1、1超声波检验 T K Y 型管节点焊缝的操作工艺摘要 本文重点介绍了超声波检验 T K Y 管节点焊缝的工艺要点。众所周知，T K Y 管接节点结构是海洋工程最重要和最常见结构形式，而且它在钢结构的焊缝中也是最为复杂，其焊缝截面形状是随相贯点位置不同而变化， 因而难以使用射线照相法进行检测。目前国内外主要采用手动超声波探伤方法进行检验。在 T K Y 管接节点焊缝手动超声波探伤的过程中，由于 T K Y 管节点焊缝截面形状随两面角变化而变化、半跨声程也随其表现出很大的差异，同时它还会波及探头的接触面积减小或由于曲率效应而使得回波高度下降等状况，无疑使超声波检验中的缺陷定位和定量及缺陷尺寸评定更
2、加困难。使用 K 值探头及应用水平距离或深度定位等传统的超声波检验技术，无法满足检验 T K Y 管节点焊缝的基本要求。采用“作 图解析法”-缺陷定位、 “修正补偿法”-缺陷定量、“波束边界法或最大振幅法、振幅比较 法”-评定缺陷尺寸等为主要内容的超声波检验新技术，是检验 T K Y 管节点焊缝的有效方法。该技术已广泛应用在海洋工程及其他大型结构的检验中。关键词 T K Y 型管焊缝 作图解析法定位法 波束边界定量法引言在海洋工程建造中，众多钢管间的连接多为 T K Y 结构。针对 T K T型管焊缝的质量检验，普遍采用手动超声波检测。由于在不断变化的曲面上进行超声波检测，其焊缝截面形状也不断
3、变化，半跨距声程表现很大的差异。2因此，无法套用平板对接焊缝常用的缺陷定位、定量技术。该类焊缝缺陷的定位、定量的基本手段则是“作图解析法-定位” ， “修正补偿法-定量” 。另外，包括诸如缺陷三维尺寸的评定、T K Y 管节点结构焊缝的跟部间隙予留、定位基准点的设定、D A C 曲线的制作等都是手动超声波检验 T K Y 管节点焊缝不可缺少重要内容。1、 作图解析-定位法的原理作图解析 定位法，即当检验员认为有必要对缺陷进行定位时，借助于万能取型规（或橡皮泥）获取焊缝外型,按 1:1 的比例将其复制在纸上，然后再用万能取型规和其他制图工具按实测主、支管厚度及其焊缝跟部间隙、留根高度及坡口角,将
4、缺陷所处的焊缝剖面图补充完整，最后按探头入射点到焊缝边沿距离 Y、实测折射角 及荧光屏上出现的最高反射波的声程 W，画出模拟声束传播路线，以完成焊缝的缺陷定位。这就是作图解析定位法原理。1.1 作图解析-定位法的操作程序1.1.1 主、支管预留根部间隙的确定在作图解析定位操作中，画主、支管根部预留间隙的大与小直接影响到剖面图上的支管坡口角度的大小，若偏差较大时将导致其与原焊缝及焊缝根部凸出部位的形状不符，将会增大分析根部缺陷的难度更甚者还会造成根部缺陷误判。因此，在作图解析定位操作中必须按实际情况合理地预留主、支管间根部间隙显得极为重要。确定主、支管豫留根部间隙的方法有两种供选择。 按组对后的
5、实测数据由 QC 人员在检查组对时，经测量后把组对预留间隙超标数据标记在主管不易磨去的位置；无超标的不做标记。超声波检验操作人员作检验前应仔细观察焊口附近有无组对间隙超标标记。当发现有超标标记时，3应按其数值作图，在无标记处则按规范规定的间隙量画图。 按组对前的标记在支管组对前应修整坡口，超声波检验员应以适当的数值在支管圆周做处标记，当做剖面图时，按此标记量出确定支管底面坡口的位置：见图-1 上述两种标记方法都能反映支管与主管焊前组对时的实际情况，重要的节点应采用第种方法。1.1. 2“取样作剖面图”操作顺序： 取样操作:在 Y 型焊缝上缺陷波反射最高处用万能取形规取样 见图-2图-2 取样操
