超聲波探傷的影響因素及傳輸修正輔助測(cè)試裝置的使用

王 猛，閆留青，蔣桂通，陳 明

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)桿件往往有大量的焊縫焊接組裝成型，這些焊縫通常要求使用規(guī)范API RP 2X[1]（海上結(jié)構(gòu)制造超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)推薦作法及無(wú)損檢測(cè)人員技術(shù)資格鑒定指南）進(jìn)行100%的超聲波檢驗(yàn)，以確定焊縫中有無(wú)超標(biāo)缺陷。在應(yīng)用API RP 2X標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼焊縫進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要求制作相應(yīng)的對(duì)比試塊。先是在室內(nèi)通過(guò)IIW試塊完成對(duì)超聲波儀器的聲速和探頭角度等參數(shù)的校準(zhǔn)，然后通過(guò)對(duì)比試塊完成相應(yīng)的DAC曲線(xiàn)制作，最后到室外施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行超聲波探傷。

為了防止校準(zhǔn)和對(duì)比試塊生銹，在室內(nèi)進(jìn)行超聲波校準(zhǔn)和DAC曲線(xiàn)制作時(shí)，往往采用防銹性能較好的機(jī)油耦合劑；而在室外現(xiàn)場(chǎng)探傷時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)環(huán)保性，往往采用工業(yè)漿糊或工業(yè)甘油等耦合劑。而影響耦合的因素除了耦合劑種類(lèi)的差異外，還有耦合層厚度的差異，工件表面粗糙度和工件表面曲率的差異等[2]。另外室外超聲波檢驗(yàn)，夏天陽(yáng)光直射下鋼結(jié)構(gòu)表面溫度可達(dá)70℃，而冬天的鋼結(jié)構(gòu)表面溫度可達(dá)-10℃；海上接樁施工超聲檢驗(yàn)的要求焊接完成后及時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)，往往焊縫表面較高的溫度與室溫也顯著不同。一般固體材料的衰減系數(shù)和聲速隨溫度上升而降低，而幾乎除水以外的所有液體，當(dāng)溫度升高時(shí)，聲速降低[3]。因此，有必要對(duì)以上因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波探傷靈敏度的影響因素進(jìn)行分析，從而采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施和減少對(duì)探傷的影響。本文主要對(duì)耦合劑種類(lèi)和溫度差異等相關(guān)因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波探傷的影響進(jìn)行了分析。

1 耦合劑種類(lèi)對(duì)超聲波探傷靈敏度的影響分析

類(lèi)似于醫(yī)院給身體器官做B超，需要在身體部位涂加甘油液體；為了使超聲波能夠進(jìn)入工件內(nèi)部，而施加在超聲波傳感器和被檢測(cè)工件表面之間的液體薄層被行業(yè)內(nèi)部稱(chēng)作耦合劑。耦合劑的主要作用是排除探頭于被檢材料表面之間的空氣，使聲波能夠有效傳入被檢材料，從而達(dá)到檢測(cè)目的。工業(yè)超聲探傷中常用的耦合劑主要有甘油、機(jī)油、水、化學(xué)漿糊和黃油（鈣基潤(rùn)滑脂）等。不同的耦合劑由于其流動(dòng)性、黏度、附著力、聲阻抗的不同，耦合效果也不一樣，從而耦合劑種類(lèi)差異對(duì)超聲波探傷靈敏度影響也是不同的[4]。

1.1 試驗(yàn)

為了測(cè)量耦合劑種類(lèi)差異對(duì)超聲波探傷靈敏度影響，選用API RP 2X A級(jí)3個(gè)不同規(guī)格厚度的對(duì)比試塊（試塊厚度分別為25.4 mm，38.1 mm，S50.8 mm），選用不同的耦合劑對(duì)已知直徑1.6 mm的橫通孔進(jìn)行測(cè)試。3個(gè)試塊的光潔度相近，試塊表面的光潔度Ra=3.2μm左右。測(cè)試步驟如下，先是利用某一角度橫波斜探頭，選用機(jī)油耦合劑，找到試塊直徑1.6 mm的橫通孔最高回波，設(shè)為滿(mǎn)屏波幅80%；然后其他檢測(cè)條件不變的情況下，更換其他耦合劑，找到同一試塊直徑1.6 mm的橫通孔最高回波，并記錄此時(shí)回波幅度值H。依此類(lèi)推完成不同角度探頭在3種規(guī)格厚度試塊上的測(cè)試，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 耦合劑種類(lèi)對(duì)超聲波探傷靈敏度的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

1.2 耦合劑種類(lèi)差異對(duì)超聲波回波幅度的影響分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制不同耦合劑種類(lèi)狀態(tài)下的回波幅度如圖1所示。

