TKY管節(jié)點焊縫的超聲檢測分析

顏春華

（健研檢測集團(tuán)有限公司，福建 漳州 361004）

0 引言

通過社會調(diào)查發(fā)現(xiàn)鋼管結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，通過研究鋼管在體育館、庫房、商場等建筑的使用位置發(fā)現(xiàn)，鋼管結(jié)構(gòu)更多被使用在空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。而鋼管之所以能夠被廣泛運用到上述場所中，主要是因為鋼管自身所具備的性能效用值高、體積輕、零件簡單、安裝便捷等優(yōu)勢。與此同時，T、K、Y 管節(jié)點是鋼管結(jié)構(gòu)主要常用焊接節(jié)點，但T、K、Y 管節(jié)點相較于管對接焊接節(jié)點、管板焊接節(jié)點與球管焊接節(jié)點而言，其出現(xiàn)與被投入使用的時間較短、經(jīng)驗較少，無損探傷技術(shù)不完善，該情況存在的原因主要是 T、K、Y 管節(jié)點焊縫位置具有復(fù)雜性，現(xiàn)有無損探傷技術(shù)還無法支持該復(fù)雜結(jié)構(gòu)?；诖?，為進(jìn)一步發(fā)揮T、K、Y 管性能與使用價值，應(yīng)對T、K、Y 管節(jié)點焊縫超聲波無損探傷檢測技術(shù)進(jìn)行探索，從而提高T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測質(zhì)量與工作效率，進(jìn)而促使T、K、Y 管結(jié)構(gòu)適用于社會各領(lǐng)域。

1 簡述傳統(tǒng)無損探傷的含義

超聲波檢測（UT）、磁粉檢測（MT）與射線檢測（RT）是T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測中常用的三種傳統(tǒng)無損探傷檢測形式（圖1 為 TYK 管節(jié)點焊縫結(jié)構(gòu)示意圖），主要檢測內(nèi)容是查看主管與各支管之間的焊接處是否焊接完整以及點位焊縫部位存在的不連續(xù)[1]。此外，在T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測過程中，由于T、K、Y 管節(jié)點焊縫主要以相貫線形式展現(xiàn)并且焊縫結(jié)構(gòu)常被使用于高空位置。因此，基于一系列外在因素影響，使射線檢測在實際T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測過程中有很多限制，導(dǎo)致射線檢測無法發(fā)揮其全部效果?；诖耍赥、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測過程中射線檢測技術(shù)使用較少，多以超聲波檢測技術(shù)與磁粉檢測技術(shù)為主，同時，在二者實際運用中主要以超聲波檢測技術(shù)為主，磁粉檢測技術(shù)為輔。

圖1 TYK 管節(jié)點焊縫結(jié)構(gòu)示意圖

超聲波檢測技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測過程中的主要方式是采取脈沖反射法，檢測原理為 “由于超聲波遇到缺陷時會出現(xiàn)發(fā)射和散射的情況，所以可以將探頭向被檢測管件中發(fā)射脈沖超聲波，然后根據(jù)發(fā)射回來的超聲波評判被檢測管件質(zhì)量。”雖然超聲波檢測技術(shù)可以對T、K、Y 管節(jié)點焊縫進(jìn)行無損探傷檢測并且效果良好，但由于T、K、Y 管節(jié)點焊縫結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致超聲波檢測技術(shù)在實際檢測中依舊存在很多難點，例如工作效率低、發(fā)射波識別困難與反射回波定位困難等。

基于超聲波檢測技術(shù)利用超聲脈沖波在T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測過程中遇到的難點問題，程志虎專家在某講座中就該系列問題進(jìn)行了較為詳細(xì)的講解和談?wù)?。與此同時，程志虎專家還表明了超聲波檢測技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測中的未來研究方向，如：將計算機(jī)技術(shù)融入檢測中與研制新型專用超聲檢測設(shè)備等。

2 當(dāng)前TKY 管節(jié)點焊縫檢測中存在的問題

2.1 檢測方法過于單一

為避免T、K、Y 管節(jié)點焊縫損傷程度加重，因此，對其進(jìn)行質(zhì)量檢測時技能選擇無損探傷技術(shù)，而由于T、K、Y 管節(jié)點焊縫存在的復(fù)雜性，導(dǎo)致現(xiàn)階段T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測方法過于單一，而常規(guī)超聲波檢測技術(shù)為其主要技術(shù)，參考美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)“API RP2X-2004，采用45°、60°、70°三種角度探頭對T、K、Y 管節(jié)點焊縫區(qū)域存在的不連續(xù)進(jìn)行檢測”[2]。

