海洋鋼結(jié)構(gòu)橫向裂紋超聲檢測特性分析

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520）

0 前言

裂紋是海洋鋼結(jié)構(gòu)焊縫危害最大的常見焊接缺陷之一。裂紋按延伸方向分為縱向裂紋、橫向裂紋、輻射狀裂紋等。橫向裂紋又被稱為冷裂紋或延遲裂紋，多產(chǎn)生于焊縫邊界并延伸于焊縫及熱影響區(qū)，走向基本垂直于焊縫邊界，更為嚴重的是裂紋端部會形成尖銳缺口，應(yīng)力高度集中，很容易擴散，不允許在焊縫中存在[1]。橫向裂紋產(chǎn)生的原因主要有應(yīng)力作用、焊接工藝不合理、氫的存在以及冶金因素等[2]，橫向裂紋一旦出現(xiàn)將大面積存在。

國內(nèi)針對橫向裂紋的檢測研究較少，現(xiàn)有的檢測方法如射線檢測、磁粉檢測、渦流檢測等，在橫向裂紋的檢測方面都略有不足[3]。超聲波檢測則有一定優(yōu)勢，尤其適于裂紋的檢測[4]。便攜式超聲檢測技術(shù)基于反射或傳輸，獲取缺陷和開口裂紋非常靈敏[5]。在對海洋鋼結(jié)構(gòu)焊縫進行無損檢測時主要采用磁粉檢測和超聲檢測結(jié)合的方式，分別發(fā)現(xiàn)及評定焊縫表面和內(nèi)部缺陷。本研究結(jié)合某國外FPSO（浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置）項目船舷側(cè)承重鋼結(jié)構(gòu)在超聲檢測過程中發(fā)現(xiàn)的橫向裂紋案例，分析總結(jié)檢測過程中操作及缺陷判定，為今后類似工程提供借鑒。

1 焊縫信息

母材材料為DH36船體結(jié)構(gòu)鋼，板厚37.5 mm；填充材料為TWE-711Ni；K型坡口；采用FCAW焊接方法。焊接時環(huán)境溫度約為-2℃，采取擋風(fēng)、焊前預(yù)熱處理等措施。焊完48 h后進行無損檢測。表面進行磁粉檢測，檢測結(jié)果合格；超聲檢測縱向掃查合格，但是在橫向掃查時發(fā)現(xiàn)大量缺陷回波顯示，符合橫向裂紋的回波特征，初步判定該缺陷為橫向裂紋。

2 超聲波檢測

2.1 檢驗準備

2.1.1 設(shè)備選取

超聲檢測儀器選用奧林巴斯USM 35型；探頭頻率5 MHz。

2.1.2 儀器校準

（1）按照AWS D1.1標準要求[6]，選取IIW試塊φ100 mm圓弧面的一次回波和二次回波對設(shè)備進行聲速校準。

（2）使用IIW試塊的φ50 mm孔確定探頭折射角。

（3）使用IIW試塊的φ1.6 mm孔作為標準反射體確定儀器的基準靈敏度。

（4）基準靈敏度+6 dB作為掃查靈敏度。

2.1.3 采用標準

AWS D1.1標準明確[6]規(guī)定在檢測橫向不連續(xù)性時，對于打磨的焊縫，當(dāng)焊縫打磨平齊時用掃查方式D，即探頭直接放置在焊縫上掃查，如圖1所示。

圖1 掃查方式

驗收評判規(guī)定：任何尺寸和部位的裂紋都不合格。

2.2 檢測過程

2.2.1 磁粉檢測

對選定的焊縫表面進行磁粉檢測。首先對焊縫表面施加反差劑，使用油基磁懸液進行交叉磁化，未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示。

2.2.2 超聲檢測

（1）裂紋超聲反射回波分析。平面型反射體的裂紋比柱狀反射體的孔更加靈敏。

長橫孔聲壓

平底孔聲壓

式中 P為波源的起始聲壓；S為波源的面積；S'為平底孔缺陷的面積；D為長橫孔直徑；λ為波長；X為平底孔至波源的距離。

由式（1）和式（2）可知，探頭角度設(shè)為 70°，長橫孔直徑φ=1.58 mm，孔深12 mm，計算可得當(dāng)量圓形裂紋直徑為1.34 mm，此時即可得到基準靈敏度的波幅高度。