6、作示意图图-1 支管底面坡口的位置的标记示意图4 用万能取形规在工件上取样效果 参见图-3 复制轨迹：（将万能型规上的轨迹复制到纸上） 参见图-4 补图操作 延长主管表面轨迹线 参见图-5焊缝表面轨迹 支管表面轨迹万能取形规图-3 取样效果图-4 主、支管及焊缝外型之轨迹图-5 延长主管表面轨迹线5 补图操作 按主管的厚度进行补图 参见图-6 补图操作 按支管的厚度进行补图 参见图-7 补图操作 按主、支管间预留组对间隙画焊缝坡口线后即完成焊缝剖面图 参见图-81.2 “摸拟定位”操作顺序图： 在焊缝剖面图上按照斜探头入射点到焊缝边沿的实测距离 Y 确定探图-7 按支管的厚度补图图-6 按主管
7、厚度补图图-8 完整的焊缝剖面图图-8 完整的焊缝剖面图6头位置，参见图-9 在缝剖面图上按照斜探头实测折射角 及声程距离 W 画出模拟声波的传播路线以确定反射体的深度位置“D” 。参见图-101.3 手工作图解析定位法的五要素：（一） 必须选择声程定位方式调整超声波探伤仪器。（二） 取样时型规一定要与焊缝垂直；（三） 一个缺陷至少要做一幅剖面图，且应在缺陷最高反射处取样；YD W图-10 确定反射体的深度位置“D”Y图-9 确定探头位置7aCC-C 视图图-11 确定 T 型焊缝基准点的示意图（四） 补图操作时一定按原取样位置量取主、支管曲率；摸拟定位操作时所采用相关尺寸数据应是实际测量数据
8、。1.5 基准点的确定：在管状 T K Y 型焊缝进行超声波检验中，焊缝缺陷需要多个数据描述，如：缺陷的长度、深度，另外还应描述这个缺陷在整条焊缝所处的位置。为此还需要设置基准点。1.5.1 管状 T 型焊缝缺陷定位基准点的确定方法：T 型焊缝是指主、支管夹角为 90 度的焊缝。 把面对 T 型焊缝（斜探头探测焊缝方向）时支管与主管上组对工艺线垂直相交点作为基准点。 基准点“a”点， “c”点。如图-11 所示：1.5.2 管状 Y 型（K 型）焊缝缺陷定位基准点的确定方法：如图-12 所示81.5.3 T K Y 型管状焊缝缺陷定位基准点数量确定的基本原则T 型焊缝可定 4 个基准点，也可定
9、两个基准点，因为 T 型焊缝可按支管直径四等分，而 Y（K）型焊缝不可等分，因此，把基准点 a 和 C 两个点均定在主 管的工艺线上，操作性强且准确。用这种方法定基准点也为使用微机辅助做焊逢缺陷定位分析打下了基础。只设两个基准点测量 X 值时，由于其距离大可能遇到困难，但是，在两个基准点附近的缺陷，测量 X 值时只要按示意图所示方 向用“+” “-”X 值就很方便。2 操作修正补偿定量法斜探头在支管上垂直于椭圆焊缝扫查时，支管的曲率越大，探头与探测面接触面积越小，甚至是线或点接触，此时不仅探头声学特性变化，更重要的是耦合不良，声能损失大，使回波幅度下降。另一方面根据声反射的理论，声波透射到底面
10、，由于底面呈凸面，使反射声束发散声压下降，同样使回波幅度下降。为改善接触条件，应尽量采用小尺寸探头，同时调整灵敏度时应作因曲率及、材质、厚度、耦合剂等不同差异引起的补偿。2. 1 操作修正补偿操作的准备 仪器要调整适当的声程范围及调双探头档。9 用两个实测折射角接近的探头两折射角差别应小于 0.5选择对比试块的厚度应与工件厚度尺寸至少小 1/3。耦合剂：在对比试块上操作时应用机油（为了保护对试块）在工件上用甘油或 CMC 溶液。2. 2 操作修正的操作顺序方框图：见图-13 对比试块上扫查 在对比试块上扫查 画波峰连线 在工件上扫查 对比差值 dB 操作修正补偿值 2.3 操作修正的点数： Y