2.2 實際檢測效率低下

超聲波檢測技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點焊縫實際檢測過程中的工作效率調(diào)查表明，一個熟練掌握聲波檢測技術(shù)的工作人員在對被檢測管件進(jìn)行檢測時往往需要一個上午的時間，而一個不熟練的工作人員所需的時間則更長。由此可見，超聲波檢測技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點焊縫實際檢測中工作效率較低，使超聲波檢測技術(shù)無法發(fā)揮其實際效用價值。

3 TKY 管節(jié)點焊縫的超聲檢測技術(shù)應(yīng)用分析

在TKY 管節(jié)點焊接過程中往往會發(fā)生一系列有關(guān)焊縫質(zhì)量等問題，這將直接影響TKY 管整體性能，基于此，為避免該問題以及最大程度確保TKY 管焊接質(zhì)量，采用超聲檢測技術(shù)嚴(yán)格分析問題發(fā)生的原因以及焊接過程中焊接機(jī)械手工藝參數(shù)，通過超聲檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)TKY 管節(jié)焊縫主要存在兩個方面問題，一是焊縫開裂問題，TKY 管節(jié)點焊縫焊縫存在很大的拘束應(yīng)力，當(dāng)采用雙絲快速打底的方法進(jìn)行焊接時，焊縫無法自由收縮，從而導(dǎo)致焊縫開裂。二是采用超探檢測方法對側(cè)梁焊縫個別位置焊縫進(jìn)行檢測時發(fā)現(xiàn)有效熔深深度較淺，而導(dǎo)致該問題的原因是焊接速度低于標(biāo)準(zhǔn)速度，導(dǎo)致待焊接頭上的熱量不達(dá)標(biāo)，進(jìn)而導(dǎo)致大量電弧熱量僅加持在了熔池上。針對前一問題，應(yīng)從調(diào)整焊接工藝參數(shù)角度入手，并通過調(diào)整焊接速度、焊接方法、焊縫冷卻時間等，保證焊縫在拘束應(yīng)力下也能進(jìn)行有效收縮，進(jìn)而防止焊縫開裂。針對后一問題應(yīng)根據(jù)實際情況，提高焊接速度。由此可見，超聲檢測技術(shù)在TKY 管節(jié)點焊縫檢測中的應(yīng)用尤為重要，是檢測焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵性技術(shù)，該文對TKY 管節(jié)點焊縫的超聲檢測過程總結(jié)如下。

3.1 TKY 管節(jié)點相貫焊縫的超聲波探傷聲程修正

3.1.1 相關(guān)參數(shù)

以Y 型主管與支管中心線相交叉為例，明晰相關(guān)參數(shù)：D1，D2為管外徑；t1，t2為管壁厚；θ為軸線夾角；Φ為相貫角；Ψ為局部二面角；θB為偏角。

3.1.2 修正系數(shù)

根據(jù)圖1 管節(jié)點相貫焊縫圖建立數(shù)學(xué)模型與推導(dǎo)可得，管節(jié)點焊縫上探傷面（任意）的曲率半徑ρ=D/2sin2θB?；诖?，可以通過公式K=（ρ/t-1）[sin（β+sin-1（ρ/ρ-t×sinβ））/tanβ]，m=[π-β-sin-1（ρ/ρ-t×sinβ）]ρ/t×cotβ

式中：K為系數(shù)；β為臨界角；m為修正系數(shù)；D為管直徑；θB為偏角；t為管壁厚；θ為軸線夾角。

3.1.3 幾何臨界角

已知公式：βmax=sin-1（1-t/ρ），基于此為進(jìn)一步確定幾何臨界角，應(yīng)將數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)推導(dǎo)與Visual Basic 語言編寫相結(jié)合，從而借助計算機(jī)繪制出TKY 管節(jié)點相貫焊縫各參數(shù)之間的關(guān)系曲線。

3.1.4 TKY 管節(jié)點焊縫缺陷定位

在TKY 管節(jié)點焊縫缺陷定位中超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用，可以基于計算機(jī)輔助面向?qū)ο蟪闪ISUAL++環(huán)境，并計算焊縫截面與缺陷的特征參數(shù)再由繪圖模塊根據(jù)計算結(jié)果畫出完整的焊縫剖面圖，從而在對焊縫缺陷與深度進(jìn)行有效定位?；蛘卟捎脭?shù)學(xué)公式已知Y為探頭至缺陷的距離Y1為一次波水平距離，D為深度，W為波聲程，W1為一次波聲程，T為壁厚，當(dāng)W

