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(海洋石油工程股份有限公司，青島 266520)

在海洋工程項目中，大部分結(jié)構(gòu)都是熔化焊縫連接結(jié)構(gòu)。對結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行超聲檢測，是最經(jīng)濟(jì)且結(jié)果可靠性高的質(zhì)量控制手段，但檢驗工作量也非常大。一個常規(guī)項目的焊縫檢驗長度可以達(dá)到10～20 km。

海洋工程項目的服役地點在海上，工況復(fù)雜惡劣，對海上結(jié)構(gòu)體的質(zhì)量提出了很高的要求。在巨大檢驗工作量的壓力下，只有保證檢驗過程以及缺陷驗收部分均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，才能確保超聲檢測的準(zhǔn)確性，保證結(jié)構(gòu)體的安全。

海洋工程項目常用的超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)包括AWS D1.1-2015《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》，API RP 2X-2004《海上結(jié)構(gòu)制造超聲檢測和磁粉檢測推薦做法及無損檢測人員技術(shù)資格鑒定指南》，ASTM E164-2004《焊接件接觸式超聲檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法》，一般都是依據(jù)缺陷的回波高度和長度進(jìn)行驗收的。但由于部分項目的特殊性，缺陷在焊縫厚度方向的尺寸即缺陷高度也會作為驗收的準(zhǔn)則。

筆者介紹了美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的缺陷高度測量及具體實施方法，并分析了測量的準(zhǔn)確性。

1 方法分析

常用標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1，API RP 2X以及ASTM E164中都介紹了缺陷的高度測量方法,下面分別進(jìn)行介紹分析。

1.1 API RP 2X-2004 中的缺陷高度測量方法

API RP 2X是海上鋼結(jié)構(gòu)超聲檢測和磁粉檢測的推薦作法,其中推薦的缺陷高度測量方法有三種,分別是幅度比較法、聲束邊界交叉法和最大幅度法。

(1) 幅度比較法

該方法是將探測到的缺陷回波與對比試塊中的人工反射體的回波進(jìn)行比較從而獲得缺陷高度值的。如二者反射回波高度相同且聲程相同，則認(rèn)為與聲束交叉的兩個反射體的高度是相同的。在實際檢測工作中，幾乎不可能保證焊縫中的缺陷和人工反射體的聲程相同；為方便操作，必須使用不同深度的人工反射體制作DAC(距離-波幅)曲線，將缺陷回波與DAC曲線高度進(jìn)行比較,如果回波高于曲線,說明缺陷高度大于人工反射體高度。

由于該方法缺陷高度是通過跟人工反射體比較得出的，因此，如果要得到更精確的高度,需要制備一系列不同高度的人工反射體,也需要制作一系列對應(yīng)的DAC曲線，也要求參考反射體的形狀必須與所預(yù)計的缺陷形狀類似。

對于焊縫內(nèi)部缺陷，一般選用側(cè)鉆孔進(jìn)行DAC曲線的制作，對于單面焊根部未焊透缺陷，一般選用表面方形槽進(jìn)行DAC曲線的制作。DAC曲線參考試塊尺寸如圖1所示，圖中T為試塊厚度。

圖1 DAC曲線參考試塊尺寸

(2) 聲束邊界交叉法

該方法首先采用20 dB法測定出聲束的邊界，找到缺陷的最高回波后，將回波調(diào)至基準(zhǔn)高度(如屏幕高度的80%)；然后將儀器增益提高20 dB，向前移動探頭直到回波降低到基準(zhǔn)高度；此時，聲束邊界的底部邊緣就與反射體的頂部邊緣交叉；以同樣的方法向后移動探頭，分別記錄對應(yīng)的聲程和探頭入射點到缺陷的距離，通過1∶1作圖獲取缺陷高度，詳細(xì)做法以及聲束邊界的測定方法可查看參考文獻(xiàn)[1]。

該方法比較繁瑣，且作圖準(zhǔn)確性會對結(jié)果造成一定影響，現(xiàn)場檢驗時應(yīng)用不方便。為此，筆者通過分析和試驗，在此基礎(chǔ)和原理上總結(jié)了更簡便的方法如下所述。

首先采用20dB法測出探頭的聲束邊界，得到聲束邊界的實際角度，即擴(kuò)散角(θ上,θ下)。現(xiàn)場檢驗探測到缺陷時，先找到最高波并調(diào)至基準(zhǔn)波高，將增益提高20 dB，探頭角度分別調(diào)整至θ下,θ上；探頭分別向前和往后移動，直至回波降低到基準(zhǔn)波高；分別記錄儀器上的深度讀數(shù),二者之差即為缺陷高度。其操作步驟如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的聲束邊界交叉法操作步驟

方法簡化后，省略了1∶1作圖的繁瑣步驟，使其更適合現(xiàn)場應(yīng)用。但需要注意的是，該方法適用于壁厚19 mm 及以上的焊縫，且只適用于一次波檢測，對于單面焊根部未焊透缺陷，也不適合。

