焊縫缺陷高度超聲測量的分析

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(海洋石油工程股份有限公司，青島 266520)

在海洋工程項目中，大部分結構都是熔化焊縫連接結構。對結構焊縫內部缺陷進行超聲檢測，是最經濟且結果可靠性高的質量控制手段，但檢驗工作量也非常大。一個常規項目的焊縫檢驗長度可以達到10～20 km。

海洋工程項目的服役地點在海上，工況復雜惡劣，對海上結構體的質量提出了很高的要求。在巨大檢驗工作量的壓力下，只有保證檢驗過程以及缺陷驗收部分均符合相關標準要求，才能確保超聲檢測的準確性，保證結構體的安全。

海洋工程項目常用的超聲檢測標準包括AWS D1.1-2015《鋼結構焊接規范》，API RP 2X-2004《海上結構制造超聲檢測和磁粉檢測推薦做法及無損檢測人員技術資格鑒定指南》，ASTM E164-2004《焊接件接觸式超聲檢測的標準方法》，一般都是依據缺陷的回波高度和長度進行驗收的。但由于部分項目的特殊性，缺陷在焊縫厚度方向的尺寸即缺陷高度也會作為驗收的準則。

筆者介紹了美國相關標準中的缺陷高度測量及具體實施方法，并分析了測量的準確性。

1 方法分析

常用標準AWS D1.1，API RP 2X以及ASTM E164中都介紹了缺陷的高度測量方法,下面分別進行介紹分析。

1.1 API RP 2X-2004 中的缺陷高度測量方法

API RP 2X是海上鋼結構超聲檢測和磁粉檢測的推薦作法,其中推薦的缺陷高度測量方法有三種,分別是幅度比較法、聲束邊界交叉法和最大幅度法。

(1) 幅度比較法

該方法是將探測到的缺陷回波與對比試塊中的人工反射體的回波進行比較從而獲得缺陷高度值的。如二者反射回波高度相同且聲程相同，則認為與聲束交叉的兩個反射體的高度是相同的。在實際檢測工作中，幾乎不可能保證焊縫中的缺陷和人工反射體的聲程相同；為方便操作，必須使用不同深度的人工反射體制作DAC(距離-波幅)曲線，將缺陷回波與DAC曲線高度進行比較,如果回波高于曲線,說明缺陷高度大于人工反射體高度。

由于該方法缺陷高度是通過跟人工反射體比較得出的，因此，如果要得到更精確的高度,需要制備一系列不同高度的人工反射體,也需要制作一系列對應的DAC曲線，也要求參考反射體的形狀必須與所預計的缺陷形狀類似。

對于焊縫內部缺陷，一般選用側鉆孔進行DAC曲線的制作，對于單面焊根部未焊透缺陷，一般選用表面方形槽進行DAC曲線的制作。DAC曲線參考試塊尺寸如圖1所示，圖中T為試塊厚度。

圖1 DAC曲線參考試塊尺寸

(2) 聲束邊界交叉法

該方法首先采用20 dB法測定出聲束的邊界，找到缺陷的最高回波后，將回波調至基準高度(如屏幕高度的80%)；然后將儀器增益提高20 dB，向前移動探頭直到回波降低到基準高度；此時，聲束邊界的底部邊緣就與反射體的頂部邊緣交叉；以同樣的方法向后移動探頭，分別記錄對應的聲程和探頭入射點到缺陷的距離，通過1∶1作圖獲取缺陷高度，詳細做法以及聲束邊界的測定方法可查看參考文獻[1]。

該方法比較繁瑣，且作圖準確性會對結果造成一定影響，現場檢驗時應用不方便。為此，筆者通過分析和試驗，在此基礎和原理上總結了更簡便的方法如下所述。

首先采用20dB法測出探頭的聲束邊界，得到聲束邊界的實際角度，即擴散角(θ上,θ下)。現場檢驗探測到缺陷時，先找到最高波并調至基準波高，將增益提高20 dB，探頭角度分別調整至θ下,θ上；探頭分別向前和往后移動，直至回波降低到基準波高；分別記錄儀器上的深度讀數,二者之差即為缺陷高度。其操作步驟如圖2所示。

圖2 改進的聲束邊界交叉法操作步驟

方法簡化后，省略了1∶1作圖的繁瑣步驟，使其更適合現場應用。但需要注意的是，該方法適用于壁厚19 mm 及以上的焊縫，且只適用于一次波檢測，對于單面焊根部未焊透缺陷，也不適合。

