海洋工程鋼結構焊縫超聲波檢測

丁 兵

(上海船舶工藝研究所,上海 200032)

海洋工程鋼結構焊縫超聲波檢測

丁 兵

(上海船舶工藝研究所,上海 200032)

以入級DNV的海洋鉆井船鋼結構平板對接焊縫為例,介紹了海洋工程鋼結構焊縫超聲波檢測方法的相關要求以及檢測的主要流程和技術要點。結果表明,超聲波檢測方法能夠有效檢測海洋工程鋼結構焊縫中存在的缺陷。

海洋工程;鋼結構焊縫;超聲波檢測

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

隨著工業和科技的不斷發展,能源緊缺日趨嚴重,海洋石油和天然氣開采必然越來越受到世界各國重視。現今,海洋油氣工程裝備產業已成為影響國家能源穩定和經濟安全的戰略性產業,也成為了造船業利潤的新增長點和主要海洋國家競相爭奪的市場。海洋工程包括海洋鉆井船、海洋鉆井平臺等,如圖1所示。這些項目由于結構復雜,工作環境惡劣,因而質量要求高,成本投入大。建造過程中業主委托某一船級社進行全程質量監控,并對產品出具質量證明。如最近由上海船廠船舶有限公司建造完成的海洋鉆井船入級DNV(挪威船級社),上海外高橋造船有限公司建造的具有自主知識產權的深水半潛式鉆井平臺入級ABS(美國船級社)和CCS(中國船級社)。本文以入級DNV的海洋鉆井船為例,介紹海洋工程鋼結構焊縫超聲波檢測的主要方法和技術要點。

該項目主要采用材質為A36、D36以及具有 Z向性能的鋼板,主要部件板厚范圍10～50 mm。焊接方法包括手工電弧焊、埋弧自動焊和CO2氣體保護焊。焊接接頭形式有等厚平板對接、變截面平板對接、角型接、T型接等,如圖2所示。

1 海洋平臺焊接結構超聲波檢測的相關要求

1.1檢測人員資質

參與本項目超聲波檢測的人員必須按照EN473、ISO9712或其他等同的公認標準和認證體系,進行UT-II級或UT-III級的資格鑒定和認證。證書應表明持證人員所獲得的何種方法/接頭形式的資格認定,并且持證人員還應具一定的焊接專業知識,能對缺陷產生的原因進行分析,以及對預防缺陷產生提出建設性意見等資質。

1.2 海洋平臺焊接結構超聲波檢測的質量要求

依據設計應力的水平及型式和接頭的重要性,《DNV海洋工程標準-OS-C401》對鋼結構焊縫的檢測范圍分別作出了明確規定,同時也明確了不同檢測方法的接受標準。表1為焊縫超聲波檢測的接受標準。

表1 DNV焊縫超聲波檢測的接受標準

1.3 檢測系統及其性能指標

超聲波檢測系統包括儀器、探頭、試塊、探頭電纜和耦合劑。在檢測過程中,要求儀器、探頭和探頭電纜匹配良好且性能穩定,滿足必要的檢測靈敏度。

(1)對探頭的要求:

①直探頭用于母材上探頭移動區域內缺陷的檢測,這些缺陷包括母材分層、夾雜等面積型缺陷,以及母材上可能產生的馬腳修補缺陷,也用于檢測母材顯著的材質衰減和板厚的變化。同時,對于 T型接頭和 Y型接頭,也應用直探頭在翼板母材遠離焊縫的一面進行檢測,以便發現檢測區域內未熔合、未焊透等危害性缺陷。直探頭包括雙晶直探頭(檢測t≤20 mm)和單晶直探頭(檢測t>20 mm),頻率為2～5 MHz,晶片直徑Φ10 mm、Φ20 mm。

②斜探頭用于檢測區域內所有缺陷的檢測,在選擇探頭角度時,應考慮主聲束盡可能與預計的缺陷面垂直,例如對未熔合的檢測,就應該選擇主聲束與未熔合面垂直的探頭。斜探頭的公稱角度為45°、60°、70°,頻率為2～5 MHz,晶片有效面積不超過500 mm2,且任一邊長不大于25 mm,同時規定聲束軸線水平偏離角不大于2°,探頭主聲束垂直方向的偏離,不應有明顯的雙峰。

