复合板材料焊缝超声波检测校准试块的设计与应用

马晶晶，刁海波，白明辉，王猛，杨建昌，张磊磊

（海洋石油工程股份有限公司，天津，300452）

引言

随着复合板材料技术的提高，不锈钢复合板材料制造的的设备越来越多[1]，金属内衬复合板材料压力容器已经广泛用与航空航天，石油化工等领域[2]，复合板材料在制造过程中产生的缺陷与损伤是导致复合板材料压力容器失效和事故的主要原因[3]，海洋平台工程项目建造检验及在役检验中，常常遇到复合板材料压力容器等结构焊缝进行超声波检测要求，由于复合板材料的存在，超声波检测工艺制定需要测定复合板材料对于超声波检测反射及透射的影响，测试时就需要采用复合板材料超声波校准试块，本文主要介绍不锈钢复合板材料焊缝超声波检测校准试块的设计与应用；

1 不锈钢复合板材料焊缝的超声波检测

复合板材料压力容器等结构焊缝进行超声波检测时，对于复合板材料基材的超声波检测可以按照NB/T47013.3标准的要求执行[4]，但是由于复合板材料的存在，对基层的检测有多大影响尚不清楚，超声波检测工艺制定需要测定复合板材料对于超声波检测反射及透射的影响，目前检测标准中没有相应的校准试块进行参考，针对这种情况，本文设计一种复合板材料焊缝超声波检测校准试块，可以实现对复合板材料焊缝超声波检测中复合板对超声波反射及透射影响的测定，同时可以实现超声波检测灵敏度校准，该试块的使用，可以提高复合板材料焊缝超声波检测的准确度及灵敏度校准的准确度。

2 复合板材料超声波检测校准试块的设计与加工

本校准试块设计的主要目的在于克服现有复合板材料焊缝超声波检测技术存在的缺点，设计一种复合板材料焊缝超声波检测校准试块，该校准试块由复合板材料焊接加工而成，复合板材料为碳钢加不锈钢材料复合而成，该复合板材料试块中间包含一段对接焊缝，在焊缝内部加工横通孔，可进行焊缝内部灵敏度校准，同时在复合板材料母材上加工横通孔，可进行复合板材料母材超声波灵敏度校准，对于焊缝内部横通孔与复合板母材横通孔进行深度设置，使得该试块可以测定复合板材料对于超声波反射及透射的影响情况，通过该超声波试块，可以制定复合板材料焊缝超声波检测工艺，进行超声波灵敏度校准，方便在工程项目中推广使用。复合板材料焊缝校准试块设计特点如下：

⑴设计“对接焊缝”，该复合板材料焊缝焊接要求根据项目现场要求进行焊接，最大程度的模拟复合板焊缝真实情况，如图1中1位置；

⑵设计“焊缝内部横通孔”，根据NB/T47013.3-2015标准规定，设计直径2mm横通孔，可以进行焊缝位置超声波灵敏度校准，如图1中3位置。

⑶设计“复合板母材位置横通孔”，根据NB/T47013.3-2015标准规定，设计直径2mm横通孔，可以进行复合板母材位置超声波灵敏度校准，如图1中4位置。

⑷设计“横通孔深度”，在焊缝中间设置一组横通孔深度，分别距离碳钢层表面深度为10mm，20mm，30mm，40mm，50mm，在复合板母材位置设置一组横通孔深度，距离复合板表面深度分别为10mm，20mm，30mm，40mm，50mm；该方式设置深度可直接测量出复合板对于超声波检测透射的影响；

⑸设计“横通孔间距”，为防止两组横通孔距离太近，导致超声波探头测量受影响，将横通孔间距设置为大于2T *arctan60+20mm，其中T为复合板材料厚度，减少超声波测量时由于间距太短对数据采集造成影响；

⑹设计“复合板试块标识”，在试块上将材料牌号、材料厚度、横通孔直径、横通孔深度进行标识，防止使用时选择错误；

不锈钢复合板材料校准试块设计如图1所示，试块加工图如图2所示，由于项目中不锈钢复合板材料限制，实际试块采用54mm不锈钢复合板制作。

图1 校准比试块设计图

图2 加工后的不锈钢复合板材料超声波对比试块

3 不锈钢复合板材料超声波检测校准试块的使用方法

复合板材料焊缝超声波检测校准试块，由两块相同厚度（56+4mm）的复合板材料焊接而成，试块在焊缝位置加工有5个不同深度横通孔，分别距离碳钢表面10mm，20mm，30mm，40mm，50mm深，在复合板材料母材位置加工有5个不同深度的横通孔，分别距离复合板表面10mm，20mm，30mm，40mm，50mm深，两组横通孔分别进行深度标识，采用试块进行超声波检测校准时，通过碳钢层侧与复合板层侧对复合板材料母材位置不同深度横通孔灵敏度进行比较，可以测出复合板材料对于超声波透射的影响，两组横通孔也可实现对超声波灵敏度进行校准，采用超声波探头在碳钢层侧采用一次反射波对复合材料母材位置5个不同深度横通孔进行灵敏度测量，与采用常规碳钢校准试块的灵敏度进行比较，可以测出复合板材料对于超声波反射的影响。针对复合板材料对于超声波反射与透射的影响，可制定复合板材料焊缝超声波检测工艺。不锈钢复合板材料灵敏度对比测试包含三部分，一是对复合板透射超声波影响的测试，二是对复合板反射超声波影响的测试，三是对焊缝填充金属对超声波影响的测试。

3.1 复合板透射超声波影响的测试方法

如图3所示，在位置1与位置2分别采用超声波探头对深度10，20，30，40，50mm的侧钻孔进行回波幅度测量，为尽量减少手动操作的误差，可将每组数据进行3次测量，取平均值作为最终的结果。比较位置1与位置2数据差值，可得出复合板对透射超声波的影响，如果差值在2dB以内，可以忽略复合板对透射超声波的影响，如果差值大于2dB，在实际检测中需要将差值补偿进去。

图3 复合板透射超声波测试

3.2 复合板反射超声波影响的测试方法

如图4所示，在位置3采用超声波探头对深度50，40，30，20，10mm的侧钻孔进行回波幅度测量，同样为尽量减少手动操作的误差，可将每组数据进行3次测量，取平均值作为最终的结果，与在无复合板校准试块上的超声波测量数据进行比较，得出复合板反射超声波的影响。

图4 复合板反射超声波测试

3.3 焊缝填充金属对超声波影响的测试方法

如图5所示，在位置5采用超声波探头对深度50，40，30，20，10mm的侧钻孔进行回波幅度测量，与位置4处的侧钻孔回拨幅度进行比较，得出焊缝填充金属对超声波的影响。

图5 焊缝填充金属对超声波影响的测试

4 结论

本文通过制作不锈钢复合板材料焊缝超声波检测校准试块，对复合板在超声波反射及透射时的影响进行了方法分析，在制定超声波检测工艺时，采用相应的灵敏度补偿，即可做出较为合理的超声波检测工艺，有助于现场超声波检测工艺的制定。