海洋鋼結(jié)構(gòu)橫向裂紋超聲檢測(cè)特性分析

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520）

0 前言

裂紋是海洋鋼結(jié)構(gòu)焊縫危害最大的常見焊接缺陷之一。裂紋按延伸方向分為縱向裂紋、橫向裂紋、輻射狀裂紋等。橫向裂紋又被稱為冷裂紋或延遲裂紋，多產(chǎn)生于焊縫邊界并延伸于焊縫及熱影響區(qū)，走向基本垂直于焊縫邊界，更為嚴(yán)重的是裂紋端部會(huì)形成尖銳缺口，應(yīng)力高度集中，很容易擴(kuò)散，不允許在焊縫中存在[1]。橫向裂紋產(chǎn)生的原因主要有應(yīng)力作用、焊接工藝不合理、氫的存在以及冶金因素等[2]，橫向裂紋一旦出現(xiàn)將大面積存在。

國內(nèi)針對(duì)橫向裂紋的檢測(cè)研究較少，現(xiàn)有的檢測(cè)方法如射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)等，在橫向裂紋的檢測(cè)方面都略有不足[3]。超聲波檢測(cè)則有一定優(yōu)勢(shì)，尤其適于裂紋的檢測(cè)[4]。便攜式超聲檢測(cè)技術(shù)基于反射或傳輸，獲取缺陷和開口裂紋非常靈敏[5]。在對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)主要采用磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)結(jié)合的方式，分別發(fā)現(xiàn)及評(píng)定焊縫表面和內(nèi)部缺陷。本研究結(jié)合某國外FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置）項(xiàng)目船舷側(cè)承重鋼結(jié)構(gòu)在超聲檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的橫向裂紋案例，分析總結(jié)檢測(cè)過程中操作及缺陷判定，為今后類似工程提供借鑒。

1 焊縫信息

母材材料為DH36船體結(jié)構(gòu)鋼，板厚37.5 mm；填充材料為TWE-711Ni；K型坡口；采用FCAW焊接方法。焊接時(shí)環(huán)境溫度約為-2℃，采取擋風(fēng)、焊前預(yù)熱處理等措施。焊完48 h后進(jìn)行無損檢測(cè)。表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格；超聲檢測(cè)縱向掃查合格，但是在橫向掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)大量缺陷回波顯示，符合橫向裂紋的回波特征，初步判定該缺陷為橫向裂紋。

2 超聲波檢測(cè)

2.1 檢驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1.1 設(shè)備選取

超聲檢測(cè)儀器選用奧林巴斯USM 35型；探頭頻率5 MHz。

2.1.2 儀器校準(zhǔn)

（1）按照AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)要求[6]，選取IIW試塊φ100 mm圓弧面的一次回波和二次回波對(duì)設(shè)備進(jìn)行聲速校準(zhǔn)。

（2）使用IIW試塊的φ50 mm孔確定探頭折射角。

（3）使用IIW試塊的φ1.6 mm孔作為標(biāo)準(zhǔn)反射體確定儀器的基準(zhǔn)靈敏度。

（4）基準(zhǔn)靈敏度+6 dB作為掃查靈敏度。

2.1.3 采用標(biāo)準(zhǔn)

AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)明確[6]規(guī)定在檢測(cè)橫向不連續(xù)性時(shí)，對(duì)于打磨的焊縫，當(dāng)焊縫打磨平齊時(shí)用掃查方式D，即探頭直接放置在焊縫上掃查，如圖1所示。

圖1 掃查方式

驗(yàn)收評(píng)判規(guī)定：任何尺寸和部位的裂紋都不合格。

2.2 檢測(cè)過程

2.2.1 磁粉檢測(cè)

對(duì)選定的焊縫表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)。首先對(duì)焊縫表面施加反差劑，使用油基磁懸液進(jìn)行交叉磁化，未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示。

2.2.2 超聲檢測(cè)

（1）裂紋超聲反射回波分析。平面型反射體的裂紋比柱狀反射體的孔更加靈敏。

長橫孔聲壓

平底孔聲壓

式中 P為波源的起始聲壓；S為波源的面積；S'為平底孔缺陷的面積；D為長橫孔直徑；λ為波長；X為平底孔至波源的距離。

由式（1）和式（2）可知，探頭角度設(shè)為 70°，長橫孔直徑φ=1.58 mm，孔深12 mm，計(jì)算可得當(dāng)量圓形裂紋直徑為1.34 mm，此時(shí)即可得到基準(zhǔn)靈敏度的波幅高度。

