復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)校準(zhǔn)試塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馬晶晶，刁海波，白明輝，王猛，楊建昌，張磊磊

（海洋石油工程股份有限公司，天津，300452）

引言

隨著復(fù)合板材料技術(shù)的提高，不銹鋼復(fù)合板材料制造的的設(shè)備越來(lái)越多[1]，金屬內(nèi)襯復(fù)合板材料壓力容器已經(jīng)廣泛用與航空航天，石油化工等領(lǐng)域[2]，復(fù)合板材料在制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷與損傷是導(dǎo)致復(fù)合板材料壓力容器失效和事故的主要原因[3]，海洋平臺(tái)工程項(xiàng)目建造檢驗(yàn)及在役檢驗(yàn)中，常常遇到復(fù)合板材料壓力容器等結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)要求，由于復(fù)合板材料的存在，超聲波檢測(cè)工藝制定需要測(cè)定復(fù)合板材料對(duì)于超聲波檢測(cè)反射及透射的影響，測(cè)試時(shí)就需要采用復(fù)合板材料超聲波校準(zhǔn)試塊，本文主要介紹不銹鋼復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)校準(zhǔn)試塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用；

1 不銹鋼復(fù)合板材料焊縫的超聲波檢測(cè)

復(fù)合板材料壓力容器等結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，對(duì)于復(fù)合板材料基材的超聲波檢測(cè)可以按照NB/T47013.3標(biāo)準(zhǔn)的要求執(zhí)行[4]，但是由于復(fù)合板材料的存在，對(duì)基層的檢測(cè)有多大影響尚不清楚，超聲波檢測(cè)工藝制定需要測(cè)定復(fù)合板材料對(duì)于超聲波檢測(cè)反射及透射的影響，目前檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有相應(yīng)的校準(zhǔn)試塊進(jìn)行參考，針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)一種復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)校準(zhǔn)試塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)中復(fù)合板對(duì)超聲波反射及透射影響的測(cè)定，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)靈敏度校準(zhǔn)，該試塊的使用，可以提高復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)的準(zhǔn)確度及靈敏度校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。

2 復(fù)合板材料超聲波檢測(cè)校準(zhǔn)試塊的設(shè)計(jì)與加工

本校準(zhǔn)試塊設(shè)計(jì)的主要目的在于克服現(xiàn)有復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)技術(shù)存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)校準(zhǔn)試塊，該校準(zhǔn)試塊由復(fù)合板材料焊接加工而成，復(fù)合板材料為碳鋼加不銹鋼材料復(fù)合而成，該復(fù)合板材料試塊中間包含一段對(duì)接焊縫，在焊縫內(nèi)部加工橫通孔，可進(jìn)行焊縫內(nèi)部靈敏度校準(zhǔn)，同時(shí)在復(fù)合板材料母材上加工橫通孔，可進(jìn)行復(fù)合板材料母材超聲波靈敏度校準(zhǔn)，對(duì)于焊縫內(nèi)部橫通孔與復(fù)合板母材橫通孔進(jìn)行深度設(shè)置，使得該試塊可以測(cè)定復(fù)合板材料對(duì)于超聲波反射及透射的影響情況，通過(guò)該超聲波試塊，可以制定復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)工藝，進(jìn)行超聲波靈敏度校準(zhǔn)，方便在工程項(xiàng)目中推廣使用。復(fù)合板材料焊縫校準(zhǔn)試塊設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

⑴設(shè)計(jì)“對(duì)接焊縫”，該復(fù)合板材料焊縫焊接要求根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)要求進(jìn)行焊接，最大程度的模擬復(fù)合板焊縫真實(shí)情況，如圖1中1位置；

⑵設(shè)計(jì)“焊縫內(nèi)部橫通孔”，根據(jù)NB/T47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)計(jì)直徑2mm橫通孔，可以進(jìn)行焊縫位置超聲波靈敏度校準(zhǔn)，如圖1中3位置。

⑶設(shè)計(jì)“復(fù)合板母材位置橫通孔”，根據(jù)NB/T47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)計(jì)直徑2mm橫通孔，可以進(jìn)行復(fù)合板母材位置超聲波靈敏度校準(zhǔn)，如圖1中4位置。

⑷設(shè)計(jì)“橫通孔深度”，在焊縫中間設(shè)置一組橫通孔深度，分別距離碳鋼層表面深度為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，在復(fù)合板母材位置設(shè)置一組橫通孔深度，距離復(fù)合板表面深度分別為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm；該方式設(shè)置深度可直接測(cè)量出復(fù)合板對(duì)于超聲波檢測(cè)透射的影響；

⑸設(shè)計(jì)“橫通孔間距”，為防止兩組橫通孔距離太近，導(dǎo)致超聲波探頭測(cè)量受影響，將橫通孔間距設(shè)置為大于2T *arctan60+20mm，其中T為復(fù)合板材料厚度，減少超聲波測(cè)量時(shí)由于間距太短對(duì)數(shù)據(jù)采集造成影響；