11、 型（K 型）应在支管整个圆周不同曲率的位置选 4 个点进行操作修正。其补偿数值（dB）应是这四点的平均值。 T 型焊缝应选两个点的平均值。 按管径、厚度的不同分别做操作修正。并填写操作修正报告备案。3. DAC 曲线的制作：见图-14-1图-14-1 制作 DAC 曲线时的探头扫查顺序图-13 操作修正的操作顺序方框图10A. 仪器测定范围的调整： T K Y 管状焊缝：全跨距的 1.5 倍B. 对比试块厚度的选择 应等于或接近探测母材厚度。C. 制作方法如图-14-1、图-14-2 所示：D. 对制作使用 DAC 曲线的基本要求 每条 DAC 曲线最少测定 4 个点。 每组 DAC 曲线应
12、包括 100% 、50%及 200%在内的三条曲线。 每一个探头角度及不同的测定范围各做一组 DAC 曲线，且不能混用。 每次探伤前应重新校核 DAC 曲线。5. T K Y 管状焊缝缺陷评定对于确定反射体的尺寸已发明了几种方法，很遗憾，尽管这些方法对于平板和管子对接焊缝结果是令人满意的，但是在管状结构 T K Y 焊缝的检验中没有一种方法能产生绝对准确的结果 ，鉴于此 API 标准海上结构建造的超声波检验推荐作法和超声技师资格考核指南中推荐了三种在确定缺陷尺寸方面有效的方法用于结构检验，它们是：波束边界法最大振幅法图-14-2 制作 DAC 曲11振幅比较法5.1 波束边界法应用波束边界法评
13、定 T K Y 管状焊缝缺陷尺寸，首先应测定斜探头横波波束的有效边界。测定斜探头横波波束的有效边界应包括两方面的内容：水平扩散的有效边界和垂直扩散的有效边界。 5.1.1 测定波束水平扩散 所用试块：IOW 试块如图 16 所示 测定方法如图 17 所示图示图-15 波束扩散示意图 图 16 IOW 试块示意图12 测定顺序：将超声波仪器的测定范围调整到 200mm；将斜探头置 IOW 试块于 A1 位置（图-17） 。当扫查横孔 a 的反射波达到最高后调整仪器灵敏度，使其波高至荧光屏的某个高度（如全刻度的 50%）后记录其声程 W 数据。增加灵敏度 20dB向（A 2方向）移动探头直至荧光屏
14、上的反射振幅回到原来的高度上（即全刻度的 50%）止，测量、并记录试块边缘 A1 到探头中心线距离（L2） 。图 17 水平扩散及屏幕显示示意图表 1 斜探头波束水平扩散测定记录13用公式（1）计算出波束水平扩散宽度 H。按照测定顺序中（1）（5）做法分别测定 IOW 试块上 ad 孔 把上述所测数据记录到表 1 中。按表 1 中的数据绘制 W-H 扩散图 见图 18 所示5.1.2 测定斜探头波束的垂直扩散测定斜探头波束垂直扩散的数据 测定波束水平扩散所用试块 与 4.1.1 相同 测定方法：如图 19 所示，测定 IOW 试块上 a-d 每个横孔的波束垂直扩散。图 18 W-H 扩散图（水
15、平扩散）图 19 垂直扩散的测定方法及荧光屏显示14 测定顺序：调整超声波仪器声程定位 1：2 的范围把斜探头置 IOW 试块于 C 位置附近并前后移动，当横孔反射波达到最高后调整仪器灵敏度，使其波高至荧光屏的某个高度（如全刻度的50%） ，测量、记录水平距离 YC及声程 WC数据。增加 20dB 灵敏度。向 A 方向移动探头当反射波高降到 50时之止，测量、记录水平距离Ya及声程 Wa数据。向 B 方向移动探头当反射波高降到 50时之止，测量、记录水平距离Yb及声程 Wb数据。按照上述顺序分别测定 ad 横孔， 记录各组数据并填写到表 2 中。 绘制斜探头波束垂直扩散图如图 6 所示，按探头
