(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

全自動(dòng)超聲波技術(shù)主要用于海底管道或者陸地管道對(duì)接環(huán)焊縫的檢測，該技術(shù)具有高效、準(zhǔn)確、環(huán)保的特點(diǎn)，應(yīng)用范圍越來越廣泛。校準(zhǔn)試塊用于設(shè)置并校準(zhǔn)系統(tǒng)的靈敏度等參數(shù)，作為全自動(dòng)超聲波檢測系統(tǒng)最重要的一環(huán)，其設(shè)計(jì)的合理性決定了檢測工藝的可靠性。筆者結(jié)合ASTM E1961-2016《用聚焦探頭實(shí)現(xiàn)分區(qū)檢測法的環(huán)焊縫機(jī)械化超聲波檢測推薦做法》、DNVGL-ST-F101-2017《海底管線系統(tǒng)》、API 1104-2013《管道及相關(guān)設(shè)施焊接等標(biāo)準(zhǔn)的要求》，在大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，總結(jié)了不同類型坡口形式以及不同區(qū)域反射體設(shè)置的基本原則和方法，為全自動(dòng)超聲波檢測用試塊設(shè)計(jì)提供了參考。

1 校準(zhǔn)試塊材料要求

1.1 材料的選擇與跟蹤

為了保證校準(zhǔn)試塊材料的聲學(xué)性能盡可能與實(shí)際被檢對(duì)象的一致，加工校準(zhǔn)試塊的材料應(yīng)截取自管線中實(shí)際使用的管材。即便是同一種管線規(guī)格，如果生產(chǎn)廠家不同,聲學(xué)性能也可能會(huì)存在偏差，此時(shí)應(yīng)當(dāng)測量這些管子的聲速及衰減偏差，一旦超出標(biāo)準(zhǔn)或者業(yè)主規(guī)格書的要求，就需加工相應(yīng)材料的試塊。一旦材料選定，就需要對(duì)管料進(jìn)行跟蹤，如管號(hào)的轉(zhuǎn)移等。

1.2 材料的尺寸與檢測

海底管線一般的壁厚范圍為840 mm，直徑范圍為1141 219 mm，所以在試塊上加工目標(biāo)反射體前還需要注意以下事項(xiàng)：試塊理論中心線兩側(cè)必須預(yù)留至少150 mm空間,以放置探頭；試塊的軸向長度要足以放置掃查器軌道，一般要求軌道側(cè)試塊長度至少400 mm。如果試塊直徑太大,則不能進(jìn)行目標(biāo)反射體的加工，需要從管材上將加工試塊的材料切下，對(duì)于這種情況，建議在試件各個(gè)切割方向多留出25 mm空間，以避免切割過程中所產(chǎn)生的熱量帶來的影響。需要加工目標(biāo)反射體的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行超聲檢測，以確保材料中聲束的傳播不受影響，掃查范圍至少應(yīng)包括理論中心線兩側(cè)各150 mm范圍的母材，如果沒有發(fā)現(xiàn)缺欠，就可以進(jìn)行目標(biāo)反射體的加工。

2 反射體設(shè)計(jì)概述

標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-ST-F101中規(guī)定，反射體的類型及尺寸應(yīng)通過工藝評(píng)定來決定，主要反射體類型應(yīng)是平底孔及表面槽。

標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1961中規(guī)定，填充區(qū)域的反射體應(yīng)為23 mm的平底孔，表面槽用于模擬外表面咬邊以及未融合，同時(shí)也可用于模擬根部融合區(qū)域的缺陷。

參考以上標(biāo)準(zhǔn)要求，目標(biāo)反射體的設(shè)計(jì)原則如表1所示。

試塊上目標(biāo)反射體的布局非常重要，原則是各反射體的排列順序清晰，關(guān)鍵參數(shù)一目了然，保證上下游目標(biāo)反射體方向正確,以及上、下游目標(biāo)反射體對(duì)稱設(shè)置。圖1為典型的校準(zhǔn)試塊反射體布局示意。注意目標(biāo)反射體之間保持1520 mm間距，避免相鄰反射體之間的信號(hào)相互干擾，誤導(dǎo)操作者。設(shè)計(jì)試塊時(shí),從根部開始，上下游反射體的位置應(yīng)對(duì)稱于試塊的中心點(diǎn)，其布局順序一般為:根部反射體、鈍邊反射體、填充反射體、表面反射體、體積反射體、超聲衍射時(shí)差法(TOFD)反射體、通槽(孔)、TOFD(超聲衍射時(shí)差法)反射體、體積反射體、表面反射體、填充反射體、鈍邊反射體、根部反射體等。

表1 目標(biāo)反射體設(shè)計(jì)原則

圖1 校準(zhǔn)試塊反射體布局示意

3 根部目標(biāo)反射體

使用槽作為根部反射體時(shí)，槽應(yīng)該與焊縫坡口面一致，如果根部坡口垂直高度大于1 mm，需要設(shè)置兩個(gè)根部目標(biāo)反射體,根部高度為2 mm，如果只設(shè)計(jì)2 mm高的槽，很可能會(huì)導(dǎo)致高度較小的缺陷漏檢。槽的長度范圍一般設(shè)置為1020 mm，槽的寬度一般設(shè)置為1 mm。

