海洋工程钢结构焊缝超声波检测

丁 兵

(上海船舶工艺研究所,上海 200032)

海洋工程钢结构焊缝超声波检测

丁 兵

(上海船舶工艺研究所,上海 200032)

以入级DNV的海洋钻井船钢结构平板对接焊缝为例,介绍了海洋工程钢结构焊缝超声波检测方法的相关要求以及检测的主要流程和技术要点。结果表明,超声波检测方法能够有效检测海洋工程钢结构焊缝中存在的缺陷。

海洋工程;钢结构焊缝;超声波检测

Abstract:In this paper,for case of entry-level DNV’s offshore drilling vessel steel construction plate butt weld,a marine engineering steel construction weld ultrasonic testing requirements and test methods related to the main processes and technical issues involved is introduced.The results show that ultrasonic detection methods can effectively detect the defects of the marine engineering steel construction weld.

Key words:marine engineering;steel construction weld;ultrasonic testing

0 引言

随着工业和科技的不断发展,能源紧缺日趋严重,海洋石油和天然气开采必然越来越受到世界各国重视。现今,海洋油气工程装备产业已成为影响国家能源稳定和经济安全的战略性产业,也成为了造船业利润的新增长点和主要海洋国家竞相争夺的市场。海洋工程包括海洋钻井船、海洋钻井平台等,如图1所示。这些项目由于结构复杂,工作环境恶劣,因而质量要求高,成本投入大。建造过程中业主委托某一船级社进行全程质量监控,并对产品出具质量证明。如最近由上海船厂船舶有限公司建造完成的海洋钻井船入级DNV(挪威船级社),上海外高桥造船有限公司建造的具有自主知识产权的深水半潜式钻井平台入级ABS(美国船级社)和CCS(中国船级社)。本文以入级DNV的海洋钻井船为例,介绍海洋工程钢结构焊缝超声波检测的主要方法和技术要点。

该项目主要采用材质为A36、D36以及具有 Z向性能的钢板,主要部件板厚范围10～50 mm。焊接方法包括手工电弧焊、埋弧自动焊和CO2气体保护焊。焊接接头形式有等厚平板对接、变截面平板对接、角型接、T型接等,如图2所示。

1 海洋平台焊接结构超声波检测的相关要求

1.1检测人员资质

参与本项目超声波检测的人员必须按照EN473、ISO9712或其他等同的公认标准和认证体系,进行UT-II级或UT-III级的资格鉴定和认证。证书应表明持证人员所获得的何种方法/接头形式的资格认定,并且持证人员还应具一定的焊接专业知识,能对缺陷产生的原因进行分析,以及对预防缺陷产生提出建设性意见等资质。

1.2 海洋平台焊接结构超声波检测的质量要求

依据设计应力的水平及型式和接头的重要性,《DNV海洋工程标准-OS-C401》对钢结构焊缝的检测范围分别作出了明确规定,同时也明确了不同检测方法的接受标准。表1为焊缝超声波检测的接受标准。

表1 DNV焊缝超声波检测的接受标准

1.3 检测系统及其性能指标

超声波检测系统包括仪器、探头、试块、探头电缆和耦合剂。在检测过程中,要求仪器、探头和探头电缆匹配良好且性能稳定,满足必要的检测灵敏度。

(1)对探头的要求:

①直探头用于母材上探头移动区域内缺陷的检测,这些缺陷包括母材分层、夹杂等面积型缺陷,以及母材上可能产生的马脚修补缺陷,也用于检测母材显著的材质衰减和板厚的变化。同时,对于 T型接头和 Y型接头,也应用直探头在翼板母材远离焊缝的一面进行检测,以便发现检测区域内未熔合、未焊透等危害性缺陷。直探头包括双晶直探头(检测t≤20 mm)和单晶直探头(检测t>20 mm),频率为2～5 MHz,晶片直径Φ10 mm、Φ20 mm。

②斜探头用于检测区域内所有缺陷的检测,在选择探头角度时,应考虑主声束尽可能与预计的缺陷面垂直,例如对未熔合的检测,就应该选择主声束与未熔合面垂直的探头。斜探头的公称角度为45°、60°、70°,频率为2～5 MHz,晶片有效面积不超过500 mm2,且任一边长不大于25 mm,同时规定声束轴线水平偏离角不大于2°,探头主声束垂直方向的偏离,不应有明显的双峰。