(3) 最大波幅法

該方法就是利用大部分的超聲束能量，以非常窄的波段集中在聲束中心附近,以此特性來探測反射體邊緣。首先找到最大反射回波，向前移動探頭直到回波信號開始下降，以測定反射體頂部邊緣；向后移動探頭直到回波信號開始下降，以測定反射體底部邊緣。分別記錄此兩個位置處的回波聲程，如圖3所示，利用公式E=cosC×(B-A)(式中E為缺陷高度;C為標稱角度或測量角度;B為反射體底部邊緣處顯示的回波聲程;A為反射體頂部邊緣處顯示的回波聲程)，即可得到缺陷高度。

圖3 最大波幅法的檢測操作示意

該方法操作起來比較簡單，但一方面要求探頭指向性能好，能產生明顯的中心聲束；另一方面要求反射體高度明顯大于中心聲束的寬度。如果不能滿足這兩個條件，產生的誤差會很大。同時，該方法也不適用于單面焊根部未焊透的缺陷。

1.2 ASTM E164中的做法

圖4 ASME E164標準中的缺陷高度測量方法示意

該標準對測量缺陷高度的敘述如下: 反射體高度最小尺寸為3.2 mm 時，找到缺陷最高回波后，將探頭分別向前后移動；回波降低50%后，分別記錄該位置處的回波聲程；得到二者聲程差ΔS，方法示意如圖4所示；缺陷高度E=ΔS×cosβ(β為探頭折射角)。

需要注意的是，該方法適用于缺陷尺寸大于聲束寬度的情況，否則得到的結果會有較大誤差。

1.3 AWS D1.1標準中的做法

該標準的做法跟最大幅度法類似，具體為：找到缺陷最高回波后，分別向前后移動探頭，回波急劇下降并繼續向基準線移動時，記錄儀器時基線數值，二者差值即為缺陷高度尺寸，方法示意如圖5所示(圖中80指屏幕高度的80%)。該方法可以這樣理解，向前后移動探頭，回波急劇下降時讀取儀器深度，二者之差即為缺陷高度。

圖5 AWS D1.1標準中的缺陷高度測量方法示意

圖6 含系列人工反射體的側鉆孔試塊幾何尺寸

2 試驗及分析

以上介紹了高度測量的常見方法，從理論上可以看出，部分方法比較繁瑣，部分方法在實際操作中可把握性不強。為了分析各方法的準確性，制作了含一系列人工反射體的側鉆孔試塊，其幾何尺寸如圖6所示(圖中除非另有標注，所有孔的長度為15 mm，所有孔距端頭的距離為40 mm)。

此次試驗,采用60°橫波探頭,利用以上介紹的各種方法進行各個側鉆孔高度的測定,測得的數據如表1所示。

表1 使用4種方法測得的試塊高度數據 mm

通過以上數據可以看出：

聲束邊界交叉法(20 dB法)與ASTM E164 中做法(此處簡稱6 dB法)的測量精度比較接近，測量的誤差相對較小。

最大波幅法與AWS D1.1中做法相比，二者操作過程相同，所以測量精度也非常接近，而且由于反射面是圓柱面，探頭向前后移動時，回波降低很快，而這兩種方法都要求回波從峰值下降即記錄探頭位置，從而測量誤差比較大，精度很低，基本不能真實反映反射體大小。

對于幅度比較法，此次試驗利用圖6中的參考反射體分別制作DAC曲線，再將各孔徑反射體回波分別與各DAC曲線進行比較，比較結果如表2所示。

表2 幅度比較法測得的側鉆孔直徑 mm

由表2可以看出，測量的結果與理論基本一致。

3 結論

(1) 如果需要測定焊縫內部缺陷的高度，精確度較高的是20 dB法和6 dB法，二者精確度比較接近。聲束邊界交叉法比較繁瑣，尤其是聲束邊界測定的難度較大，如果邊界測定不準確，會直接影響缺陷高度的測量準確性，而6 dB法的操作相對簡單。

(2) 如果需要測定單面焊的根部缺陷，如根部未焊透，則只能采用幅度比較法，通過加工不同高度的方形槽，制作DAC曲線來進行缺陷高度的比較。

(3) 如果不要求測定缺陷具體高度，比如API RP 2X C級檢驗中，只要求測定缺陷高度是否高于1.6,3.2,6.4 mm,此時采用幅度比較法即可。即只需要使用高度為1.6,3.2，6.4 mm的反射體制作DAC曲線，將焊縫中缺陷回波高度與DAC曲線進行比較，該方法可以滿足標準要求，且操作簡單，誤差較小。

參考文獻:

[1] 邢樹宏，高海波.超聲波探傷中波束有效邊界的測定及其應用[J].中國海上油氣(工程),1996,8(6):48-55.