（2）縱向掃查。探頭運(yùn)動(dòng)方向垂直于焊縫，掃查范圍覆蓋1.5倍跨距，無缺陷回波顯示或缺陷波幅不明顯，如圖2所示。

圖2 縱向掃查及波形顯示

（3）橫向掃查。將探頭放置在焊縫上，探頭運(yùn)動(dòng)方向平行于焊縫。掃查時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷回波，波形尖銳、波幅較高，超過滿屏顯示，前后移動(dòng)探頭可以看到缺陷回波連續(xù)出現(xiàn)，同時(shí)掃查中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)緊挨的波形顯示，說明裂紋排列密集，儀器讀取缺陷深度為7~15 mm，如圖3所示。此外，個(gè)別回波顯示深度約為20 mm，說明裂紋已經(jīng)延伸到焊縫對(duì)面一側(cè)，標(biāo)記此裂紋位置A。

180°調(diào)整探頭運(yùn)動(dòng)方向，使其指向焊縫另一端進(jìn)行橫向掃查，基本看不到缺陷回波或者回波顯示很低，如圖4所示。

圖3 橫向掃查顯示一

圖4 橫向掃查顯示二

（4）檢測(cè)焊縫對(duì)側(cè)，重復(fù)（2）、（3）操作，得到的結(jié)果與上述操作相同。掃查位置A處裂紋，發(fā)現(xiàn)裂紋深度同樣約為20 mm，證明了裂紋的延伸。

2.3 驗(yàn)證

對(duì)超聲檢測(cè)有橫向缺陷的位置進(jìn)行電弧氣刨和打磨處理，氣刨深度10 mm，除去余高及深度6 mm內(nèi)的母材。對(duì)處理后的焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋磁痕顯示清晰，確認(rèn)超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷是橫向裂紋，如圖5所示。

圖5 磁粉檢測(cè)顯示

3 橫向裂紋修復(fù)

在船體裂紋產(chǎn)生部位截取相同材料試件進(jìn)行物理化學(xué)分析和工藝匹配性認(rèn)證，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整焊接工藝。調(diào)整焊接工藝后的焊縫分別冷卻至室溫、48h、72h時(shí)進(jìn)行磁粉及超聲檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)橫向裂紋顯示。依據(jù)新焊接工藝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊縫進(jìn)行返修檢驗(yàn)，結(jié)果合格。

4 結(jié)論

（1）采用對(duì)焊縫存在缺陷部位進(jìn)行電弧氣刨后磁粉檢測(cè)的方式驗(yàn)證了超聲檢測(cè)的準(zhǔn)確性，證明通過縱向掃查、橫向掃查以及波形分析等可以較為準(zhǔn)確地定性裂紋。

（2）在橫向掃查過程中，變換探頭掃查方向所得到的回波幅度差別很大，說明焊縫內(nèi)部裂紋與焊縫表面呈一定傾角延伸，產(chǎn)生如下兩種影響：一是傾角使得裂紋的反射面變小，對(duì)裂紋當(dāng)量的評(píng)定產(chǎn)生影響，使得儀器顯示的裂紋當(dāng)量往往小于其實(shí)際尺寸；二是在進(jìn)行掃查時(shí)，由于聲波反射角度的影響，當(dāng)裂紋反射面與聲波接近垂直時(shí)，聲波的反射能量高，接受的信號(hào)波幅高，而當(dāng)變換探頭掃查方向時(shí)，聲波能量被反射衰減，探頭接收到的聲束強(qiáng)度太小，看不到回波或者回波不明顯。這一點(diǎn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了驗(yàn)證，在AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)中[6]掃查方式D/E要求（見圖1），探頭與焊縫呈一定角度或者探頭放置于焊縫上，沿相對(duì)的兩個(gè)方向分別進(jìn)行掃查，保證了檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，防止發(fā)生漏檢。

（3）橫向裂紋的超聲檢測(cè)特點(diǎn)非常明顯，通過嚴(yán)格執(zhí)行檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可以快速地定量和定性橫向裂紋。無損檢測(cè)作為質(zhì)量檢驗(yàn)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，具有重要的作用。

[1]呂育棟，楊光，楊洪臣.鋼管直縫埋弧焊縫橫向裂紋一字型掃查方式淺析[J].無損檢測(cè)，2012（5）：22-25.

[2]方曉東，甘正紅，崔萬年，等.厚壁直縫埋弧焊管焊接橫向裂紋的分析與控制[J].焊管，2013（5）：62-66.

[3]羅志偉，張弛，劉斌，等.焊縫橫向裂紋聲波衍射信號(hào)特征與采集方法[J].焊接，2016（6）：26-29.

[4]楊春英.金屬焊縫超聲波橫波檢測(cè)缺陷回波信號(hào)的分析[J].焊接技術(shù)，2013（7）：76-78.

[5]Nan Li，Junjun Sun，Jingping Jiao.Quantitative evaluation of micro-cracks using nonlinear ultrasonic modulation method[J].NDT&E International，2016（79）：63-72.

[6]AWS D1.1M-2010鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].