(2)对试块的要求:

试块包括标准试块(IIW-V1、IIW-V2)以及与被检工件材料具有相同声学性能的对比试块(RB2),如图3所示。试块必须满足尺寸精度和表面粗糙度的要求。

图3 标准试块及对比试块草图

(3)对检测系统综合性能的要求:

达到最大检测声程时,检测系统的有效检测灵敏度余量不小于10 dB;直探头的远场分辨力不小于30 dB,斜探头不小于6 dB。

1.4 检测面的选择和准备

为了有效检测焊缝,必须根据焊接接头形式、板厚和可能产生的缺陷类型来选择检测面。主要扫查面如图4所示。对于薄板平对接,可以采用单面双侧进行扫查,当单面双侧无法满足时,可以采用双面单侧进行扫查。对于 T型接头和 Y型接头,应尽可能多地选择检测面。

T型接头和Y型接头用于直探头扫查的清理宽度为腹板厚度加上焊角尺寸。用于斜探头扫查的清理宽度与对接焊缝要求一样。

图4 几种焊接接头的检测面示意图

2 检测实例

为了具体说明海洋工程钢结构焊缝超声波检测的特点,本文以海洋工程钢结构中常用的平板对接钢结构焊缝形式(如图5)为例,对海洋工程钢结构焊缝超声波检测的工艺流程介绍如下。

2.1 检测前的准备

检测开始前,检测人员应了解被检构件的基本情况,包括材质、板厚、结构类型、坡口形式、焊接方法、质量等级、表面状态等,并确定合理的检测区域。对不低于NV420级别的构件,检测应选择在焊接完成48 h后进行;其余级别的构件,在焊接完成24 h后进行。

2.2 检测系统参数设置与调整

(1)仪器、探头选择

根据板厚、结构类型、坡口形式、焊接方法等有关信息,选取有利于发现缺陷的探头类型。一般情况下,每个检测部位至少要用到3个探头,进行焊缝区域和焊缝两侧母材区域内缺陷的检测,以便于更准确的判断缺陷类型和位置。

根据项目的实际要求,选用汕头超声仪器研究所生产的CTS-2 000、CTS-2 020、CTS-3 000等数字式超声波探伤仪。这些数字式仪器携带方便,操作简单,具有不少于100组的数据存储功能,可以将多组DAC曲线存储在其中,也可以将检测中遇到的某些回波存于其中,以便分析研究。并选用上海创辰检测设备有限公司研制生产的探头和探头电缆。其探头规格为

图5 海洋工程钢结构平板对接焊缝

直探头 :5P14F10、2.5P14Z、2.5P20Z

斜探头:4P8×12A70、4P8×12A60、4P13×13A70、4P13×13A60、4P13×13A45

超声波探头在使用前应进行探头实际参数测量,确认探头标称参数与实际参数的误差是否满足标准要求。

(2)仪器参数设置

根据检测对象,在仪器面板对应菜单上设置材料声速、探头类型、发射强度、重复频率、工件厚度等参数。在IIW-V1试块上测定探头零点和脉冲位移,调整探测范围,使最大检测范围回波调节至显示屏满刻度3/4左右。

2.3 传输补偿测定

检测开始前,必须测定检测系统在对比试块和工件上的传输补偿。这种传输补偿即是包括因材质差异、声程差异和表面耦合等在内的一系列因素导致接收回波能量的变化。

2.4 制作DAC曲线

将直探头放置在对比试块上(试块材质与工件相同,外形尺寸300×40×50 mm,即 T=50 mm),DAC曲线如图6所示;斜探头放置在RB2试块上,测得的DAC曲线如图7所示。在检测声程范围内,制作DAC曲线时不少于3点,且必须包含最远的声程。

2.5 横向缺陷检测灵敏度

在对工件进行斜探头扫查时,必须进行横向缺陷的检测。检测横向缺陷时,在原检测灵敏度基础上增加6 dB。

2.6 扫查速度和方式

扫查速度不大于150 mm/s,探头移动保证至少10%探头晶片宽度的重叠。为了有利于发现缺陷和区别真假信号,采取前后、左右、转动和环绕四种基本扫查方式扫查。在检测横向缺陷时,采用与焊缝中心线呈10°～20°的夹角进行双侧双向扫查;对于余高磨平的焊缝,可将探头置于焊缝上,进行两个方向的扫查。

