(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

全自動超聲波技術主要用于海底管道或者陸地管道對接環焊縫的檢測，該技術具有高效、準確、環保的特點，應用范圍越來越廣泛。校準試塊用于設置并校準系統的靈敏度等參數，作為全自動超聲波檢測系統最重要的一環，其設計的合理性決定了檢測工藝的可靠性。筆者結合ASTM E1961-2016《用聚焦探頭實現分區檢測法的環焊縫機械化超聲波檢測推薦做法》、DNVGL-ST-F101-2017《海底管線系統》、API 1104-2013《管道及相關設施焊接等標準的要求》，在大量工程實踐的基礎上，總結了不同類型坡口形式以及不同區域反射體設置的基本原則和方法，為全自動超聲波檢測用試塊設計提供了參考。

1 校準試塊材料要求

1.1 材料的選擇與跟蹤

為了保證校準試塊材料的聲學性能盡可能與實際被檢對象的一致，加工校準試塊的材料應截取自管線中實際使用的管材。即便是同一種管線規格，如果生產廠家不同,聲學性能也可能會存在偏差，此時應當測量這些管子的聲速及衰減偏差，一旦超出標準或者業主規格書的要求，就需加工相應材料的試塊。一旦材料選定，就需要對管料進行跟蹤，如管號的轉移等。

1.2 材料的尺寸與檢測

海底管線一般的壁厚范圍為840 mm，直徑范圍為1141 219 mm，所以在試塊上加工目標反射體前還需要注意以下事項：試塊理論中心線兩側必須預留至少150 mm空間,以放置探頭；試塊的軸向長度要足以放置掃查器軌道，一般要求軌道側試塊長度至少400 mm。如果試塊直徑太大,則不能進行目標反射體的加工，需要從管材上將加工試塊的材料切下，對于這種情況，建議在試件各個切割方向多留出25 mm空間，以避免切割過程中所產生的熱量帶來的影響。需要加工目標反射體的區域應進行超聲檢測，以確保材料中聲束的傳播不受影響，掃查范圍至少應包括理論中心線兩側各150 mm范圍的母材，如果沒有發現缺欠，就可以進行目標反射體的加工。

2 反射體設計概述

標準DNVGL-ST-F101中規定，反射體的類型及尺寸應通過工藝評定來決定，主要反射體類型應是平底孔及表面槽。

標準ASTM E1961中規定，填充區域的反射體應為23 mm的平底孔，表面槽用于模擬外表面咬邊以及未融合，同時也可用于模擬根部融合區域的缺陷。

參考以上標準要求，目標反射體的設計原則如表1所示。

試塊上目標反射體的布局非常重要，原則是各反射體的排列順序清晰，關鍵參數一目了然，保證上下游目標反射體方向正確,以及上、下游目標反射體對稱設置。圖1為典型的校準試塊反射體布局示意。注意目標反射體之間保持1520 mm間距，避免相鄰反射體之間的信號相互干擾，誤導操作者。設計試塊時,從根部開始，上下游反射體的位置應對稱于試塊的中心點，其布局順序一般為:根部反射體、鈍邊反射體、填充反射體、表面反射體、體積反射體、超聲衍射時差法(TOFD)反射體、通槽(孔)、TOFD(超聲衍射時差法)反射體、體積反射體、表面反射體、填充反射體、鈍邊反射體、根部反射體等。

表1 目標反射體設計原則

圖1 校準試塊反射體布局示意

3 根部目標反射體

使用槽作為根部反射體時，槽應該與焊縫坡口面一致，如果根部坡口垂直高度大于1 mm，需要設置兩個根部目標反射體,根部高度為2 mm，如果只設計2 mm高的槽，很可能會導致高度較小的缺陷漏檢。槽的長度范圍一般設置為1020 mm，槽的寬度一般設置為1 mm。

