海底管道环焊缝全自动超声波校准试块设计

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

全自动超声波技术主要用于海底管道或者陆地管道对接环焊缝的检测，该技术具有高效、准确、环保的特点，应用范围越来越广泛。校准试块用于设置并校准系统的灵敏度等参数，作为全自动超声波检测系统最重要的一环，其设计的合理性决定了检测工艺的可靠性。笔者结合ASTM E1961-2016《用聚焦探头实现分区检测法的环焊缝机械化超声波检测推荐做法》、DNVGL-ST-F101-2017《海底管线系统》、API 1104-2013《管道及相关设施焊接等标准的要求》，在大量工程实践的基础上，总结了不同类型坡口形式以及不同区域反射体设置的基本原则和方法，为全自动超声波检测用试块设计提供了参考。

1 校准试块材料要求

1.1 材料的选择与跟踪

为了保证校准试块材料的声学性能尽可能与实际被检对象的一致，加工校准试块的材料应截取自管线中实际使用的管材。即便是同一种管线规格，如果生产厂家不同,声学性能也可能会存在偏差，此时应当测量这些管子的声速及衰减偏差，一旦超出标准或者业主规格书的要求，就需加工相应材料的试块。一旦材料选定，就需要对管料进行跟踪，如管号的转移等。

1.2 材料的尺寸与检测

海底管线一般的壁厚范围为840 mm，直径范围为1141 219 mm，所以在试块上加工目标反射体前还需要注意以下事项：试块理论中心线两侧必须预留至少150 mm空间,以放置探头；试块的轴向长度要足以放置扫查器轨道，一般要求轨道侧试块长度至少400 mm。如果试块直径太大,则不能进行目标反射体的加工，需要从管材上将加工试块的材料切下，对于这种情况，建议在试件各个切割方向多留出25 mm空间，以避免切割过程中所产生的热量带来的影响。需要加工目标反射体的区域应进行超声检测，以确保材料中声束的传播不受影响，扫查范围至少应包括理论中心线两侧各150 mm范围的母材，如果没有发现缺欠，就可以进行目标反射体的加工。

2 反射体设计概述

标准DNVGL-ST-F101中规定，反射体的类型及尺寸应通过工艺评定来决定，主要反射体类型应是平底孔及表面槽。

标准ASTM E1961中规定，填充区域的反射体应为23 mm的平底孔，表面槽用于模拟外表面咬边以及未融合，同时也可用于模拟根部融合区域的缺陷。

参考以上标准要求，目标反射体的设计原则如表1所示。

试块上目标反射体的布局非常重要，原则是各反射体的排列顺序清晰，关键参数一目了然，保证上下游目标反射体方向正确,以及上、下游目标反射体对称设置。图1为典型的校准试块反射体布局示意。注意目标反射体之间保持1520 mm间距，避免相邻反射体之间的信号相互干扰，误导操作者。设计试块时,从根部开始，上下游反射体的位置应对称于试块的中心点，其布局顺序一般为:根部反射体、钝边反射体、填充反射体、表面反射体、体积反射体、超声衍射时差法(TOFD)反射体、通槽(孔)、TOFD(超声衍射时差法)反射体、体积反射体、表面反射体、填充反射体、钝边反射体、根部反射体等。

表1 目标反射体设计原则

图1 校准试块反射体布局示意

3 根部目标反射体

使用槽作为根部反射体时，槽应该与焊缝坡口面一致，如果根部坡口垂直高度大于1 mm，需要设置两个根部目标反射体,根部高度为2 mm，如果只设计2 mm高的槽，很可能会导致高度较小的缺陷漏检。槽的长度范围一般设置为1020 mm，槽的宽度一般设置为1 mm。

4 热焊区域目标反射体

大多数焊缝为U型或复合V型坡口，不同类型的自动焊坡口示意如图2所示。

图2 不同类型的自动焊坡口示意

对于U型坡口,热焊区为曲面坡口，设计试块时应采用45°的平底孔作为目标反射体，孔底面与曲面相切，U型坡口热焊区域反射体结构示意如图3所示。对于复合V型坡口，需采用与热焊坡口垂直的平底孔，如果热焊区域高度较大，可以考虑设置两个平底孔，热焊区平底孔的直径通常设置为2 mm或者3 mm。

图3 U型坡口热焊区域反射体结构示意

5 填充区目标反射体

在全自动焊接工艺中，侧壁未融合是常见的缺陷，而平底孔能够很好地模拟侧壁未熔合，所以一般使用平底孔作为填充区域的目标反射体。填充区的平底孔角度应与坡口角度保持一致，例如焊缝填充区角度为5°，平底孔角度也应为5°，且平底孔中心应设在每个分区的中心。填充区焊层高度通常为23 mm，所以分区高度一般也设为此值。如果填充区垂直高度为12 mm，则需要设置4个分区，每区高度为3 mm，目标反射体为23 mm的平底孔。在壁厚不小于15 mm时,通常采用直径为3 mm的平底孔作为目标反射体。与热焊区域平底孔要求相似，填充区域平底孔的直径必须经过技术评定或者得到业主的认可后方可确定。U型坡口填充区域反射体结构示意如图4所示。

图4 U型坡口填充区域反射体结构示意

6 盖面槽

盖面槽用于模拟盖面层错边或外表面咬边，槽高度范围为12 mm，宽为1 mm，长度范围为1020 mm，角度范围为0°10°。图5为U型和复合V型坡口试块上的盖帽区域反射体设计示意。

图5 U型和复合V型坡口试块上的盖帽区域反射体示意

7 体积型目标反射体

体积型目标反射体用于检测气孔等体积型缺欠。体积型目标反射体为直径为1.5 mm的平底孔，与中心线成45°角。反射体的数量及分布可采用如下方法确定。

(1) 将壁厚除以8所得到的值再四舍五入后得到的整数确定为体积通道的数量。如果被检对象壁厚为15.8 mm，除以8得到的值为1.97，该值四舍五入约等于整数2，所以应设置两个体积通道；如果得到的值为1.5或小于1.5，只需要设置1个体积通道；同理，如果得到的值为2.6，那就需要设置3个体积通道。U型坡口体积通道反射体结构示意如图6所示，壁厚为12.7 mm的校准试块设置2个体积通道。

(2) 下方体积通道反射体中心线与热焊区中心线重合，上面的体积通道反射体中心线应通过坡口的上边界。如果需要设置2个以上的目标反射体，上方和下方两个1.5 mm反射体总是位于图6所示的位置，其他反射体在这两个反射体之间平均分配。

图6 U型坡口体积通道反射体结构示意

8 其他目标反射体

一个合格的校准试块至少要包括目标反射体，以保证波束覆盖整个焊缝区域，但还应根据不同的焊缝坡口形式设置其他反射体，例如，需要设置钝边区目标反射体(直径为23 mm平底孔)用于检测钝边区域，横向槽用于校准和检测横向裂纹，斜根部槽用于模拟焊趾裂纹，直径为2 mm的平底孔根部用于调整根部通道灵敏度,TOFD反射体用于校准TOFD通道等。

9 反射体加工精度

反射体的加工精度应满足相关标准的要求，一般推荐值如表2所示。

表2 反射体加工精度要求

10 结语

从材料要求、反射体设计原则、反射体具体设计方法、反射体加工精度等方面阐述了海底管线环焊缝全自动超声波校准试块的设计方法，该方法能够满足碳钢管线对接环焊缝全自动超声波检测需求，并已经在众多工程中得到应用及验证，具有较强的可操作性，也为类似的检测校准试块的设计提供了参考。