顏春華

（健研檢測(cè)集團(tuán)有限公司，福建 漳州 361004）

0 引言

通過(guò)社會(huì)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(guò)研究鋼管在體育館、庫(kù)房、商場(chǎng)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(yùn)用到上述場(chǎng)所中，主要是因?yàn)殇摴茏陨硭邆涞男阅苄в弥蹈?、體積輕、零件簡(jiǎn)單、安裝便捷等優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí)，T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)是鋼管結(jié)構(gòu)主要常用焊接節(jié)點(diǎn)，但T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)相較于管對(duì)接焊接節(jié)點(diǎn)、管板焊接節(jié)點(diǎn)與球管焊接節(jié)點(diǎn)而言，其出現(xiàn)與被投入使用的時(shí)間較短、經(jīng)驗(yàn)較少，無(wú)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(diǎn)焊縫位置具有復(fù)雜性，現(xiàn)有無(wú)損探傷技術(shù)還無(wú)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(jià)值，應(yīng)對(duì)T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行探索，從而提高T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)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(huì)各領(lǐng)域。

1 簡(jiǎn)述傳統(tǒng)無(wú)損探傷的含義

超聲波檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）與射線檢測(cè)（RT）是T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)中常用的三種傳統(tǒng)無(wú)損探傷檢測(cè)形式（圖1 為 TYK 管節(jié)點(diǎn)焊縫結(jié)構(gòu)示意圖），主要檢測(cè)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(diǎn)位焊縫部位存在的不連續(xù)[1]。此外，在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)過(guò)程中，由于T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)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(cè)在實(shí)際T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)過(guò)程中有很多限制，導(dǎo)致射線檢測(cè)無(wú)法發(fā)揮其全部效果。基于此，在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)過(guò)程中射線檢測(cè)技術(shù)使用較少，多以超聲波檢測(cè)技術(shù)與磁粉檢測(cè)技術(shù)為主，同時(shí)，在二者實(shí)際運(yùn)用中主要以超聲波檢測(cè)技術(shù)為主，磁粉檢測(cè)技術(shù)為輔。

圖1 TYK 管節(jié)點(diǎn)焊縫結(jié)構(gòu)示意圖

超聲波檢測(cè)技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)過(guò)程中的主要方式是采取脈沖反射法，檢測(cè)原理為 “由于超聲波遇到缺陷時(shí)會(huì)出現(xiàn)發(fā)射和散射的情況，所以可以將探頭向被檢測(cè)管件中發(fā)射脈沖超聲波，然后根據(jù)發(fā)射回來(lái)的超聲波評(píng)判被檢測(cè)管件質(zhì)量?！彪m然超聲波檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)并且效果良好，但由于T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致超聲波檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中依舊存在很多難點(diǎn)，例如工作效率低、發(fā)射波識(shí)別困難與反射回波定位困難等。

基于超聲波檢測(cè)技術(shù)利用超聲脈沖波在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)過(guò)程中遇到的難點(diǎn)問(wèn)題，程志虎專家在某講座中就該系列問(wèn)題進(jìn)行了較為詳細(xì)的講解和談?wù)摗Ｅc此同時(shí)，程志虎專家還表明了超聲波檢測(cè)技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)中的未來(lái)研究方向，如：將計(jì)算機(jī)技術(shù)融入檢測(cè)中與研制新型專用超聲檢測(cè)設(shè)備等。

2 當(dāng)前TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)中存在的問(wèn)題

2.1 檢測(cè)方法過(guò)于單一

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

2.2 實(shí)際檢測(cè)效率低下

超聲波檢測(cè)技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中的工作效率調(diào)查表明，一個(gè)熟練掌握聲波檢測(cè)技術(shù)的工作人員在對(duì)被檢測(cè)管件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)往往需要一個(gè)上午的時(shí)間，而一個(gè)不熟練的工作人員所需的時(shí)間則更長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，超聲波檢測(cè)技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫實(shí)際檢測(cè)中工作效率較低，使超聲波檢測(cè)技術(shù)無(wú)法發(fā)揮其實(shí)際效用價(jià)值。