4 熱焊區域目標反射體

大多數焊縫為U型或復合V型坡口，不同類型的自動焊坡口示意如圖2所示。

圖2 不同類型的自動焊坡口示意

對于U型坡口,熱焊區為曲面坡口，設計試塊時應采用45°的平底孔作為目標反射體，孔底面與曲面相切，U型坡口熱焊區域反射體結構示意如圖3所示。對于復合V型坡口，需采用與熱焊坡口垂直的平底孔，如果熱焊區域高度較大，可以考慮設置兩個平底孔，熱焊區平底孔的直徑通常設置為2 mm或者3 mm。

圖3 U型坡口熱焊區域反射體結構示意

5 填充區目標反射體

在全自動焊接工藝中，側壁未融合是常見的缺陷，而平底孔能夠很好地模擬側壁未熔合，所以一般使用平底孔作為填充區域的目標反射體。填充區的平底孔角度應與坡口角度保持一致，例如焊縫填充區角度為5°，平底孔角度也應為5°，且平底孔中心應設在每個分區的中心。填充區焊層高度通常為23 mm，所以分區高度一般也設為此值。如果填充區垂直高度為12 mm，則需要設置4個分區，每區高度為3 mm，目標反射體為23 mm的平底孔。在壁厚不小于15 mm時,通常采用直徑為3 mm的平底孔作為目標反射體。與熱焊區域平底孔要求相似，填充區域平底孔的直徑必須經過技術評定或者得到業主的認可后方可確定。U型坡口填充區域反射體結構示意如圖4所示。

圖4 U型坡口填充區域反射體結構示意

6 蓋面槽

蓋面槽用于模擬蓋面層錯邊或外表面咬邊，槽高度范圍為12 mm，寬為1 mm，長度范圍為1020 mm，角度范圍為0°10°。圖5為U型和復合V型坡口試塊上的蓋帽區域反射體設計示意。

圖5 U型和復合V型坡口試塊上的蓋帽區域反射體示意

7 體積型目標反射體

體積型目標反射體用于檢測氣孔等體積型缺欠。體積型目標反射體為直徑為1.5 mm的平底孔，與中心線成45°角。反射體的數量及分布可采用如下方法確定。

(1) 將壁厚除以8所得到的值再四舍五入后得到的整數確定為體積通道的數量。如果被檢對象壁厚為15.8 mm，除以8得到的值為1.97，該值四舍五入約等于整數2，所以應設置兩個體積通道；如果得到的值為1.5或小于1.5，只需要設置1個體積通道；同理，如果得到的值為2.6，那就需要設置3個體積通道。U型坡口體積通道反射體結構示意如圖6所示，壁厚為12.7 mm的校準試塊設置2個體積通道。

(2) 下方體積通道反射體中心線與熱焊區中心線重合，上面的體積通道反射體中心線應通過坡口的上邊界。如果需要設置2個以上的目標反射體，上方和下方兩個1.5 mm反射體總是位于圖6所示的位置，其他反射體在這兩個反射體之間平均分配。

圖6 U型坡口體積通道反射體結構示意

8 其他目標反射體

一個合格的校準試塊至少要包括目標反射體，以保證波束覆蓋整個焊縫區域，但還應根據不同的焊縫坡口形式設置其他反射體，例如，需要設置鈍邊區目標反射體(直徑為23 mm平底孔)用于檢測鈍邊區域，橫向槽用于校準和檢測橫向裂紋，斜根部槽用于模擬焊趾裂紋，直徑為2 mm的平底孔根部用于調整根部通道靈敏度,TOFD反射體用于校準TOFD通道等。

9 反射體加工精度

反射體的加工精度應滿足相關標準的要求，一般推薦值如表2所示。

表2 反射體加工精度要求

10 結語

從材料要求、反射體設計原則、反射體具體設計方法、反射體加工精度等方面闡述了海底管線環焊縫全自動超聲波校準試塊的設計方法，該方法能夠滿足碳鋼管線對接環焊縫全自動超聲波檢測需求，并已經在眾多工程中得到應用及驗證，具有較強的可操作性，也為類似的檢測校準試塊的設計提供了參考。