圖1 不同耦合劑種類(lèi)在相同檢測(cè)條件下的回波幅度

（1）甘油，化學(xué)漿糊和水比機(jī)油的耦合效果要好，尤其是在采用大角度70°探頭時(shí)，甘油和化學(xué)漿糊的回波幅度比機(jī)油高20%以上（大約2 dB）；但水作為耦合劑流動(dòng)性較大，容易流失，常用于水浸檢測(cè)，對(duì)掃查方向較為復(fù)雜的場(chǎng)合，用水做耦合劑比較困難（一般不采用水耦合）。

（2）黃油（鈣基潤(rùn)滑脂）比機(jī)油的耦合效果要差，黃油（鈣基潤(rùn)滑脂）的回波幅度普遍比機(jī)油低30%～45%左右（大約3～5 dB）[5]。

（3）綜上，在同一檢測(cè)面的相同檢測(cè)條件下，耦合劑種類(lèi)差異對(duì)超聲回波是有影響的，從而影響探傷靈敏度。

1.3 影響超聲波耦合的其他主要因素

除耦合劑的種類(lèi)差異會(huì)對(duì)超聲波回波幅度有影響外，耦合層厚度的差異，工件表面粗糙度和工件表面曲率的差異都會(huì)影響超聲波回波幅度[6]。耦合層厚度為1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，耦合最差，超聲回波最低，當(dāng)耦合層厚度很薄或1/4波長(zhǎng)偶數(shù)倍時(shí)，耦合最好，超聲回波最高對(duì)于同種耦合劑，工件表面粗糙度大，耦合效果差，超聲回波低；工件表面粗糙度小時(shí)，耦合效果差，超聲回波高。工件表面曲率不同，耦合效果也不同，平面耦合最好，凸曲面次之，凹曲面最差，另外曲率半徑不同耦合效果也不同[7]。

2 溫度差異對(duì)超聲波探傷的影響分析

一般固體中的聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低[8]。鋼中橫波聲速和有機(jī)玻璃縱波聲速的測(cè)量原理如圖2所示，利用IIW試塊半徑100 mm的圓弧，使一次回波B1和二次回波B2分別調(diào)整為100 mm和200 mm刻度，此時(shí)的聲速讀數(shù)就為所測(cè)的鋼中橫波聲速；利用IIW試塊厚25 mm的有機(jī)玻璃圓柱，使一次回波B1和二次回波B2分別調(diào)整為25 mm和50 mm刻度，此時(shí)的聲速讀數(shù)就為所測(cè)的有機(jī)玻璃縱波聲速。

圖2 鋼中橫波聲速和有機(jī)玻璃縱波聲速測(cè)量原理

根據(jù)折射定律，超聲波探頭楔塊和被檢工件材料聲速的變化會(huì)引起折射角的變化，從而對(duì)缺陷的判定和定位有影響。API RP 2X要求使用45°、60°和70°三種標(biāo)稱(chēng)橫波角度探頭進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，接下來(lái)通過(guò)分析不同溫度下的45°、60°和70°橫波斜探頭折射角變化。橫波斜探頭折射角的測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 橫波斜探頭折射角的測(cè)量原理

2.1 試驗(yàn)

如圖2和圖3所示，使用API RP 2X檢測(cè)用的IIW校準(zhǔn)試塊，以10℃為間隔，測(cè)試標(biāo)稱(chēng)角度分別為45°、60°和70°三個(gè)常用探頭在-10～80℃在鋼中的橫波聲速和折射角變化。記錄相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)記錄表

2.2 溫度對(duì)聲速的影響分析

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制溫度與聲速關(guān)系圖如圖4所示，由圖可知：

圖4 溫度與聲速關(guān)系

（1）楔塊有機(jī)玻璃的縱波聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低；

（2）鋼材質(zhì)試塊的橫波聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低；

（3）隨著溫度的不同，有機(jī)玻璃的縱波聲速比鋼試塊的橫波聲速變化要快[9]。海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)超聲波檢測(cè)用的橫波斜探頭，楔塊為有機(jī)玻璃。有機(jī)玻璃/鋼的聲速隨溫度上升而下降，但有機(jī)玻璃下降速度快。溫度每變化10℃，有機(jī)玻璃縱波聲速下降約40 m/s；而鋼中橫波聲速只下降約4 m/s。

2.3 溫度對(duì)探頭實(shí)測(cè)折射角的影響分析

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制溫度與探頭實(shí)測(cè)折射角關(guān)系圖如圖5所示，由圖可知：

圖5 溫度與探頭在鋼中折射角關(guān)系

（1）橫波探頭實(shí)測(cè)折射角隨溫度升高而增大；

（2）不同角度的探頭對(duì)溫度變化的影響有差異；

（3）隨溫度的變化，大角度探頭實(shí)測(cè)折射角與標(biāo)稱(chēng)角度差異比小角度探頭變化更大[10]；

（4）溫度的差異對(duì)缺陷定位有影響。由于超聲波儀器校準(zhǔn)在室內(nèi)完成，而被檢焊縫一般在室外，溫度差異有時(shí)比較大[11]。這樣就可能造成探頭實(shí)際折射角度值與校準(zhǔn)值存在偏差，從而造成缺陷定位不準(zhǔn)確，更有甚者造成誤判。