(2)對試塊的要求:

試塊包括標準試塊(IIW-V1、IIW-V2)以及與被檢工件材料具有相同聲學性能的對比試塊(RB2),如圖3所示。試塊必須滿足尺寸精度和表面粗糙度的要求。

圖3 標準試塊及對比試塊草圖

(3)對檢測系統綜合性能的要求:

達到最大檢測聲程時,檢測系統的有效檢測靈敏度余量不小于10 dB;直探頭的遠場分辨力不小于30 dB,斜探頭不小于6 dB。

1.4 檢測面的選擇和準備

為了有效檢測焊縫,必須根據焊接接頭形式、板厚和可能產生的缺陷類型來選擇檢測面。主要掃查面如圖4所示。對于薄板平對接,可以采用單面雙側進行掃查,當單面雙側無法滿足時,可以采用雙面單側進行掃查。對于 T型接頭和 Y型接頭,應盡可能多地選擇檢測面。

T型接頭和Y型接頭用于直探頭掃查的清理寬度為腹板厚度加上焊角尺寸。用于斜探頭掃查的清理寬度與對接焊縫要求一樣。

圖4 幾種焊接接頭的檢測面示意圖

2 檢測實例

為了具體說明海洋工程鋼結構焊縫超聲波檢測的特點,本文以海洋工程鋼結構中常用的平板對接鋼結構焊縫形式(如圖5)為例,對海洋工程鋼結構焊縫超聲波檢測的工藝流程介紹如下。

2.1 檢測前的準備

檢測開始前,檢測人員應了解被檢構件的基本情況,包括材質、板厚、結構類型、坡口形式、焊接方法、質量等級、表面狀態等,并確定合理的檢測區域。對不低于NV420級別的構件,檢測應選擇在焊接完成48 h后進行;其余級別的構件,在焊接完成24 h后進行。

2.2 檢測系統參數設置與調整

(1)儀器、探頭選擇

根據板厚、結構類型、坡口形式、焊接方法等有關信息,選取有利于發現缺陷的探頭類型。一般情況下,每個檢測部位至少要用到3個探頭,進行焊縫區域和焊縫兩側母材區域內缺陷的檢測,以便于更準確的判斷缺陷類型和位置。

根據項目的實際要求,選用汕頭超聲儀器研究所生產的CTS-2 000、CTS-2 020、CTS-3 000等數字式超聲波探傷儀。這些數字式儀器攜帶方便,操作簡單,具有不少于100組的數據存儲功能,可以將多組DAC曲線存儲在其中,也可以將檢測中遇到的某些回波存于其中,以便分析研究。并選用上海創辰檢測設備有限公司研制生產的探頭和探頭電纜。其探頭規格為

圖5 海洋工程鋼結構平板對接焊縫

直探頭 :5P14F10、2.5P14Z、2.5P20Z

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

超聲波探頭在使用前應進行探頭實際參數測量,確認探頭標稱參數與實際參數的誤差是否滿足標準要求。

(2)儀器參數設置

根據檢測對象,在儀器面板對應菜單上設置材料聲速、探頭類型、發射強度、重復頻率、工件厚度等參數。在IIW-V1試塊上測定探頭零點和脈沖位移,調整探測范圍,使最大檢測范圍回波調節至顯示屏滿刻度3/4左右。

2.3 傳輸補償測定

檢測開始前,必須測定檢測系統在對比試塊和工件上的傳輸補償。這種傳輸補償即是包括因材質差異、聲程差異和表面耦合等在內的一系列因素導致接收回波能量的變化。

2.4 制作DAC曲線

將直探頭放置在對比試塊上(試塊材質與工件相同,外形尺寸300×40×50 mm,即 T=50 mm),DAC曲線如圖6所示;斜探頭放置在RB2試塊上,測得的DAC曲線如圖7所示。在檢測聲程范圍內,制作DAC曲線時不少于3點,且必須包含最遠的聲程。

2.5 橫向缺陷檢測靈敏度

在對工件進行斜探頭掃查時,必須進行橫向缺陷的檢測。檢測橫向缺陷時,在原檢測靈敏度基礎上增加6 dB。

2.6 掃查速度和方式

掃查速度不大于150 mm/s,探頭移動保證至少10%探頭晶片寬度的重疊。為了有利于發現缺陷和區別真假信號,采取前后、左右、轉動和環繞四種基本掃查方式掃查。在檢測橫向缺陷時,采用與焊縫中心線呈10°～20°的夾角進行雙側雙向掃查;對于余高磨平的焊縫,可將探頭置于焊縫上,進行兩個方向的掃查。

