的校準(zhǔn)反射體應(yīng)使用1.6 mm深的表面槽。從標(biāo)準(zhǔn)中可以看出，API-RP-2X A級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和C級(jí)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)都需要使用深度為1.6 mm的表面槽來(lái)進(jìn)行根部靈敏度校準(zhǔn)。因此試塊設(shè)計(jì)還需考慮適用于T、K、Y節(jié)點(diǎn)檢驗(yàn)調(diào)節(jié)的根部槽。

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)得出，海上T、K、Y節(jié)點(diǎn)的支管壁厚一般在40 mm以下，可用厚度為15,25,45 mm的表面槽來(lái)制作根部靈敏度曲線?？紤]到試塊大小及試塊重量，采用臺(tái)階階梯的形式將根部槽加工在試塊的階梯上。臺(tái)階階梯試塊結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 根部槽臺(tái)階階梯結(jié)構(gòu)示意

1.2.3 圓弧的設(shè)計(jì)形式

日常儀器的性能調(diào)試，還需測(cè)定材料聲速、探頭的入射點(diǎn)、折射角以及設(shè)置檢測(cè)范圍，這些性能可通過(guò)圓弧來(lái)實(shí)現(xiàn)。日常的IIW試塊調(diào)節(jié)斜探頭的聲速和范圍需通過(guò)圓弧二次反射波來(lái)進(jìn)行，這一般適用于橫波調(diào)試，縱波斜探頭是無(wú)法通過(guò)圓弧來(lái)調(diào)節(jié)聲速和范圍的，考慮到這一因素，筆者參考CSK-IA試塊的結(jié)構(gòu)形式[1]，將試塊的圓弧設(shè)計(jì)成同側(cè)雙圓弧形狀，從而滿足儀器調(diào)試的功能，其結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 圓弧的結(jié)構(gòu)示意

1.3 試塊尺寸

確定了φ1.6 mm橫通孔位置、TKY根部槽位置和圓弧的設(shè)計(jì)形式幾個(gè)基本要素后，還需要考慮試塊的具體尺寸。試塊的尺寸取決于各個(gè)階梯的長(zhǎng)度以及橫通孔的深度。

1.3.1 試塊階梯長(zhǎng)度

API-RP-2X標(biāo)準(zhǔn)要求根部槽的位置需離端角最少38 mm，以除去端角回波的干擾，為節(jié)省試塊空間，將根部槽的位置設(shè)置在離端角38 mm處。受階梯設(shè)計(jì)的影響，在根部槽的另一側(cè)也存在一個(gè)端角，但此處的端角方向朝下，在調(diào)試中并不會(huì)產(chǎn)生端角反射的現(xiàn)象。將根部槽到另一側(cè)端角的距離設(shè)置為20 mm，預(yù)留一定距離的水平位置，使探頭能較好地接收根部槽的反射信號(hào)。同時(shí)該階梯還可用于制作傳輸修正曲線，便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中材料及表面狀態(tài)差異導(dǎo)致的聲能損失。傳輸修正曲線通過(guò)使用相同角度的一發(fā)一收探頭來(lái)制作。常用的探頭角度為45°，60°和70°。使用70°探頭時(shí)，對(duì)于大壁厚焊縫一般采用一次波檢測(cè)，故對(duì)于45 mm的臺(tái)階傳輸修正只需將一發(fā)一收探頭分別放在階梯面的上下表面進(jìn)行測(cè)定。45°和60°探頭的傳輸修正曲線可使用兩個(gè)相同角度探頭放在同側(cè)或?qū)?cè)，通過(guò)前后移動(dòng)探頭獲取峰值信號(hào)來(lái)制作。傳輸修正曲線制作的聲束路徑示意如圖4所示，可以算出70°探頭離45 mm深臺(tái)階面的偏移距離為45 mm×tan70°=123.6 mm。因此在45 mm臺(tái)階的一側(cè)需留足夠空間以保證聲束傳播過(guò)程中無(wú)干擾。

圖4 試塊階梯尺寸示意

1.3.2φ1.6 mm橫通孔水平位置確定

采用橫通孔制作DAC曲線時(shí)，此試塊僅需采用一次波便可制作。將橫通孔的位置設(shè)置為靠近圓弧側(cè)，從而避免橫通孔對(duì)根部槽產(chǎn)生干擾，通過(guò)在圓弧測(cè)使用一次波直射法制作DAC曲線。根據(jù)勾股定理，使用60°探頭時(shí)，可以算出最深處的橫通孔需要的水平距離為155.88 mm(90 mm×tan60°)。使用70°探頭時(shí)，對(duì)于大厚壁一般采用一次波檢測(cè)，因此使用50 mm深的橫通孔就能夠滿足70°探頭現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求,通過(guò)公式可以計(jì)算出70°探頭移動(dòng)需要的水平距離為137.37 mm(50 mm×tan70°)。為節(jié)省試塊空間，可利用階梯中部分位置制作DAC曲線，同時(shí)考慮70°探頭制作傳輸修正的偏移距離要求。橫通孔水平位置尺寸示意如圖5所示。

圖5 φ1.6 mm橫通孔位置示意

1.4 試塊加工

結(jié)合上述因素，最終繪制出適用于API檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)易通用試塊設(shè)計(jì)圖(見(jiàn)圖6)，試塊的基本尺寸如下。

(1) 試塊長(zhǎng)410 mm,高100 mm,厚35 mm。

(2)φ1.6 mm的橫通孔距離邊緣110 mm，共6個(gè)孔，深度分別是：6,20,40,50,70,90 mm。

(3) 1.6 mm×1.6 mm方形槽共3個(gè)，每個(gè)距離邊緣38 mm，槽距離下一級(jí)臺(tái)階20 mm，臺(tái)階厚度分別為15,25,45 mm。