（2）縱向掃查。探頭運動方向垂直于焊縫，掃查范圍覆蓋1.5倍跨距，無缺陷回波顯示或缺陷波幅不明顯，如圖2所示。

圖2 縱向掃查及波形顯示

（3）橫向掃查。將探頭放置在焊縫上，探頭運動方向平行于焊縫。掃查時發(fā)現(xiàn)缺陷回波，波形尖銳、波幅較高，超過滿屏顯示，前后移動探頭可以看到缺陷回波連續(xù)出現(xiàn)，同時掃查中發(fā)現(xiàn)兩個緊挨的波形顯示，說明裂紋排列密集，儀器讀取缺陷深度為7~15 mm，如圖3所示。此外，個別回波顯示深度約為20 mm，說明裂紋已經(jīng)延伸到焊縫對面一側(cè)，標記此裂紋位置A。

180°調(diào)整探頭運動方向，使其指向焊縫另一端進行橫向掃查，基本看不到缺陷回波或者回波顯示很低，如圖4所示。

圖3 橫向掃查顯示一

圖4 橫向掃查顯示二

（4）檢測焊縫對側(cè)，重復(fù)（2）、（3）操作，得到的結(jié)果與上述操作相同。掃查位置A處裂紋，發(fā)現(xiàn)裂紋深度同樣約為20 mm，證明了裂紋的延伸。

2.3 驗證

對超聲檢測有橫向缺陷的位置進行電弧氣刨和打磨處理，氣刨深度10 mm，除去余高及深度6 mm內(nèi)的母材。對處理后的焊縫進行磁粉檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋磁痕顯示清晰，確認超聲檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷是橫向裂紋，如圖5所示。

圖5 磁粉檢測顯示

3 橫向裂紋修復(fù)

在船體裂紋產(chǎn)生部位截取相同材料試件進行物理化學(xué)分析和工藝匹配性認證，依據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整焊接工藝。調(diào)整焊接工藝后的焊縫分別冷卻至室溫、48h、72h時進行磁粉及超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋顯示。依據(jù)新焊接工藝對現(xiàn)場焊縫進行返修檢驗，結(jié)果合格。

4 結(jié)論

（1）采用對焊縫存在缺陷部位進行電弧氣刨后磁粉檢測的方式驗證了超聲檢測的準確性，證明通過縱向掃查、橫向掃查以及波形分析等可以較為準確地定性裂紋。

（2）在橫向掃查過程中，變換探頭掃查方向所得到的回波幅度差別很大，說明焊縫內(nèi)部裂紋與焊縫表面呈一定傾角延伸，產(chǎn)生如下兩種影響：一是傾角使得裂紋的反射面變小，對裂紋當(dāng)量的評定產(chǎn)生影響，使得儀器顯示的裂紋當(dāng)量往往小于其實際尺寸；二是在進行掃查時，由于聲波反射角度的影響，當(dāng)裂紋反射面與聲波接近垂直時，聲波的反射能量高，接受的信號波幅高，而當(dāng)變換探頭掃查方向時，聲波能量被反射衰減，探頭接收到的聲束強度太小，看不到回波或者回波不明顯。這一點對標準要求進行了驗證，在AWS D1.1標準中[6]掃查方式D/E要求（見圖1），探頭與焊縫呈一定角度或者探頭放置于焊縫上，沿相對的兩個方向分別進行掃查，保證了檢驗的準確性，防止發(fā)生漏檢。

（3）橫向裂紋的超聲檢測特點非常明顯，通過嚴格執(zhí)行檢驗標準可以快速地定量和定性橫向裂紋。無損檢測作為質(zhì)量檢驗的最后一個環(huán)節(jié)，具有重要的作用。

[1]呂育棟，楊光，楊洪臣.鋼管直縫埋弧焊縫橫向裂紋一字型掃查方式淺析[J].無損檢測，2012（5）：22-25.

[2]方曉東，甘正紅，崔萬年，等.厚壁直縫埋弧焊管焊接橫向裂紋的分析與控制[J].焊管，2013（5）：62-66.

[3]羅志偉，張弛，劉斌，等.焊縫橫向裂紋聲波衍射信號特征與采集方法[J].焊接，2016（6）：26-29.

[4]楊春英.金屬焊縫超聲波橫波檢測缺陷回波信號的分析[J].焊接技術(shù)，2013（7）：76-78.

[5]Nan Li，Junjun Sun，Jingping Jiao.Quantitative evaluation of micro-cracks using nonlinear ultrasonic modulation method[J].NDT&E International，2016（79）：63-72.

[6]AWS D1.1M-2010鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].