承壓設(shè)備管子和管道環(huán)向?qū)咏宇^的超聲檢測用對比試塊

馬 偉

(四川正吉油氣田工程建設(shè)檢測有限責(zé)任公司，成都 610000)

NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)正文6.4條規(guī)定了承壓設(shè)備Ⅱ型焊接接頭的超聲檢測方法，但對厚度為4～6 mm且曲率半徑在80 mm以上的鍋爐、壓力容器等設(shè)備的管子和壓力管道的環(huán)向?qū)咏宇^超聲檢測用對比試塊未作出明確規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)附錄K(包括其1號(hào)修改單)對于壁厚不小于6 mm，曲率半徑為80～250 mm的環(huán)向?qū)咏宇^超聲檢測用對比試塊的曲率半徑只給出了原則性規(guī)定，未進(jìn)行細(xì)化。NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)要求對比試塊與被檢件具有相同或相似的聲學(xué)性能，但未給出聲學(xué)性能相似性的具體衡量指標(biāo)和判斷依據(jù)。

上述兩類管道經(jīng)常出現(xiàn)在石油化工行業(yè)的工程檢測中，由于制造、安裝、檢測機(jī)構(gòu)及在用檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢測對象的不確定性，在遇到此類管道時(shí)，就需要根據(jù)被檢對象來制作不同規(guī)格的對比試塊，這樣就會(huì)造成制作的對比試塊數(shù)量繁多，不同機(jī)構(gòu)制作的對比試塊質(zhì)量參差不齊，有的甚至達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，進(jìn)而影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，增加不必要的檢測成本。筆者根據(jù)多年的工程實(shí)踐，結(jié)合NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)最新要求，就如何解決此類管道檢測用試塊的問題提出了改進(jìn)建議。

1 RB-C系列對比試塊的要求和分析

1.1 試塊曲率要求

NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)附錄K(規(guī)范性附錄)規(guī)定了壁厚不小于6 mm，曲率半徑為80～250 mm的環(huán)向?qū)咏宇^的超聲檢測要求，對比試塊RB-C尺寸見標(biāo)準(zhǔn)中表K.1，橫孔位置分布及制作尺寸、精度要求見標(biāo)準(zhǔn)中1號(hào)修改單。

標(biāo)準(zhǔn)中K2.5條款規(guī)定，工件檢測面曲率半徑為對比試塊曲率半徑的0.9～1.5倍。

因此將對比試塊曲率半徑控制在工件檢測面曲率半徑的0.67～1.11倍內(nèi)，為滿足工件檢測面曲率半徑為80～250 mm的要求，至少需要3種不同曲率的對比試塊。為便于取材和加工，選擇工程上常見的公稱直徑為168，273，406 mm等3種規(guī)格的管道作為對比試塊進(jìn)行送料加工，將RB-C系列對比試塊曲率半徑控制在工件檢測面曲率半徑的0.67～1.09倍內(nèi)，使其完全滿足NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)中K2.5條的規(guī)定，經(jīng)增加曲率后的RB-C系列對比試塊尺寸如表1所示。

表1 RB-C系列對比試塊尺寸(增加曲率) mm

在使用該系列對比試塊時(shí)，還應(yīng)考慮標(biāo)準(zhǔn)正文6.3.10.1條的規(guī)定，確保檢測面曲率半徑R>W2/4(W為探頭接觸面寬度，環(huán)縫檢測時(shí)為探頭寬度，縱縫檢測時(shí)為探頭長度)。否則，應(yīng)采用與檢測面曲率相同的對比試塊。

1.2 試塊厚度要求

NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)中K2.6條款規(guī)定,試塊厚度與工件厚度相差不應(yīng)超過工件厚度的20%。

該類環(huán)向焊接接頭通常采用單面焊雙面成形的焊接技術(shù)，超聲檢測時(shí)僅能從外壁進(jìn)行單面雙側(cè)掃查，按平板對接接頭的B級(jí)技術(shù)等級(jí)要求執(zhí)行。對于壁厚為6～40 mm的工件需要采用一種K值的斜探頭進(jìn)行單面雙側(cè)檢測，對于壁厚為40～100 mm的工件則需要采用兩種K值的斜探頭進(jìn)行單面雙側(cè)檢測。經(jīng)常遇到的管徑小于500 mm的管道公稱壁厚通常都小于50 mm，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)附錄K“表K.1 RB-C系列對比試塊尺寸(推薦)”確定試塊的壁厚和橫孔深度位置分布。

