TKY管接点焊缝形状模型在相控阵检测中的应用

陆铭慧，邵红亮，刘勋丰，程 俊

（南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063）

T、K、Y管节点结构由于其优越的力学性能和使用性能，在海洋工程中被广泛应用。目前，国内外主要采用超声横波对此类焊缝进行检测，即在焊缝支管侧通过控制探头使其垂直于焊缝并沿焊缝走向作周向扫查。但在周向焊缝的不同位置上，探头扫查点处支管上的曲率不一样，焊缝的截面形状也随着位置的不同而连续变化，甚至在某些位置扫查时可能出现结构回波而使得难以与缺陷回波进行区分辨别，目前针对此类焊缝多采用作图解析法对缺陷进行定位［1］。但作图解析法对管结构的原始数据依赖过高，且作图步骤繁多，工作量大，由于现场工作条件艰苦，因此受人为因素影响较大，一个环节失误就可能导致定位工作的失败，所以迫切需要改进［2］。文献［3］推导了TKY管节点焊缝各结构参数相互之间的关系，建立了声程修正系数理论模型，采用计算机辅助计算的方法，绘制了几何临界角与相贯角、相贯角与声程修正系数及水平距离修正系数的关系曲线，初步对传统的缺陷定位方法进行改进。赵志斌［4］等以管节点结构中最具有代表性的Y型管节点作为研究对象，对Y型管节点结构的数学模型进行了理论推导。笔者在TKY管节点焊缝三维数学模型的基础上，建立了管节点焊缝上任意位置处截面图的二维平面数学模型，运用计算机辅助编程进行二维截面图的绘制，并在管节点模型的基础上，进行了二维截面上的声束覆盖模拟和实施自动回波定位方法。

1 计算机辅助程序

1.1 TKY截面模型的建立

对相贯节点超声检测时，进行缺陷定位的基础就是得到垂直于焊缝的声束截面，即过该点的法平面截得主支管所得的剖面图。根据空间几何知识很明显，法平面与主管的内、外壁的相交曲线及法平面与支管的内、外壁的相交曲线，是两组同心椭圆曲线。

图1 管节点焊缝截面

以二面角为钝角时为例：如图1所示，设根部间隙为m，焊缝宽度为n；主管椭圆中心点O2；支管椭圆中心点为O1，两椭圆短轴的夹角λ。以O1点为坐标原点，支管长轴方向为X轴方向，支管短轴方向为Y轴，建立平面直角坐标系，则支管椭圆方程可表示为：

主管椭圆经过坐标旋转，平移，方程可表示为：

式中：a，b分别为所属椭圆的长短轴；（x2，y2）为截主管所得椭圆中心O2点坐标；γ为椭圆旋转系数，根据椭圆旋转方式不同其取值为±1。

在图1中，区域ABCD为焊缝区域，由根部间隙m，通过数值解析算法可以确定A、B两点的坐标值，结合B点坐标和剖口角度可以计算出C点的坐标，以C点为圆心，以焊缝宽度n为半径作圆，交主管外壁于D点，连接ABCD点即为焊缝模型。实际进行检测时探头在支管弧段CM间进行移动。

1.2 相控阵扫查声束覆盖模拟

在使用相控阵检测TKY管节点焊缝时，为减小或消除检测盲区，需要知道在任意截面上相控阵探头在不同位置时声束覆盖情况。根据已给出的焊缝截面图，截取焊缝及其附近管壁部分作为研究对象，来确定相控阵声束入射路径。给定带斜楔相控阵斜探头及其参数，设某一阵元坐标为相对于点O1的坐标为E（xE，yE），根据以下公式可推导出入设点R 处的坐标（xR，yR）：

式中：h表示阵元距离探头底面高度；k为相控阵探头底面直线的斜率；α为声束入射角。

声束线在支管壁上的折射及反射满足费马定理和反射定理，单一阵元的声束路径如图2所示。依据此方法可以模拟出其它角度的声束辐射路径，最后各角度的声束合成可以模拟超声相控阵在扫查该类工件时扇扫和线扫的声场覆盖效果，通过改变探头的位置，可以研究在不通过扫查位置上相控阵探头声束在焊缝区域内的覆盖情况，从而为TKY管节点焊缝的相控阵检测提供理论指导，保证使用最少的扫查次数能覆盖到各截面整个区域，从而提高检测工作效率。