(4) 第一圓弧的半徑為100 mm, 第二圓弧的半徑為50 mm。

圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完畢后，委托工廠依照?qǐng)D紙加工成型，成型的試塊實(shí)物如圖7所示。

1.5 試塊功能

該新型API通用試塊具有以下儀器校準(zhǔn)和調(diào)試功能：校驗(yàn)水平線性、垂直線性、動(dòng)態(tài)范圍，測(cè)定入射點(diǎn)、聲速和折射角，調(diào)整縱波橫波檢測(cè)范圍和掃描速度，調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度，繪制距離-波幅曲線，并可以用于T、K、Y根部缺陷的對(duì)比參考。各功能的具體操作如下。

圖6 新型試塊的尺寸示意

圖7 新型試塊實(shí)物圖

(1) 調(diào)整縱波、橫波檢測(cè)范圍和掃描速度(時(shí)基線比例)：利用試塊上R50 mm和R100 mm尺寸。

(2) 校驗(yàn)儀器的水平線性、垂直線性和動(dòng)態(tài)范圍：利用試塊上高度100 mm和厚度35 mm尺寸。

(3) 測(cè)定斜探頭的入射點(diǎn)：用R100 mm或者R50 mm的圓弧反射面測(cè)試。

(4) 測(cè)定橫波和縱波聲速：用R100 mm和R50 mm的圓弧反射面測(cè)試。

(5) 測(cè)定儀器和探頭的組合靈敏度：利用R50 mm或R100 mm圓弧面測(cè)試。

(6) 測(cè)定斜探頭的折射角：考慮近場(chǎng)區(qū)的影響，折射角為45°,60°時(shí)，需要用深度超過(guò)40 mm的φ1.6 mm直徑孔調(diào)校;折射角為70°時(shí)，需要用深度超過(guò)10 mm的φ1.6 mm直徑孔調(diào)校。

(7) 測(cè)定橫波距離-波幅曲線：利用不同深度的φ1.6 mm橫通孔調(diào)校，通過(guò)翻轉(zhuǎn)45°探頭可以直射到6，10，20，30，40，50，60，70，80，90，94 mm深度的橫通孔，60°探頭可以探測(cè)到6，10，20，30，40，50，60，70，90 mm深度的橫通孔， 70°探頭可以探測(cè)到6，10，20，30，40，50 mm深度的橫通孔。

(8) 測(cè)定根部距離-波幅曲線：利用不同厚度階梯的槽來(lái)校準(zhǔn)，適用于根部位置15～45 mm的焊縫。

(9) 測(cè)定表面補(bǔ)償修正曲線：利用不同厚度階梯的平面區(qū)域，適用于焊縫厚度15～45 mm的焊縫。

2 標(biāo)準(zhǔn)參考試塊校驗(yàn)

傳統(tǒng)的API試塊是利用試塊多次翻轉(zhuǎn)以及聲束直射和多次反射來(lái)制作DAC曲線的，文中新型試塊采用一次波直射法制作DAC曲線。根據(jù)Snell定理，當(dāng)橫波入射角不小于33.2°，橫波通過(guò)鋼和空氣界面時(shí)，聲束在反射界面會(huì)發(fā)生全反射，故理論上，在排除表面粗糙等干擾因素外，多次反射過(guò)程中沒(méi)有聲能損失。筆者通過(guò)下述試驗(yàn)來(lái)對(duì)比兩者的差異性。

采用日常檢測(cè)中常用的超聲波5Z10*10A60探頭(汕頭市超聲儀器研究所有限公司制造)，在新型API試塊,傳統(tǒng)的厚度T分別為12.7，19.1，38.1，50.8 mm的API試塊上進(jìn)行試驗(yàn)。將探頭在新型試塊上進(jìn)行聲速、范圍、入射點(diǎn)和折射角的測(cè)定，然后利用新型試塊上的一系列橫通孔來(lái)制作DAC曲線。利用此DAC曲線，通過(guò)在不同厚度的傳統(tǒng)API試塊上進(jìn)行聲束一次波、二次波和三次波反射校驗(yàn)，觀察儀器上波幅差值，記錄分貝差。試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示(試驗(yàn)數(shù)據(jù)為多次數(shù)據(jù)的平均值)。

通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，在新型試塊和傳統(tǒng)API試塊上兩者的φ1.6 mm橫通孔反射體分貝差基本保持在0.5 dB的范圍內(nèi)，試驗(yàn)證明聲束在多次反射過(guò)程中的聲能損失很小，在可允許范圍內(nèi)，能符合現(xiàn)場(chǎng)使用情況。

為驗(yàn)證距離根部槽20 mm處的端角對(duì)根部靈敏度調(diào)節(jié)的影響，筆者使用70°探頭，利用傳統(tǒng)的厚度T分別為12.7，38.1，50.8mm的API試塊上的根部槽制作DAC曲線，將新型API試塊上的3個(gè)根部槽的70°反射波幅與傳統(tǒng)試塊上制作好的DAC曲線進(jìn)行對(duì)比，比較兩者分貝差，結(jié)果如表2所示。從數(shù)據(jù)可以看出兩者的分貝差很小，基本不會(huì)影響根部槽的靈敏度調(diào)校。

表1 橫通孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 根部槽數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的新型API試塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)攜帶方便。使用新型API試塊只需在一個(gè)試塊上就能完成儀器性能調(diào)試及DAC曲線的制作，調(diào)試過(guò)程中不需要經(jīng)常更換試塊，可降低挪動(dòng)試塊的安全風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)該試塊已應(yīng)用于海洋工程海上安裝項(xiàng)目和陸地建造項(xiàng)目中，在使用方便快捷的同時(shí)還創(chuàng)造出了一定的經(jīng)濟(jì)效益。