16、的实测折射角画出主声束线 WC 。表 2 斜探头波束垂直扩散测定记录图-20 绘制斜探头波束垂直扩散图的步骤15图按图-20 所示，并按 IOW 试块上 ad 等 8 个横孔的孔深以1：1 的方式标在主声束线 WC 上。标注点的编号分别是a、b、c、d、d、c,过各标注点作探伤面的水平线。在 a-13 水平线上以 a 点为圆心，在圆心的右侧以 X=YC-Ya(表 2中孔深为 13mm 时的水平距离记录)为半径作标记点 a。X 1=Yb-Yc为半径作另一标记点 a。按-所叙述方法分别画出 b-c各点所对应的 b-c和 b-c标记点。分别用直线连接各标注点并延伸到声波入射界面。（7）整理图 6 后
17、，用量角尺测量声束有效边界 Wb的折射角度为68 ；声束有效边界 Wa的折射角度为 52 ；主声束 Wc的折射角为61 （见图 21） 。图 21 60 斜探头 20dB 波束有效边界实测图16图 21 所示内容：编号为 04655 ，60 斜探头的 20dB 波束有效边界实测效果图。5.1.3 应用波束有效边界法测定缺陷的三维数据（一）应用波束的水平扩散的有效边界测定缺陷的指示长度（20dB 测长法） 。（1） 采用 4.1.1测定顺序中的操作方法测定焊缝中缺陷的指示长度见图 22。（2）在“波束水平扩散（W-H）图”上 ，查出按缺陷反射波的声程所对应的 H 数据。按下式计算出缺陷的实际指示
18、长度 L。L=S-（H/2+H/2） （1）其中 L 为缺陷的指示长度S 为探头移动距离H 为探头水平扩散中的宽度值（二）应用波束的垂直扩散测定缺陷的自身高度及相关数据y图 22 20dB 测长法操作示意图17采用 4.1.2 中的测定顺序中操作方法测定焊缝中缺陷的自身高度见图 23（1） 按图 23 示意图计算焊缝中缺陷的自身（垂直）高度d=d B-dA （2）（2） 该缺陷的参考数据 y=(MN2-d 2)1/2 （3）（MN 的长度是在 1：1 焊缝剖面图上测量的数据）（3） 该缺陷与探伤面倾斜角度 tan -1(d/y) （4）5.2最大振幅法4.2.1 利用超声波波束最大振幅确定反射
19、体的自身高度d f 最大振幅法是利用超声波波束中最大能量集中在声束中心线很窄的范围内这一事实，利用这一特点用与波束边界相同的操作使反射波达最大，向前移动探头直至反射波刚好从峰值开始下降，这一点应为反射体的顶点。底边的确定是向后移动探头，直至反射波开始下降。测量每次的声程和前后探头图 23 应用波束的垂直扩散有效边界测定缺陷的自身高度18的表面距离，在工件 1：1 截面图上可确定出反射体的自身高度d f。参见图23按图 24 示意图计算焊缝中缺陷的自身（垂直）高度d f=D 下 - D 上 （5）4.2.2 利用最大振幅法确定反射体的长度反射体长度的确定是通过平行于反射体移动探头直至最大波幅开始
20、下降。反射体长度有位于起始和末尾的探头中心线之间的距离确定。5.3 振幅比较法振幅比较法就是将缺陷产生的振幅与对比试块上人工反射体产生的振幅在仪器屏幕上进行比较。如果振幅相等，声程也相等，那么认为声波所截取的这两个反射体的面积相等。由于焊接缺陷一般平行于焊缝长度，应准备各种宽度和长度的人工反射体以便在扫查中与被检缺陷进行比较。首先由其他方法确定出缺陷未知长度，然后选择适当长度的人工反射体再进行振幅比较。图 24 应用最大振幅法测定缺陷的自身高度195.3.1 对比试块及人工反射体的选择API-RP-2X 标准中要求用于 C 级检查的对比试块应含有与最小不合格缺陷相应的平面形反射体。该试块应含有