1.3 對比試塊寬度的確定

在NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)1號(hào)修改單對應(yīng)的圖示中，規(guī)定編號(hào)為RB-C-1，RB-C-2，RB-C-3的試塊寬度為20 mm，規(guī)定編號(hào)為RB-C-4，RB-C-5的試塊寬度不小于20 mm。筆者認(rèn)為，在確定編號(hào)為RB-C-4，RB-C-5的試塊寬度時(shí)還應(yīng)考慮標(biāo)準(zhǔn)正文6.3.10.1條的規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)正文6.3.10.1條規(guī)定了檢測曲面工件(曲率半徑小于250 mm)時(shí)，所采用對比試塊曲率半徑、寬度的原則性要求，并給出了試塊寬度b的計(jì)算公式。

b≥2λS/D0

(1)

式中：b為試塊寬度；λ為超聲波波長；S為聲程；D0為聲源有效直徑。

也就是說，對于RB-C系列試塊中厚度不小于30 mm的試塊，其寬度應(yīng)結(jié)合實(shí)施檢測時(shí)所采用的檢測工藝參數(shù)(如波的類型、探頭頻率、晶片尺寸、最大聲程等)進(jìn)行綜合考慮。筆者認(rèn)為,在確定該系列對比試塊寬度時(shí)，不宜將其數(shù)值設(shè)計(jì)得過大，滿足式(1)要求即可。隨著試塊寬度的增加和試塊曲率的減小，深度位置較淺的橫孔(如深度位于4，5 mm等)貫穿位置出現(xiàn)在試塊兩側(cè)弧面(曲面)上的概率增加，會(huì)造成加工困難且不易控制橫孔深度的加工精度。同時(shí)，由于試塊寬度的增加，在實(shí)際操作過程中探頭容易走偏，不易測得所測橫孔的準(zhǔn)確深度，造成掃描量程誤差變大。筆者認(rèn)為，在采用橫波斜探頭檢測厚度為6～50 mm的工件時(shí)，將試塊寬度控制在20～25 mm之間比較適宜。

1.4 分析

將該類超聲檢測用對比試塊按試塊曲率半徑分成3組，每組需要5個(gè)試塊以覆蓋厚度為6～50 mm，曲率半徑為80～250 mm的環(huán)向?qū)咏宇^共計(jì)15塊。

從表1可看出, 覆蓋厚度為6～50 mm，外徑為160～500 mm的工件所需試塊數(shù)量較多,且該類對比試塊只能用來制作距離-波幅曲線，無法直接準(zhǔn)確地測量所用探頭和儀器的延遲時(shí)間及斜探頭入射點(diǎn)前沿值，無法測量所用儀器和斜探頭的遠(yuǎn)場分辨力、靈敏度余量和組合頻率等指標(biāo)，且不便操作。

2 GS系列對比試塊的要求和分析

標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.3-2015中6.4條規(guī)定GS系列對比試塊(GS-1～GS-4)共有8種曲率半徑，其適用范圍按試塊曲率半徑的0.9～1.1倍選取，同時(shí)允許添加不同曲率和厚度的其他試塊。為解決厚度為4～6 mm且曲率半徑大于80 mm的環(huán)向焊接接頭的檢測用對比試塊的需求，建議參照標(biāo)準(zhǔn)K2.5條款規(guī)定，在原GS系列試塊的基礎(chǔ)上增加兩塊試塊。由于一塊GS試塊可加工成兩種不同的曲率半徑，參照RB-C系列對比試塊曲率半徑要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，將對比試塊曲率半徑確定為88，118，178 mm和平面4種，可滿足壁厚為4～50 mm且曲率半徑大于80 mm的環(huán)向焊接接頭超聲檢測用試塊要求。

隨著材料制造工藝水平的提高，工件會(huì)向薄壁化、輕量化的方向發(fā)展，增加平面試塊是為了滿足可能出現(xiàn)的壁厚為4～6 mm且直徑大于500 mm管道環(huán)向?qū)咏宇^超聲檢測用對比試塊的需求，保持對比試塊尺寸在一定時(shí)期內(nèi)的穩(wěn)定性和較長的壽命周期。GS系列對比試塊參數(shù)如表2所示。

表2 GS試塊參數(shù) mm

GS系列對比試塊體型輕巧，便于攜帶，且用途廣泛，可用于斜探頭入射點(diǎn)、折射角的測量和儀器-斜探頭檢測系統(tǒng)的遠(yuǎn)場分辨力、靈敏度余量、組合頻率的測試以及儀器-斜探頭檢測系統(tǒng)的檢測校準(zhǔn)。在壁厚為6～50 mm時(shí)，GS-5(暫定)、GS-6(暫定)對比試塊的橫孔分布位置已全部覆蓋RB-C系列試塊的橫孔深度位置，也可將其作為RB-C系列的替代試塊。在使用GS-5(暫定)、GS-6(暫定)對比試塊進(jìn)行檢測時(shí)，應(yīng)注意其與被檢材料(包括RB-C系列試塊)之間的聲學(xué)性能差異，盡量確保兩者的聲學(xué)性能相似。GS對比試塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GS對比試塊結(jié)構(gòu)示意