去年12月1日，一期1232平方米的網(wǎng)套加工車間建成，陳建輝立馬運來自己之前預(yù)定好的彈花機(jī)、電腦衍縫機(jī)、無網(wǎng)棉揉棉機(jī)、全自動棉胎生產(chǎn)流水線等先進(jìn)的棉被加工機(jī)器，并開工運營。

3.2 操作修正補(bǔ)償定量法

當(dāng)斜探頭在支管上垂直于橢圓焊縫掃查時會面臨一種特殊情況，即支管的彎曲率與探頭探測面接觸面積成反比，前者大后者則小，甚至出現(xiàn)線或點接觸，而在此情況下不僅會導(dǎo)致波幅下降。此外，參考聲反射原理，當(dāng)聲波透射到底面，而底面呈凸面，則會使反射聲束發(fā)散聲壓下降，進(jìn)而也會導(dǎo)致回波幅度下降。為準(zhǔn)確進(jìn)行TKY管節(jié)點焊縫超聲檢測，確保TKY 管節(jié)點焊縫超聲檢測質(zhì)量，應(yīng)盡量采用小尺寸探頭，與此同時，在調(diào)整靈敏度時，應(yīng)做好因曲率及、材質(zhì)、厚度、耦合劑等不同差異所引起的補(bǔ)償。該文對操作修正補(bǔ)償定量法超聲檢測過程總結(jié)如下。

3.2.1 操作修正補(bǔ)償定量法準(zhǔn)備

操作修正補(bǔ)償定量法準(zhǔn)備如下：1）根據(jù)TKY 管節(jié)點焊縫超聲檢測具體要求確定聲程范圍與雙探頭檔。2）采用兩個實測折射角接近的探頭。3）兩個實測折射角誤差必須在0.5°之內(nèi)。4）對比試塊厚度小于1/3 工件厚度尺。5）對比試塊采用機(jī)油，工件采用甘油。

3.2.2 操作修正的點數(shù)

T 管焊縫的補(bǔ)償值為2 個點的平均值，2 個點應(yīng)位于支管圓周不同曲率位置。K、Y 管焊縫的補(bǔ)償值為4 個點的平均值，而這4 個點應(yīng)位于支管圓周不同曲率位置。按管徑、厚度的不同分別做操作修正，填寫操作修正報告?zhèn)浒浮?/p>

3.2.3 DAC 曲線的制作

在DAC 曲線制作環(huán)節(jié)主要側(cè)重4 個要點，分別是儀器測定范圍的調(diào)整、對比試塊厚度的選擇、制作方法、對DAC 曲線的基本要求，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行檢測，會極大程度提高TKY 管節(jié)點焊縫超聲檢測質(zhì)量。此外，還應(yīng)該側(cè)重探頭掃查順序，具體制作 DAC 曲線時的探頭掃查順序如圖2 所示。

圖2 制作DAC 曲線時的探頭掃查順序

第一要點強(qiáng)調(diào)T、K、Y 管狀焊縫：全跨距的1.5 倍。第二要點強(qiáng)調(diào)對比試塊厚度需要等于或接近探測母材厚度。第三要點須根據(jù)實際情況具體畫圖分析。第四要點強(qiáng)調(diào)每條DAC 曲線最少測定4 個點，包括100%、50%及200%在內(nèi)的三條曲線、一個探頭角度一條DAC 曲線，探傷前須重新校核DAC 曲線。

4 TKY 管節(jié)點焊縫的超聲檢測技術(shù)分析

4.1 做好相貫線焊縫的模型，便于精準(zhǔn)檢測

相貫線焊縫數(shù)學(xué)模型的發(fā)展在我國T、K、Y 管節(jié)點焊縫超聲波檢測發(fā)展中取得了一系列成效，如劉興亞專家基于計算機(jī)與數(shù)學(xué)推導(dǎo)成功繪制出了T、K、Y 管的“幾何臨界角、相貫角、生成修正系數(shù)以及水平距離修正系數(shù)與相貫角和偏角的關(guān)系曲線”[4]。劉興亞專家探索研發(fā)出來的關(guān)系曲線成功為超聲波檢測在T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測中的應(yīng)用提供了理論支撐。