2.7 扫查灵敏度设置

为了充分扫查检测区域,不造成漏检和误判,扫查灵敏度不能低于基准灵敏度,即20%DAC曲线,检测横向缺陷时增加6 dB,另外还须考虑传输补偿。

2.8 检测系统的校验和复核

检测系统的可靠性直接影响检测结果的正确性,因此,整个检测实施过程中都必须保证检测系统的稳定和可靠。用不少于3个点的反射回波对DAC曲线进行复核,如果曲线上任何一点的波高下降≥2 dB,则应对上一次复核以来的所有检测进行复验;如果曲线上任何一点的波高上升≥2 dB,则应对上一次复核以来的所有记录信号进行重新评定。

2.9 检测信号的评价

采用DAC曲线并以最高回波为基础,对缺陷进行定量评价,依据焊缝坡口形式、焊接工艺、缺陷位置、动态波形等对缺陷进行性质估判。具体需要依据表2来判断被检焊缝是否合格。所有缺陷回波,都需要用焊缝1:1剖面图来表示,以便对缺陷进行准确定位和性质估判。表2和图8作为一个检测例子。

表2 缺陷记录表

2.10 质量反馈

焊缝无损检测是产品加工制作过程中一个重要环节。检测结果尽可能反映焊缝内部真实情况,而业主、与设计、生产、监造等有关部门都有可能需要根据检测结果来评价产品和施工质量。因此,有必要加强检测结果信息的沟通。检测人员应该及时反馈检测结果,以检测速报、质量报表、检测报告等形式反映被检焊缝质量,便于各方动态控制施工质量和调整施工计划。

2.11 返修控制

所有不合验收标准的焊缝,都应根据预先制定的焊接返修工艺进行返修,返修的次数不宜超过2次。返修后的焊缝应根据原来的检测工艺进行检测,并在缺陷部位两端延伸不少于100 mm的两段进行扩检。

2.12 检测资料的管理

检测资料能有效记录检测过程和反映工程质量状况。检测资料包括申请单、检测部位图、检测原始记录、缺陷分

布示意图、检测报告和质量统计表等。检测报告和记录中应明确反映检测结论、人员、设备、地点、日期、检测规程、验收要求和超标缺陷分布示意图等信息。检测资料必须按有关法规和合同进行存档管理。

图8 缺陷定位图

3 结论

海洋工程钢结构焊缝超声波检测在某种程度上有别于常规焊缝检测,在选择探头角度和数量上有严格要求,这一方面是为了全面扫查到焊缝截面,另一方面是要对可能产生的缺陷进行搜索,特别是裂纹、未焊透、未熔合等那些危害性缺陷。根据焊缝坡口角度,选择与缺陷取向垂直的声束方向有利于发现缺陷。而在检测面的选择上,对于未焊透和裂纹缺陷应尽量采用一次波,对于边缘未熔合应尽可能使用同侧母材底面一次反射波,这样得到的缺陷回波信号会非常明显,因而也不至于出现漏检。另外,焊缝1∶1作图也是非常重要的工作,通过检测记录回波所有信息(包括波高、位置、回波包络图等),然后反映在焊缝剖面图上,有助于缺陷定性。

焊缝超声波检测需要大量的专业理论知识和丰富的实际操作经验。由于海洋工程其所处的特殊的环境,我们更应该严格按照检测规范和验收标准进行检测。作为检测人员,必须不断学习理论知识与积累工作经验,选择合适的检测设备和检测方法,对缺陷进行有效的评价,以确保产品质量。

[1] DNV海洋工程标准-OS-C401[S].2004.

[2] DNV无损检测入级指导No.7[S].2004.

[3] 郑晖,林树青.超声检测[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2008.

[4] JB/T4730-2005,承压设备无损检测[S].

[5] 吴敏等.船体全焊透 T型结构焊缝的超声波检测[J].无损检测,2009,31(2):164-166.

Ultrasonic Testing of Marine Engineering Steel Construction Welds

DING Bing
(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute,Shanghai 200032,China)

P751

A

1001-4500(2010)03-0052-05

2009-09-27; 修改稿收到日期:2010-03-29

丁 兵(1973-),男,高级工程师,从事无损检测科研、培训和工程检测。