3 被檢材料與對比試塊的聲學(xué)性能要求

NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)第4.2.3.2條規(guī)定,對比試塊應(yīng)與被檢件化學(xué)成分相似，含有意義明確的參考反射體，其外形尺寸應(yīng)能代表被檢工件的特征，與被檢件具有相同或相似的聲學(xué)性能。采用被檢工件的余料加工對比試塊，可確保兩者的聲學(xué)性能相同，但這需要耗費(fèi)較長的準(zhǔn)備時(shí)間并付出一定的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，而利用聲學(xué)性能相似且具有必要功能的對比試塊進(jìn)行替代更為經(jīng)濟(jì)、高效。如何衡量對比試塊與被檢件間聲學(xué)性能相似這一問題，NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)并未給出具體答案，而國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各不相同，表述內(nèi)容差異大，給實(shí)際檢測帶來了很大困難。材料的超聲表征指標(biāo)中有兩個(gè)涉及聲傳播的可測參量可以利用，即超聲波在材料中的傳播速度和衰減[1]。此前也有作者發(fā)表過相關(guān)內(nèi)容的論文，認(rèn)為用聲速和超聲衰減來表征材料的聲學(xué)性能是比較合適的[2]。但筆者認(rèn)為，除上述兩個(gè)指標(biāo)外，聲阻抗也是表征材料聲學(xué)性質(zhì)的重要物理量，聲阻抗的大小等于材料的密度與波速的乘積。聲阻抗是一個(gè)衡量聲學(xué)性質(zhì)的綜合指標(biāo)，不僅與材料的密度和聲速有關(guān)，還與材料的溫度有關(guān)，一般材料的聲阻抗隨溫度升高而降低[3]。

NB/T 20003.2-2010標(biāo)準(zhǔn)第5.4.2條規(guī)定,除另有規(guī)定外，對比試塊和被檢件間的聲學(xué)性能差異在下述范圍內(nèi)，則認(rèn)為具有相似的聲學(xué)性能：聲速差異為±5%;聲阻抗差異為±5%;衰減系數(shù)差異為±20%或厚度相同，底波信號(hào)差異小于4 dB。筆者認(rèn)為，該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于對比試塊和被檢工件聲學(xué)性能相似的認(rèn)定指標(biāo)比較合理，值得NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)借鑒和參考。在測試對比試塊和被檢工件的聲速、聲阻抗、衰減系數(shù)時(shí)，應(yīng)將兩者間的溫度差異控制在20 ℃之內(nèi)，盡量避免溫度差異對測量結(jié)果的影響。

聲速的測量方法相對簡單，使用帶有顯示聲程和時(shí)間參數(shù)的數(shù)字式超聲波探傷儀，對已知尺寸的各種規(guī)則反射體進(jìn)行測量，利用聲速等于聲程除以時(shí)間(應(yīng)扣除聲波在探頭內(nèi)所耗時(shí)間)進(jìn)行計(jì)算得出。

材料衰減的測定方法在NB/T 47013.3-2015標(biāo)準(zhǔn)附錄P(規(guī)范性附錄)中有詳細(xì)的描述。該標(biāo)準(zhǔn)附錄同時(shí)規(guī)定，對于碳鋼或低合金鋼板材的材料衰減，在頻率低于2.5 MHz、聲程不超過200 mm時(shí)，或者衰減系數(shù)小于0.01 dB·mm-1時(shí)，可以不考慮材料衰減對缺陷(缺欠)定量的影響。

4 結(jié)語

相比RB-C系列試塊，在GS系列試塊基礎(chǔ)上增加兩塊試塊(GS-5，GS-6)，則可解決厚度為4～6 mm且曲率半徑大于80 mm的環(huán)向焊接接頭超聲檢測用對比試塊需求。同時(shí)GS系列試塊(共6塊)滿足壁厚為4～50 mm且曲率半徑大于32 mm的所有環(huán)向焊接接頭的超聲檢測要求，在確保與被檢材料(包括RB-C系列試塊)聲學(xué)性能相似的前提下，也可作為RB-C系列試塊的替代試塊，減少不必要的試塊制作成本。將曲面環(huán)向?qū)咏宇^所用對比試塊標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，可為制造、安裝、檢測機(jī)構(gòu)節(jié)約檢測成本。