3 對(duì)超聲回波幅度的補(bǔ)償措施

通過(guò)上文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波探傷靈敏度的影響因素的分析，如果不采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施來(lái)減少對(duì)探傷的影響，勢(shì)必會(huì)影響超聲波探傷的評(píng)定結(jié)果。一般探傷時(shí)，往往只考慮表面粗糙度的影響，在探傷靈敏度的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單地加4～6 dB進(jìn)行探傷評(píng)定。而對(duì)于海洋鋼結(jié)構(gòu)焊縫，尤其是TKY節(jié)點(diǎn)焊縫的曲率差異比較大，不建議采用這種簡(jiǎn)單的加4～6 dB進(jìn)行探傷評(píng)定的方法，而是采用傳輸修正的方法[12]。API RP 2X標(biāo)準(zhǔn)第7.7.4章節(jié)規(guī)定：為了補(bǔ)償參考標(biāo)準(zhǔn)與被檢件間表面粗糙度、接觸區(qū)域、聲學(xué)衰減特性的差異，應(yīng)對(duì)探測(cè)儀器靈敏度進(jìn)行修正，這些部分都應(yīng)該被檢測(cè)。在初次檢測(cè)一組相似的焊縫和/或材料時(shí)、無(wú)論什么時(shí)候觀測(cè)到表面粗糙度、整修斷面或涂層有顯著變化時(shí)，均應(yīng)進(jìn)行幅度傳輸修正。如傳輸修正超過(guò)+6 dB，則應(yīng)進(jìn)行焊件表面整修。另外，API RP 2X標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳輸修正的操作步驟見(jiàn)API RP 2X標(biāo)準(zhǔn)第7.7.4章節(jié)，這里不再詳述。

對(duì)超聲波檢測(cè)靈敏度傳輸修正的測(cè)量，目前采用的純手工檢測(cè)方法，受人為因素的影響比較大：兩探頭無(wú)法準(zhǔn)確保持在同一直線(xiàn)上，從而有可能造成超聲波檢測(cè)定量的不準(zhǔn)確。針對(duì)上述傳輸修正的測(cè)試難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一套超聲波檢測(cè)靈敏度傳輸修正輔助測(cè)試裝置，該裝置能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸修正的測(cè)試，不僅能夠提高超聲波檢測(cè)效率，而且能夠提高超聲波檢測(cè)評(píng)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)超聲波檢測(cè)靈敏度傳輸修正輔助測(cè)試裝置如圖6所示。

圖6 超聲波檢測(cè)靈敏度傳輸修正輔助測(cè)試裝置

超聲波檢測(cè)靈敏度傳輸修正輔助測(cè)試裝置具體使用步驟如下。

如圖7所示，在對(duì)比試塊上，移動(dòng)兩個(gè)同角度同規(guī)格探頭靠近和遠(yuǎn)離，分別找到一個(gè)跨距，第二個(gè)跨距，第三個(gè)跨距的最高回波峰值，并生成距離波幅曲線(xiàn)。

圖7 在對(duì)比試塊上利用3個(gè)跨距回波生成距離波幅曲線(xiàn)示意圖

使用這兩個(gè)探頭靠近和遠(yuǎn)離，找到一個(gè)跨距的回波峰值并與試塊上的距離波幅曲線(xiàn)相比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的傳輸修正靈敏度的測(cè)量，如圖8所示在工件上。

圖8 在工件上測(cè)量靈敏度傳輸修正示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)超聲波儀器探頭校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，在環(huán)境溫度、耦合劑差異等方面的差異。本文對(duì)耦合劑種類(lèi)和溫度差異等相關(guān)因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊縫超聲波探傷的影響進(jìn)行了分析，而且制作了超聲波檢測(cè)靈敏度傳輸修正輔助測(cè)試裝置。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出：楔塊有機(jī)玻璃的縱波聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低；鋼材質(zhì)試塊的橫波聲速隨介質(zhì)溫度升高而降低；隨著溫度的不同，有機(jī)玻璃的縱波聲速比鋼試塊的橫波聲速變化要快；隨溫度的變化，大角度探頭實(shí)測(cè)折射角與標(biāo)稱(chēng)角度差異比小角度探頭變化更大。本文設(shè)計(jì)的超聲波檢測(cè)靈敏度傳輸修正輔助測(cè)試裝置，不僅對(duì)普通手工超聲波檢測(cè)具有較好的指導(dǎo)，而且對(duì)相控陣超聲檢測(cè)具有較好的參考意義。隨著普通手工超聲波檢測(cè)和相控陣超聲波檢測(cè)在海洋石油工程中越來(lái)越廣的應(yīng)用，準(zhǔn)確可靠的探傷靈敏度，對(duì)保障焊縫質(zhì)量有著重要意義。