4 熱焊區(qū)域目標(biāo)反射體

大多數(shù)焊縫為U型或復(fù)合V型坡口，不同類型的自動(dòng)焊坡口示意如圖2所示。

圖2 不同類型的自動(dòng)焊坡口示意

對(duì)于U型坡口,熱焊區(qū)為曲面坡口，設(shè)計(jì)試塊時(shí)應(yīng)采用45°的平底孔作為目標(biāo)反射體，孔底面與曲面相切，U型坡口熱焊區(qū)域反射體結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。對(duì)于復(fù)合V型坡口，需采用與熱焊坡口垂直的平底孔，如果熱焊區(qū)域高度較大，可以考慮設(shè)置兩個(gè)平底孔，熱焊區(qū)平底孔的直徑通常設(shè)置為2 mm或者3 mm。

圖3 U型坡口熱焊區(qū)域反射體結(jié)構(gòu)示意

5 填充區(qū)目標(biāo)反射體

在全自動(dòng)焊接工藝中，側(cè)壁未融合是常見的缺陷，而平底孔能夠很好地模擬側(cè)壁未熔合，所以一般使用平底孔作為填充區(qū)域的目標(biāo)反射體。填充區(qū)的平底孔角度應(yīng)與坡口角度保持一致，例如焊縫填充區(qū)角度為5°，平底孔角度也應(yīng)為5°，且平底孔中心應(yīng)設(shè)在每個(gè)分區(qū)的中心。填充區(qū)焊層高度通常為23 mm，所以分區(qū)高度一般也設(shè)為此值。如果填充區(qū)垂直高度為12 mm，則需要設(shè)置4個(gè)分區(qū)，每區(qū)高度為3 mm，目標(biāo)反射體為23 mm的平底孔。在壁厚不小于15 mm時(shí),通常采用直徑為3 mm的平底孔作為目標(biāo)反射體。與熱焊區(qū)域平底孔要求相似，填充區(qū)域平底孔的直徑必須經(jīng)過技術(shù)評(píng)定或者得到業(yè)主的認(rèn)可后方可確定。U型坡口填充區(qū)域反射體結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 U型坡口填充區(qū)域反射體結(jié)構(gòu)示意

6 蓋面槽

蓋面槽用于模擬蓋面層錯(cuò)邊或外表面咬邊，槽高度范圍為12 mm，寬為1 mm，長度范圍為1020 mm，角度范圍為0°10°。圖5為U型和復(fù)合V型坡口試塊上的蓋帽區(qū)域反射體設(shè)計(jì)示意。

圖5 U型和復(fù)合V型坡口試塊上的蓋帽區(qū)域反射體示意

7 體積型目標(biāo)反射體

體積型目標(biāo)反射體用于檢測氣孔等體積型缺欠。體積型目標(biāo)反射體為直徑為1.5 mm的平底孔，與中心線成45°角。反射體的數(shù)量及分布可采用如下方法確定。

(1) 將壁厚除以8所得到的值再四舍五入后得到的整數(shù)確定為體積通道的數(shù)量。如果被檢對(duì)象壁厚為15.8 mm，除以8得到的值為1.97，該值四舍五入約等于整數(shù)2，所以應(yīng)設(shè)置兩個(gè)體積通道；如果得到的值為1.5或小于1.5，只需要設(shè)置1個(gè)體積通道；同理，如果得到的值為2.6，那就需要設(shè)置3個(gè)體積通道。U型坡口體積通道反射體結(jié)構(gòu)示意如圖6所示，壁厚為12.7 mm的校準(zhǔn)試塊設(shè)置2個(gè)體積通道。

(2) 下方體積通道反射體中心線與熱焊區(qū)中心線重合，上面的體積通道反射體中心線應(yīng)通過坡口的上邊界。如果需要設(shè)置2個(gè)以上的目標(biāo)反射體，上方和下方兩個(gè)1.5 mm反射體總是位于圖6所示的位置，其他反射體在這兩個(gè)反射體之間平均分配。

圖6 U型坡口體積通道反射體結(jié)構(gòu)示意

8 其他目標(biāo)反射體

一個(gè)合格的校準(zhǔn)試塊至少要包括目標(biāo)反射體，以保證波束覆蓋整個(gè)焊縫區(qū)域，但還應(yīng)根據(jù)不同的焊縫坡口形式設(shè)置其他反射體，例如，需要設(shè)置鈍邊區(qū)目標(biāo)反射體(直徑為23 mm平底孔)用于檢測鈍邊區(qū)域，橫向槽用于校準(zhǔn)和檢測橫向裂紋，斜根部槽用于模擬焊趾裂紋，直徑為2 mm的平底孔根部用于調(diào)整根部通道靈敏度,TOFD反射體用于校準(zhǔn)TOFD通道等。

9 反射體加工精度

反射體的加工精度應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，一般推薦值如表2所示。

表2 反射體加工精度要求

10 結(jié)語

從材料要求、反射體設(shè)計(jì)原則、反射體具體設(shè)計(jì)方法、反射體加工精度等方面闡述了海底管線環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲波校準(zhǔn)試塊的設(shè)計(jì)方法，該方法能夠滿足碳鋼管線對(duì)接環(huán)焊縫全自動(dòng)超聲波檢測需求，并已經(jīng)在眾多工程中得到應(yīng)用及驗(yàn)證，具有較強(qiáng)的可操作性，也為類似的檢測校準(zhǔn)試塊的設(shè)計(jì)提供了參考。