图2 声束入射焊缝接头

在对发现可疑回波进行定位时，读取仪器中反射回波的折射角度β以及声程，算出入射点R和反射点S点的坐标，判断SR的长度和声程的大小关系，可以确定回该波反射波来源于一次反射波或二次反射波以及反射点的具体位置，进而可以直观地显示该回波是否来自于焊缝区域。

2 模型应用实例

2.1 模拟试块的研制加工

试验采用最具代表性的Y型管节点为研究对象：材料Q235钢，横波声速为3 233m／s。实测主管外径为910mm，支管外径为610mm，主支管交叉角度为45°，主管壁厚为25mm，支管壁厚为19mm。焊接完成后进行块分区并切割。

图3 试块实物及扇扫声束覆盖效果

图3（a）为试验试块实物，图3（b）为A端面侧的声束覆盖效果。在试块上设计了深度均为20mm的两个短横孔，孔径为φ2mm。以此位置为例进行声束覆盖仿真，当探头距离焊缝边缘10mm，扇扫角度35°～68°时单次扫查就可实现焊缝该位置截面声束覆盖全部，因此将此参数作为此位置的相控阵扫查参数，试验表明将管节点环焊缝进行合理分区后，每个区域内使用一组或两组扫查参数即可实现该分区内焊缝连续位置的声束全覆盖。

使用相控阵仪器进行扫查时，仪器可以自动识别探头参数和楔块参数，其它参数根据实际工件进行设置，在试块上相关位置涂好耦合剂后，移动探头使探头声束截面与该位置焊缝垂直，并测量夹具保持探头前沿距焊缝支管侧边缘10mm，如图3（b）的声束覆盖模拟，此时可以保证在不前后移动探头及更换探头的情况下，使用相控阵扇扫即可覆盖该位置的整个焊缝接头面，大大减小了检测盲区，提高了检测效率。

2.2 试验结果

试验通过计算机编程，将上述数学模型编制成相应的“辅助定位软件”，使用该软件对试验用试块进行声束覆盖以及对各反射回波进行定位。

图4为E编号试块上A侧面附近相控阵仪器扫查图，在扫查图上共计四处回波信号，表1是各回波信号的声程及扫查角度。

图4 人工孔扫查图

表1 缺陷扫查结果

使用“计算机辅助定位软件”，对图4扫查结果的回波信号1，2，3，4的进行定位，如图5所示，其中w表示反射回波声程，D表示回波深度。由图可知：1，2号回波分别为1号孔的一次波和二次反射波的相控阵扇扫成像，3号回波为2号孔的二次反射回波相控阵成像，4号回波则为来自主管内壁的结构反射回波，属于伪缺陷回波。

图5 回波信号定位图示

表2 缺陷定位误差分析 mm

如表2为对A～F编号试块上共12组人工模拟缺陷的计算机辅助定位结果与人工缺陷实际测量值的对比，软件定位结果与实际测量值最小偏差为0.09mm，几乎与实际缺陷位置相符，最大偏差为1.86mm，此误差值已在海洋平台的超声检测缺陷定位误差可接受范围内，因此使用计算机辅助定位在一定程度上可以满足海平台TKY管节点焊缝超声检测缺陷定位要求，而且计算机辅助的方法比传统的作图解析法有更高的定位精度和工作效率。

3 结论

（1）采用超声相控阵扫查可以减小管节点焊缝的检测盲区，降低缺陷漏检率。

（2）使用计算机辅助软件可以绘制管节点焊缝截面实际形状，并模拟相控阵声束在焊缝区的覆盖范围，有效地指导超声相控阵检测参数的设置。目前该软件已植入SIUI SUPER型号超声相控阵仪器。

（3）计算机辅助软件能够快速、直观定位反射回波，比传统的作图解析法，具有更高的工作效率和定位精度，并减少人为因素在检测工作中的影响。

最终通过试验对所设计的模型进行验证，结果表明，使用计算机辅助可以大大改善缺陷定位工作的效率和准确性。

［1］ 程志虎.T，K，Y管节点焊缝超声波探伤第一讲技术特征与影响因素［J］.无损检测，1994，16（8）：234－240.

［2］ 陆铭慧，程俊，邵红亮，等.计算机辅助在TKY管节点焊缝超声相控阵检测中的应用［J］.焊接学报，2012（4）：49－52.

［3］ 刘兴亚，晋青珍，申献辉.T，K，Y管节点焊缝超声波探伤的计算机辅助计算［J］.钢结构，1998，13（4）：19－23.

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