(3) 最大波幅法

該方法就是利用大部分的超聲束能量，以非常窄的波段集中在聲束中心附近,以此特性來探測反射體邊緣。首先找到最大反射回波，向前移動探頭直到回波信號開始下降，以測定反射體頂部邊緣；向后移動探頭直到回波信號開始下降，以測定反射體底部邊緣。分別記錄此兩個位置處的回波聲程，如圖3所示，利用公式E=cosC×(B-A)(式中E為缺陷高度;C為標(biāo)稱角度或測量角度;B為反射體底部邊緣處顯示的回波聲程;A為反射體頂部邊緣處顯示的回波聲程)，即可得到缺陷高度。

圖3 最大波幅法的檢測操作示意

該方法操作起來比較簡單，但一方面要求探頭指向性能好，能產(chǎn)生明顯的中心聲束；另一方面要求反射體高度明顯大于中心聲束的寬度。如果不能滿足這兩個條件，產(chǎn)生的誤差會很大。同時，該方法也不適用于單面焊根部未焊透的缺陷。

1.2 ASTM E164中的做法

圖4 ASME E164標(biāo)準(zhǔn)中的缺陷高度測量方法示意

該標(biāo)準(zhǔn)對測量缺陷高度的敘述如下: 反射體高度最小尺寸為3.2 mm 時，找到缺陷最高回波后，將探頭分別向前后移動；回波降低50%后，分別記錄該位置處的回波聲程；得到二者聲程差ΔS，方法示意如圖4所示；缺陷高度E=ΔS×cosβ(β為探頭折射角)。

需要注意的是，該方法適用于缺陷尺寸大于聲束寬度的情況，否則得到的結(jié)果會有較大誤差。

1.3 AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)中的做法

該標(biāo)準(zhǔn)的做法跟最大幅度法類似，具體為：找到缺陷最高回波后，分別向前后移動探頭，回波急劇下降并繼續(xù)向基準(zhǔn)線移動時，記錄儀器時基線數(shù)值，二者差值即為缺陷高度尺寸，方法示意如圖5所示(圖中80指屏幕高度的80%)。該方法可以這樣理解，向前后移動探頭，回波急劇下降時讀取儀器深度，二者之差即為缺陷高度。

圖5 AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)中的缺陷高度測量方法示意

圖6 含系列人工反射體的側(cè)鉆孔試塊幾何尺寸

2 試驗及分析

以上介紹了高度測量的常見方法，從理論上可以看出，部分方法比較繁瑣，部分方法在實際操作中可把握性不強。為了分析各方法的準(zhǔn)確性，制作了含一系列人工反射體的側(cè)鉆孔試塊，其幾何尺寸如圖6所示(圖中除非另有標(biāo)注，所有孔的長度為15 mm，所有孔距端頭的距離為40 mm)。

此次試驗,采用60°橫波探頭,利用以上介紹的各種方法進(jìn)行各個側(cè)鉆孔高度的測定,測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 使用4種方法測得的試塊高度數(shù)據(jù) mm

通過以上數(shù)據(jù)可以看出：

聲束邊界交叉法(20 dB法)與ASTM E164 中做法(此處簡稱6 dB法)的測量精度比較接近，測量的誤差相對較小。

最大波幅法與AWS D1.1中做法相比，二者操作過程相同，所以測量精度也非常接近，而且由于反射面是圓柱面，探頭向前后移動時，回波降低很快，而這兩種方法都要求回波從峰值下降即記錄探頭位置，從而測量誤差比較大，精度很低，基本不能真實反映反射體大小。

對于幅度比較法，此次試驗利用圖6中的參考反射體分別制作DAC曲線，再將各孔徑反射體回波分別與各DAC曲線進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表2所示。

表2 幅度比較法測得的側(cè)鉆孔直徑 mm

由表2可以看出，測量的結(jié)果與理論基本一致。

3 結(jié)論

(1) 如果需要測定焊縫內(nèi)部缺陷的高度，精確度較高的是20 dB法和6 dB法，二者精確度比較接近。聲束邊界交叉法比較繁瑣，尤其是聲束邊界測定的難度較大，如果邊界測定不準(zhǔn)確，會直接影響缺陷高度的測量準(zhǔn)確性，而6 dB法的操作相對簡單。

(2) 如果需要測定單面焊的根部缺陷，如根部未焊透，則只能采用幅度比較法，通過加工不同高度的方形槽，制作DAC曲線來進(jìn)行缺陷高度的比較。

(3) 如果不要求測定缺陷具體高度，比如API RP 2X C級檢驗中，只要求測定缺陷高度是否高于1.6,3.2,6.4 mm,此時采用幅度比較法即可。即只需要使用高度為1.6,3.2，6.4 mm的反射體制作DAC曲線，將焊縫中缺陷回波高度與DAC曲線進(jìn)行比較，該方法可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且操作簡單，誤差較小。

參考文獻(xiàn):

[1] 邢樹宏，高海波.超聲波探傷中波束有效邊界的測定及其應(yīng)用[J].中國海上油氣(工程),1996,8(6):48-55.