3 TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

在TKY 管節(jié)點(diǎn)焊接過(guò)程中往往會(huì)發(fā)生一系列有關(guān)焊縫質(zhì)量等問(wèn)題，這將直接影響TKY 管整體性能，基于此，為避免該問(wèn)題以及最大程度確保TKY 管焊接質(zhì)量，采用超聲檢測(cè)技術(shù)嚴(yán)格分析問(wèn)題發(fā)生的原因以及焊接過(guò)程中焊接機(jī)械手工藝參數(shù)，通過(guò)超聲檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)TKY 管節(jié)焊縫主要存在兩個(gè)方面問(wèn)題，一是焊縫開(kāi)裂問(wèn)題，TKY 管節(jié)點(diǎn)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(shí)，焊縫無(wú)法自由收縮，從而導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。二是采用超探檢測(cè)方法對(duì)側(cè)梁焊縫個(gè)別位置焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)有效熔深深度較淺，而導(dǎo)致該問(wèn)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?jī)H加持在了熔池上。針對(duì)前一問(wèn)題，應(yīng)從調(diào)整焊接工藝參數(shù)角度入手，并通過(guò)調(diào)整焊接速度、焊接方法、焊縫冷卻時(shí)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(kāi)裂。針對(duì)后一問(wèn)題應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，提高焊接速度。由此可見(jiàn)，超聲檢測(cè)技術(shù)在TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用尤為重要，是檢測(cè)焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵性技術(shù)，該文對(duì)TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫的超聲檢測(cè)過(guò)程總結(jié)如下。

3.1 TKY 管節(jié)點(diǎn)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(diǎn)相貫焊縫圖建立數(shù)學(xué)模型與推導(dǎo)可得，管節(jié)點(diǎn)焊縫上探傷面（任意）的曲率半徑ρ=D/2sin2θB?；诖?，可以通過(guò)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(yǔ)言編寫相結(jié)合，從而借助計(jì)算機(jī)繪制出TKY 管節(jié)點(diǎn)相貫焊縫各參數(shù)之間的關(guān)系曲線。

3.1.4 TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫缺陷定位

在TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫缺陷定位中超聲相控陣技術(shù)的應(yīng)用，可以基于計(jì)算機(jī)輔助面向?qū)ο蟪闪ISUAL++環(huán)境，并計(jì)算焊縫截面與缺陷的特征參數(shù)再由繪圖模塊根據(jù)計(jì)算結(jié)果畫出完整的焊縫剖面圖，從而在對(duì)焊縫缺陷與深度進(jìn)行有效定位。或者采用數(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(yùn)來(lái)自己之前預(yù)定好的彈花機(jī)、電腦衍縫機(jī)、無(wú)網(wǎng)棉揉棉機(jī)、全自動(dòng)棉胎生產(chǎn)流水線等先進(jìn)的棉被加工機(jī)器，并開(kāi)工運(yùn)營(yíng)。

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(shí)會(huì)面臨一種特殊情況，即支管的彎曲率與探頭探測(cè)面接觸面積成反比，前者大后者則小，甚至出現(xiàn)線或點(diǎn)接觸，而在此情況下不僅會(huì)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(huì)使反射聲束發(fā)散聲壓下降，進(jìn)而也會(huì)導(dǎo)致回波幅度下降。為準(zhǔn)確進(jìn)行TKY管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲檢測(cè)，確保TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲檢測(cè)質(zhì)量，應(yīng)盡量采用小尺寸探頭，與此同時(shí)，在調(diào)整靈敏度時(shí)，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(duì)操作修正補(bǔ)償定量法超聲檢測(cè)過(guò)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(diǎn)焊縫超聲檢測(cè)具體要求確定聲程范圍與雙探頭檔。2）采用兩個(gè)實(shí)測(cè)折射角接近的探頭。3）兩個(gè)實(shí)測(cè)折射角誤差必須在0.5°之內(nèi)。4）對(duì)比試塊厚度小于1/3 工件厚度尺。5）對(duì)比試塊采用機(jī)油，工件采用甘油。

3.2.2 操作修正的點(diǎn)數(shù)

T 管焊縫的補(bǔ)償值為2 個(gè)點(diǎn)的平均值，2 個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)的平均值，而這4 個(gè)點(diǎn)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(bào)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(gè)要點(diǎn)，分別是儀器測(cè)定范圍的調(diào)整、對(duì)比試塊厚度的選擇、制作方法、對(duì)DAC 曲線的基本要求，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行檢測(cè)，會(huì)極大程度提高TKY 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲檢測(cè)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(shí)的探頭掃查順序如圖2 所示。