4.2 應(yīng)用超聲相控陣技術(shù)，提高檢測效率

超聲相控陣技術(shù)在國外發(fā)展較為迅速，成果顯著，因此，我國為進(jìn)一步推廣與優(yōu)化超聲波檢測技術(shù)在T、K、Y管節(jié)點焊縫檢測中的應(yīng)用效果，充分發(fā)揮超聲波無損探傷技術(shù)優(yōu)勢，于2001 年從加拿大成功引進(jìn)了超聲相控陣技術(shù)，并在某油田項目工程中將超聲相控陣技術(shù)運用到了海底管線鋪設(shè)中，并取得了成功。該超聲相控陣技術(shù)在海底管線鋪設(shè)中的成功應(yīng)用，促使超聲相控陣技術(shù)正式被使用到我國T、K、Y 管節(jié)點焊縫檢測中，并在管道類工件檢測中應(yīng)用廣泛。

4.3 借助大數(shù)據(jù)計算機(jī)，提高檢測準(zhǔn)確性

計算機(jī)輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）是隨著超聲波檢測技術(shù)不斷深入發(fā)展而基于計算機(jī)技術(shù)應(yīng)運而生的一種具有強(qiáng)大計算能力和超強(qiáng)圖像分析處理能力的計算機(jī)新技術(shù)[5]。該技術(shù)借助大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)一步提高了T、K、Y 管節(jié)點焊縫缺陷的檢測準(zhǔn)確性，在實際運用中主要是借助CAD 技術(shù)，建立T、K、Y 管節(jié)點焊縫截面的二維圖，從而更加直觀地定位缺陷位置。

4.4 應(yīng)用自動化成像檢測技術(shù)，實現(xiàn)動態(tài)檢測

隨著超聲波檢測技術(shù)不斷深入發(fā)展，一種基于計算機(jī)技術(shù)、信號采集技術(shù)與圖像處理技術(shù)為一體的超聲成像技術(shù)應(yīng)運而生。超聲成像技術(shù)以其超高的先進(jìn)性與實用性在T、K、Y 管節(jié)點焊縫無損傷檢測中脫穎而出，成為當(dāng)時引領(lǐng)時代超聲波技術(shù)的存在。超聲成像技術(shù)基于其具備的自動化、信息化、智能化等優(yōu)勢有效保證了檢測數(shù)據(jù)的真實性、精準(zhǔn)性、可靠性，與此同時，超聲成像技術(shù)還能夠?qū)Σ杉降乃行畔⑦M(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)處理，從而對工件缺陷做動態(tài)檢測。

4.5 應(yīng)用專家系統(tǒng)，降低檢測誤差出現(xiàn)

專家系統(tǒng)是指將不同領(lǐng)域的大量專業(yè)化知識與經(jīng)驗成果進(jìn)行匯總從而構(gòu)建成一種程序的系統(tǒng)。專家系統(tǒng)具有智能化、信息化、自動化等優(yōu)勢，可以在實際T、K、Y 管節(jié)點焊縫無損傷檢測中模擬專家思維解決問題，而具有大量專業(yè)化知識與實踐經(jīng)驗成果下的專家系統(tǒng)功能效用在一定程度上超過專家水平。

而在海洋工程領(lǐng)域內(nèi)從事T、K、Y 管節(jié)點焊縫無損傷檢測技術(shù)研究的專家往往具有豐富的實踐經(jīng)驗與專業(yè)系統(tǒng)化知識結(jié)構(gòu)。因此，為進(jìn)一步推動T、K、Y 管節(jié)點焊縫超聲波無損傷檢測技術(shù)發(fā)展，可以將海洋工程領(lǐng)域的專家經(jīng)驗、問題解決思維、專業(yè)化知識體系集中起來，通過計算機(jī)技術(shù)匯總形成專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動運用系統(tǒng)內(nèi)存在的大量知識對T、K、Y 管節(jié)點焊縫存在的缺陷進(jìn)行自主、自動、智能化檢測。

5 結(jié)語

綜上所述，由于T、K、Y 管性能優(yōu)勢較強(qiáng)，因此，隨著我國社會發(fā)展，其逐漸被使用到社會各領(lǐng)域行業(yè)中，但由于T、K、Y 管節(jié)點焊縫具有復(fù)雜性，導(dǎo)致其在實際質(zhì)量檢測中的安全性能成為一大難題，雖然常規(guī)超聲波技術(shù)可以在一定程度上解決該問題，但成效較低。該文研究顯示，采用相貫線焊縫模型與超聲相控陣等檢測技術(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化超聲波無損探傷技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點焊縫中檢測成效。