海洋平台构件单面焊焊缝超声检测根部回波的影响分析

闫留青

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海洋石油平台在建造过程中会使用大量只从一面焊接的管纵焊缝接头和TKY型管状接头,TKY管状接头结构如图1所示。该类接头焊缝往往要求根据标准API RP 2X-2015，使用45°,60°和70° 3种标称横波角度探头进行100%的超声检测，以确定焊缝中是否存在缺陷。在对TKY型管状接头进行超声扫查时，探头应尽量垂直于焊缝；由于垂直每个焊缝截面的坡口形式不断变化，根部钝边角度也是变化的；另由于探头扫查面曲率的变化，探头声束相对于根部坡口的角度也会有变化。

图1 TKY型管状接头结构示意

由于上述根部钝边夹角和探头扫查面的曲率变化,焊缝根部未熔合引起的超声回波十分复杂，因此，为对焊缝根部缺陷进行准确地定位定量，需对根部钝边引起的根部未熔合超声回波进行分析。制作了含有不同倾斜角度的根部钝边未熔合反射体模拟试块，并对根部钝边角度变化引起的根部未熔合超声回波进行了分析。

1 根部钝边未熔合反射机理与反射体试块的制备

根部钝边未熔合的反射回波与面反射、尖端散射、尖端衍射和未熔合与底面共同产生的角反射等机理有关。其中尖端散射(横波)和尖端衍射(纵波)回波幅值较小，并且与未熔合的倾角关系不大。对于面反射，随着未熔合倾角的变化，当轴线声束与倾斜面垂直时，反射回波最高。对于角反射，随着未熔合倾角的变化，回波幅值也不同，当倾角为90°时，会发生端角反射。另外对于面反射和角反射，随着未熔合倾角的变化，有时面反射对回波幅值起主要作用，有时角反射起主要作用，有时又有可能都不起作用。

文章选用壁厚为25 mm的平板，加工了31个长度和宽度相同，而倾斜角度(α)不同的根部钝边人工模拟反射体。其中每个根部钝边人工模拟反射体的规格都相同，宽都为1.6 mm，长都为30 mm。根部钝边反射体试块如图2所示(图中仅显示一个反射体)，根部钝边反射体参数如表1所示。

图2 根部钝边反射体试块结构示意

表1 人工根部钝边反射体参数

2 根部钝边未熔合模拟反射体扫查试验

图3 DAC曲线制作示意

使用标准API RP 2X-2015规定的A级检测用对比试块，以直径为1.6 mm的长横孔作为基准灵敏度，根据API RP 2X-2015标准第7.9.3节进行DAC(距离-波幅)曲线的制作(见图3)。根部钝边反射体的A扫波形及其扫查示意如图4所示，分别使用尺寸和频率相同[中心频率为5 MHz,探头尺寸为10×10(长×宽)]，而标称角度不同(标称角度分别为45°，60°和70°)的3个横波斜探头，逐一对31个根部钝边未熔合模拟反射体进行扫查，并记录每个根部钝边未熔合模拟反射体的最高回波与参考灵敏度的分贝差和此时最高回波处的声程(S)，检测数据如表2所示。

图4 根部钝边反射体的A扫波形及扫查示意

表2 各反射体的检测数据

3 数据分析

3.1 根部钝边角度对根部未熔合超声回波的幅值影响

根据表2数据，绘制根部钝边角度与回波幅值的关系曲线(见图5，图中角度为探头的标称角度)。从图5得出如下信息。

图5 根部钝边角度与未熔合回波幅值关系曲线

(1) 当α=90°时，声波会产生端角反射[1]。对于45°探头，根部钝边未熔合模拟反射体的回波幅值最大。对于60°探头，根部钝边未熔合模拟反射体上会激发很强的变型波(接近于纵波61°反射)，70°探头也有类似现象，这成为这2种角度探头回波幅值降低的一个重要原因。

(2) 当α≠90°时，端角反射现象会降低。对于45°探头，根部钝边未熔合模拟反射体的回波幅值下降最快。对于60°探头，根部钝边未熔合模拟反射体激发变型波的影响慢于角度变化的影响，回波幅值在α=84°时有些升高，但整体回波幅值一直比较低。对于70°探头，由于声速扩散角比较大，并且在α为70°和110°附近 ，根部钝边未熔合模拟反射体的回波幅值下降不明显，回波幅值一直比较高，并且波动不大。

(3) 当根部钝边倾斜角为110°，120°和135°时，70°，60°和45°探头分别在这些角度上是垂直入射状态，都能够得到最高反射回波。

(4) 当60°和45°探头不是垂直入射根部钝边时，回波降低比较明显。

(5) 对于45°探头，90°倾角上的反射波比135°倾角(垂直入射)的高，这是因为声束在90°倾角上发生的端角反射为双面反射(即90°角两侧的反射面都反射了回波，见图6)，反射面相对于135°倾角的反射面大幅增加，因此探头接收的回波幅值较高。

图6 90°倾角双反射面与135°倾角单反射面示意

综上所述，对于直角钝边缺陷(比如直角钝边未焊透，根部裂纹)，适合用45°探头进行定量，不适合用60°探头进行定量；对于非直角钝边缺陷(α角为90°±15°)，适合用70°探头进行定量，不适合用60°和45°探头进行定量；对于根部钝边倾斜角为110°，120°和135°时，可以分别用主声束与之垂直的70°，60°和45°探头进行定量。

3.2 根部钝边角度对根部未熔合超声回波的声程影响分析

根据表2数据，绘制的根部钝边角度与回波声程的关系曲线如图7所示。从图7可以看出，在60°<α<150°时， 对于70°探头，由于声束扩散角比较大，主声束的横截面比较大，所以最高回波处的声程测量值波动比较大。对于45°探头，由于声束扩散角比较小，主声束的横截面也比较小，所以最高回波处的声程测量值波动比较小。对于60°探头，声程波动介于45°和70°探头之间。因此，对于60°<α<150°的情况，优先选用45°探头进行定位(使用70°探头进行定位时，偏差可能比较大)。

图7 根部钝边角度与最高回波声程的关系曲线

4 结语

通过试验对根部钝边角度对根部未熔合超声回波的幅值和声程测量的影响进行了分析，总结了相关规律。不仅为此类焊缝根部不连续的检测提供探头选用的依据，而且对根部缺陷的定位定量也有较好的指导意义。