圖2 制作DAC 曲線時(shí)的探頭掃查順序

第一要點(diǎn)強(qiáng)調(diào)T、K、Y 管狀焊縫：全跨距的1.5 倍。第二要點(diǎn)強(qiáng)調(diào)對(duì)比試塊厚度需要等于或接近探測(cè)母材厚度。第三要點(diǎn)須根據(jù)實(shí)際情況具體畫圖分析。第四要點(diǎn)強(qiáng)調(diào)每條DAC 曲線最少測(cè)定4 個(gè)點(diǎn)，包括100%、50%及200%在內(nèi)的三條曲線、一個(gè)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(diǎn)焊縫的超聲檢測(cè)技術(shù)分析

4.1 做好相貫線焊縫的模型，便于精準(zhǔn)檢測(cè)

相貫線焊縫數(shù)學(xué)模型的發(fā)展在我國(guó)T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波檢測(cè)發(fā)展中取得了一系列成效，如劉興亞專家基于計(jì)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(lái)的關(guān)系曲線成功為超聲波檢測(cè)在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)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(cè)效率

超聲相控陣技術(shù)在國(guó)外發(fā)展較為迅速，成果顯著，因此，我國(guó)為進(jìn)一步推廣與優(yōu)化超聲波檢測(cè)技術(shù)在T、K、Y管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用效果，充分發(fā)揮超聲波無(wú)損探傷技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(xiàng)目工程中將超聲相控陣技術(shù)運(yùn)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(guó)T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫檢測(cè)中，并在管道類工件檢測(cè)中應(yīng)用廣泛。

4.3 借助大數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，提高檢測(cè)準(zhǔn)確性

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）是隨著超聲波檢測(cè)技術(shù)不斷深入發(fā)展而基于計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生的一種具有強(qiáng)大計(jì)算能力和超強(qiáng)圖像分析處理能力的計(jì)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(diǎn)焊縫缺陷的檢測(cè)準(zhǔn)確性，在實(shí)際運(yùn)用中主要是借助CAD 技術(shù)，建立T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)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(dòng)化成像檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)

隨著超聲波檢測(cè)技術(shù)不斷深入發(fā)展，一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)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(yùn)而生。超聲成像技術(shù)以其超高的先進(jìn)性與實(shí)用性在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫無(wú)損傷檢測(cè)中脫穎而出，成為當(dāng)時(shí)引領(lǐng)時(shí)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(dòng)化、信息化、智能化等優(yōu)勢(shì)有效保證了檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、精準(zhǔn)性、可靠性，與此同時(shí)，超聲成像技術(shù)還能夠?qū)Σ杉降乃行畔⑦M(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，從而對(duì)工件缺陷做動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

4.5 應(yīng)用專家系統(tǒng)，降低檢測(cè)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(shí)與經(jīng)驗(yàn)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(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，可以在實(shí)際T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫無(wú)損傷檢測(cè)中模擬專家思維解決問(wèn)題，而具有大量專業(yè)化知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)成果下的專家系統(tǒng)功能效用在一定程度上超過(guò)專家水平。

而在海洋工程領(lǐng)域內(nèi)從事T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)研究的專家往往具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)系統(tǒng)化知識(shí)結(jié)構(gòu)。因此，為進(jìn)一步推動(dòng)T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫超聲波無(wú)損傷檢測(cè)技術(shù)發(fā)展，可以將海洋工程領(lǐng)域的專家經(jīng)驗(yàn)、問(wèn)題解決思維、專業(yè)化知識(shí)體系集中起來(lái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)匯總形成專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)運(yùn)用系統(tǒng)內(nèi)存在的大量知識(shí)對(duì)T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫存在的缺陷進(jìn)行自主、自動(dòng)、智能化檢測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于T、K、Y 管性能優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)，因此，隨著我國(guó)社會(huì)發(fā)展，其逐漸被使用到社會(huì)各領(lǐng)域行業(yè)中，但由于T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫具有復(fù)雜性，導(dǎo)致其在實(shí)際質(zhì)量檢測(cè)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(wèn)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(cè)技術(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化超聲波無(wú)損探傷技術(shù)在T、K、Y 管節(jié)點(diǎn)焊縫中檢測(cè)成效。