2.7 掃查靈敏度設置

為了充分掃查檢測區域,不造成漏檢和誤判,掃查靈敏度不能低于基準靈敏度,即20%DAC曲線,檢測橫向缺陷時增加6 dB,另外還須考慮傳輸補償。

2.8 檢測系統的校驗和復核

檢測系統的可靠性直接影響檢測結果的正確性,因此,整個檢測實施過程中都必須保證檢測系統的穩定和可靠。用不少于3個點的反射回波對DAC曲線進行復核,如果曲線上任何一點的波高下降≥2 dB,則應對上一次復核以來的所有檢測進行復驗;如果曲線上任何一點的波高上升≥2 dB,則應對上一次復核以來的所有記錄信號進行重新評定。

2.9 檢測信號的評價

采用DAC曲線并以最高回波為基礎,對缺陷進行定量評價,依據焊縫坡口形式、焊接工藝、缺陷位置、動態波形等對缺陷進行性質估判。具體需要依據表2來判斷被檢焊縫是否合格。所有缺陷回波,都需要用焊縫1:1剖面圖來表示,以便對缺陷進行準確定位和性質估判。表2和圖8作為一個檢測例子。

表2 缺陷記錄表

2.10 質量反饋

焊縫無損檢測是產品加工制作過程中一個重要環節。檢測結果盡可能反映焊縫內部真實情況,而業主、與設計、生產、監造等有關部門都有可能需要根據檢測結果來評價產品和施工質量。因此,有必要加強檢測結果信息的溝通。檢測人員應該及時反饋檢測結果,以檢測速報、質量報表、檢測報告等形式反映被檢焊縫質量,便于各方動態控制施工質量和調整施工計劃。

2.11 返修控制

所有不合驗收標準的焊縫,都應根據預先制定的焊接返修工藝進行返修,返修的次數不宜超過2次。返修后的焊縫應根據原來的檢測工藝進行檢測,并在缺陷部位兩端延伸不少于100 mm的兩段進行擴檢。

2.12 檢測資料的管理

檢測資料能有效記錄檢測過程和反映工程質量狀況。檢測資料包括申請單、檢測部位圖、檢測原始記錄、缺陷分

布示意圖、檢測報告和質量統計表等。檢測報告和記錄中應明確反映檢測結論、人員、設備、地點、日期、檢測規程、驗收要求和超標缺陷分布示意圖等信息。檢測資料必須按有關法規和合同進行存檔管理。

圖8 缺陷定位圖

3 結論

海洋工程鋼結構焊縫超聲波檢測在某種程度上有別于常規焊縫檢測,在選擇探頭角度和數量上有嚴格要求,這一方面是為了全面掃查到焊縫截面,另一方面是要對可能產生的缺陷進行搜索,特別是裂紋、未焊透、未熔合等那些危害性缺陷。根據焊縫坡口角度,選擇與缺陷取向垂直的聲束方向有利于發現缺陷。而在檢測面的選擇上,對于未焊透和裂紋缺陷應盡量采用一次波,對于邊緣未熔合應盡可能使用同側母材底面一次反射波,這樣得到的缺陷回波信號會非常明顯,因而也不至于出現漏檢。另外,焊縫1∶1作圖也是非常重要的工作,通過檢測記錄回波所有信息(包括波高、位置、回波包絡圖等),然后反映在焊縫剖面圖上,有助于缺陷定性。

焊縫超聲波檢測需要大量的專業理論知識和豐富的實際操作經驗。由于海洋工程其所處的特殊的環境,我們更應該嚴格按照檢測規范和驗收標準進行檢測。作為檢測人員,必須不斷學習理論知識與積累工作經驗,選擇合適的檢測設備和檢測方法,對缺陷進行有效的評價,以確保產品質量。

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[5] 吳敏等.船體全焊透 T型結構焊縫的超聲波檢測[J].無損檢測,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,高級工程師,從事無損檢測科研、培訓和工程檢測。