21、一个 1.61.6mm 的方形槽和适合于450、 600、和 700探头方位的 V 形槽及一个 1.638mm 平底孔。5.3.2 制作人工反射体的距离-振幅校正曲线因为反射体的振幅随着距离的增大而减小，因此需要作一条距离-振幅校正曲线（DAC） 。特别是当未知反射体和基准反射体在荧光屏水平刻度的不同位置时，可用这条线比较反射体的大小。需要作数条不同类型和不同长度人工反射体的距离-振幅校正曲线。该曲线的制作方法与本文介绍的“DAC 曲线的制作”中的作法是相同的，不同之处是只需要一条 100% DAC 曲线。5.3.3 振幅比较法应用示例用振幅比较法确定反射体尺寸，首先必须知道基准反射体的面积，
22、并且其形状必须与被检缺陷相类似。对于焊缝跟部的检查应采用机加工槽为基准反射体，因为它们更能代表实际的焊接缺陷。假设用一个 1.6 1.625.4 mm（宽高长）的长方体槽为参考标准，其面积由长宽得出为 40.6mm2 。同时再假定未知缺陷是一个与参考标准相同的角型反射体，其长度已由其他方法测定为12.7 mm。尽管不是很精确，用 12.7 mm 除基准反射体面积就可以得到这个未知缺陷的宽度（40.6/12.7=3.2 mm） 。5.4 三种确定缺陷尺寸方法的对比分析及注意事项波束边界法：波束边界法最适于厚度为 19 mm 或更厚一些的杆件，并在此厚度上用直射法（半个跨距）评定缺陷。当使用该方法
23、测量角型反射体（如单面焊中的未焊透）高度时，其结果是不可靠的。对这类反射体应采用其他方法。2. 最大波幅法：20当仪器的脉冲宽度很窄并且使用高分辨力探头时，最大振幅法能产生最佳效果。当探头直径与波长比值较大时，所产生的波束尖锐，这种情况更适于最大振幅法。为了具备上述条件，要求使用高于正常扫查的频率根据探伤表面的状况尽量使用大直径探头。当使用这类探头时一定注意，避免再近场区内平定缺陷。与波束边界法相同，使用这种方法评定角型反射也有一定困难。3. 振幅比较法振幅比较法除确定焊缝内部较小的圆形反射体、单面焊中长的未焊透宽度和大于波束宽度的细长反射体之外，振幅比较法在确定超标焊接缺陷的尺寸方面帮助不大
24、。振幅比较法之所以能够解决后两个问题，是由于声束强度集中在声场的中心，并且当反射体长度大于波束宽度时声波强度对于宽度的变化特别敏感。但是当反射体宽度大于约 6.4 mm 时，精度会大大降低。6.结束语TKY 管接点的缺陷定位是建立在以手工获取探伤面外型的基础上，而获取、复制及完图操作的误差及诸如施工现场条件、操作人员的技能或情绪状态等因素将影响绘制焊缝剖面的质量，另外，由于做图解析定位技术操作烦琐使得工作效率也受到一定的影响。尽管如此，到目前为止，就 T K Y 管状焊缝的缺陷定位和定量的技术而言，还没有其他更成熟的技术取而代之。可见，科学地快速绘制 T K Y 管节点焊缝上任意点剖面图是提高
25、检测工作效率和质量的关键。随着科学技术不断发展和信息技术的广泛应用，一些先进的超声波设备和方法在广大科技人员和无损检测人员的共同努力下，不断涌现。开发和应用新技术从而减少了人为因素造成的误差，提高检测工作效率和质量检测的可靠性，海油工程检验公司联合天津、南京东南两所大学合作研制、开发出21“T K Y 管状焊缝超声波检验中的缺陷定位与定量计算机辅助分析系统软件”并成功地将此移植到数字超声波探伤仪上及应用到现场检验中。该系统是建立 T K Y 管节点焊缝数学模型及焊缝任意点剖面图的数学模型，设计相应算法，编制相应软件，以使计算机或具有此功能的数字超声波探伤仪承担绘制焊缝上任意点剖面图并完成缺陷定位、定量的任务。该系统操作简便，操作人员向该系统输入相应的数据后在仪器的屏幕上显示该焊缝任意点的剖面图及缺陷定位、定量信息。应用该系统大大降低人为因素对缺陷定位的影响和操作人员的劳动强度，也从根本上解决了作图解析定位传统做法中的问题，使焊缝缺陷的定位、定量在质量和效率上得到彻底改观。