⑹設(shè)計(jì)“復(fù)合板試塊標(biāo)識(shí)”，在試塊上將材料牌號(hào)、材料厚度、橫通孔直徑、橫通孔深度進(jìn)行標(biāo)識(shí)，防止使用時(shí)選擇錯(cuò)誤；

不銹鋼復(fù)合板材料校準(zhǔn)試塊設(shè)計(jì)如圖1所示，試塊加工圖如圖2所示，由于項(xiàng)目中不銹鋼復(fù)合板材料限制，實(shí)際試塊采用54mm不銹鋼復(fù)合板制作。

圖1 校準(zhǔn)比試塊設(shè)計(jì)圖

圖2 加工后的不銹鋼復(fù)合板材料超聲波對(duì)比試塊

3 不銹鋼復(fù)合板材料超聲波檢測(cè)校準(zhǔn)試塊的使用方法

復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)校準(zhǔn)試塊，由兩塊相同厚度（56+4mm）的復(fù)合板材料焊接而成，試塊在焊縫位置加工有5個(gè)不同深度橫通孔，分別距離碳鋼表面10mm，20mm，30mm，40mm，50mm深，在復(fù)合板材料母材位置加工有5個(gè)不同深度的橫通孔，分別距離復(fù)合板表面10mm，20mm，30mm，40mm，50mm深，兩組橫通孔分別進(jìn)行深度標(biāo)識(shí)，采用試塊進(jìn)行超聲波檢測(cè)校準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)碳鋼層側(cè)與復(fù)合板層側(cè)對(duì)復(fù)合板材料母材位置不同深度橫通孔靈敏度進(jìn)行比較，可以測(cè)出復(fù)合板材料對(duì)于超聲波透射的影響，兩組橫通孔也可實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，采用超聲波探頭在碳鋼層側(cè)采用一次反射波對(duì)復(fù)合材料母材位置5個(gè)不同深度橫通孔進(jìn)行靈敏度測(cè)量，與采用常規(guī)碳鋼校準(zhǔn)試塊的靈敏度進(jìn)行比較，可以測(cè)出復(fù)合板材料對(duì)于超聲波反射的影響。針對(duì)復(fù)合板材料對(duì)于超聲波反射與透射的影響，可制定復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)工藝。不銹鋼復(fù)合板材料靈敏度對(duì)比測(cè)試包含三部分，一是對(duì)復(fù)合板透射超聲波影響的測(cè)試，二是對(duì)復(fù)合板反射超聲波影響的測(cè)試，三是對(duì)焊縫填充金屬對(duì)超聲波影響的測(cè)試。

3.1 復(fù)合板透射超聲波影響的測(cè)試方法

如圖3所示，在位置1與位置2分別采用超聲波探頭對(duì)深度10，20，30，40，50mm的側(cè)鉆孔進(jìn)行回波幅度測(cè)量，為盡量減少手動(dòng)操作的誤差，可將每組數(shù)據(jù)進(jìn)行3次測(cè)量，取平均值作為最終的結(jié)果。比較位置1與位置2數(shù)據(jù)差值，可得出復(fù)合板對(duì)透射超聲波的影響，如果差值在2dB以內(nèi)，可以忽略復(fù)合板對(duì)透射超聲波的影響，如果差值大于2dB，在實(shí)際檢測(cè)中需要將差值補(bǔ)償進(jìn)去。

圖3 復(fù)合板透射超聲波測(cè)試

3.2 復(fù)合板反射超聲波影響的測(cè)試方法

如圖4所示，在位置3采用超聲波探頭對(duì)深度50，40，30，20，10mm的側(cè)鉆孔進(jìn)行回波幅度測(cè)量，同樣為盡量減少手動(dòng)操作的誤差，可將每組數(shù)據(jù)進(jìn)行3次測(cè)量，取平均值作為最終的結(jié)果，與在無(wú)復(fù)合板校準(zhǔn)試塊上的超聲波測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出復(fù)合板反射超聲波的影響。

圖4 復(fù)合板反射超聲波測(cè)試

3.3 焊縫填充金屬對(duì)超聲波影響的測(cè)試方法

如圖5所示，在位置5采用超聲波探頭對(duì)深度50，40，30，20，10mm的側(cè)鉆孔進(jìn)行回波幅度測(cè)量，與位置4處的側(cè)鉆孔回?fù)芊冗M(jìn)行比較，得出焊縫填充金屬對(duì)超聲波的影響。

圖5 焊縫填充金屬對(duì)超聲波影響的測(cè)試

4 結(jié)論

本文通過(guò)制作不銹鋼復(fù)合板材料焊縫超聲波檢測(cè)校準(zhǔn)試塊，對(duì)復(fù)合板在超聲波反射及透射時(shí)的影響進(jìn)行了方法分析，在制定超聲波檢測(cè)工藝時(shí)，采用相應(yīng)的靈敏度補(bǔ)償，即可做出較為合理的超聲波檢測(cè)工藝，有助于現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)工藝的制定。