海洋工程超声波检验新型API试块的设计

1 试块的设计和加工

1.1 试块的材料确定

目前海洋工程类项目中，钢结构所使用的碳钢材料一般为DH36、JIS SM490YB、Q235B和20钢。而在各个项目的检验要求中，材料Q235B常用于制作成品工字梁，此类结构一般只需要进行磁粉检测,故不考虑Q235B材料。经过使用对比，DH36、JIS SM490YB和20钢的声学性能基本一致。在声学性能一致的情况下，20钢在制作和价格上更具优势，故最终确定以20钢作为新型API试块的设计材料。

1.2 试块反射体设计

考虑到功能性及便携性，试块需具有IIW标准试块和API参考试块的各自特点，以及IIW标准试块和API参考试块的功能，包括水平线性及垂直线性测定、声速测定、入射点及折射角测定、绘制距离-波幅曲线和根部灵敏度校验等功能。试块中应包含API标准所要求的φ1.6 mm横通孔、T形、K形、Y形管状节点检验所用的根部槽和用于调试仪器基本参数的圆弧。

1.2.1φ1.6 mm横通孔位置确定

API-RP-2X《海上结构制造超声波检测和磁粉检测推荐作法及无损检测人员技术资格鉴定指南》标准要求，当执行A级验收标准时，则参考等级校准使用的内部反射体是标准中A级参考试块或者规范指定的类似试块里直径为1.6 mm的横通孔。当执行C级验收标准时，使用直径为1.6 mm的横通孔作为内部反射体的参考等级。从标准中可以看出，API-RP-2X验收标准A级和验收标准C级都需要使用直径1.6 mm的横通孔来进行检测灵敏度校准。

根据项目调查统计，海洋工程海上超声检测一般壁厚在60 mm以下，以30～40 mm壁厚的焊口数量居多，为满足海上结构超声波检测需求，选择厚度为100 mm的试块，在6，20，40，50，70，90 mm深的位置处钻孔(见图1)。通过上下翻转试块能够获得6，10，20，30，40，50，60，70，80，90，94 mm深度的对比反射体，从而达到满足海上结构超声波检测的要求。

图1 φ1.6 mm横通孔的尺寸示意

1.2.2 根部槽位置

在海洋工程钢结构中存在较多的T、K、Y节点焊口，这些T、K、Y节点的根部区域只能进行单侧检验。API-RP-2X标准要求，当执行A级验收标准时，如果对根部区域只能进行单侧检测，推荐使用70°探头检测，参考等级的校准反射体应使用1.6 mm深的表面槽。当执行C级验收标准时，参考等级的校准反射体应使用1.6 mm深的表面槽。从标准中可以看出，API-RP-2X A级验收标准和C级验收标准都需要使用深度为1.6 mm的表面槽来进行根部灵敏度校准。因此试块设计还需考虑适用于T、K、Y节点检验调节的根部槽。

根据调查统计得出，海上T、K、Y节点的支管壁厚一般在40 mm以下，可用厚度为15,25,45 mm的表面槽来制作根部灵敏度曲线。考虑到试块大小及试块重量，采用台阶阶梯的形式将根部槽加工在试块的阶梯上。台阶阶梯试块结构示意如图2所示。

图2 根部槽台阶阶梯结构示意

1.2.3 圆弧的设计形式

日常仪器的性能调试，还需测定材料声速、探头的入射点、折射角以及设置检测范围，这些性能可通过圆弧来实现。日常的IIW试块调节斜探头的声速和范围需通过圆弧二次反射波来进行，这一般适用于横波调试，纵波斜探头是无法通过圆弧来调节声速和范围的，考虑到这一因素，笔者参考CSK-IA试块的结构形式[1]，将试块的圆弧设计成同侧双圆弧形状，从而满足仪器调试的功能，其结构示意如图3所示。

图3 圆弧的结构示意

1.3 试块尺寸

确定了φ1.6 mm横通孔位置、TKY根部槽位置和圆弧的设计形式几个基本要素后，还需要考虑试块的具体尺寸。试块的尺寸取决于各个阶梯的长度以及横通孔的深度。

1.3.1 试块阶梯长度

API-RP-2X标准要求根部槽的位置需离端角最少38 mm，以除去端角回波的干扰，为节省试块空间，将根部槽的位置设置在离端角38 mm处。受阶梯设计的影响，在根部槽的另一侧也存在一个端角，但此处的端角方向朝下，在调试中并不会产生端角反射的现象。将根部槽到另一侧端角的距离设置为20 mm，预留一定距离的水平位置，使探头能较好地接收根部槽的反射信号。同时该阶梯还可用于制作传输修正曲线，便于现场检测中材料及表面状态差异导致的声能损失。传输修正曲线通过使用相同角度的一发一收探头来制作。常用的探头角度为45°，60°和70°。使用70°探头时，对于大壁厚焊缝一般采用一次波检测，故对于45 mm的台阶传输修正只需将一发一收探头分别放在阶梯面的上下表面进行测定。45°和60°探头的传输修正曲线可使用两个相同角度探头放在同侧或对侧，通过前后移动探头获取峰值信号来制作。传输修正曲线制作的声束路径示意如图4所示，可以算出70°探头离45 mm深台阶面的偏移距离为45 mm×tan70°=123.6 mm。因此在45 mm台阶的一侧需留足够空间以保证声束传播过程中无干扰。

图4 试块阶梯尺寸示意

1.3.2φ1.6 mm横通孔水平位置确定

采用横通孔制作DAC曲线时，此试块仅需采用一次波便可制作。将横通孔的位置设置为靠近圆弧侧，从而避免横通孔对根部槽产生干扰，通过在圆弧测使用一次波直射法制作DAC曲线。根据勾股定理，使用60°探头时，可以算出最深处的横通孔需要的水平距离为155.88 mm(90 mm×tan60°)。使用70°探头时，对于大厚壁一般采用一次波检测，因此使用50 mm深的横通孔就能够满足70°探头现场检测要求,通过公式可以计算出70°探头移动需要的水平距离为137.37 mm(50 mm×tan70°)。为节省试块空间，可利用阶梯中部分位置制作DAC曲线，同时考虑70°探头制作传输修正的偏移距离要求。横通孔水平位置尺寸示意如图5所示。

图5 φ1.6 mm横通孔位置示意

1.4 试块加工

结合上述因素，最终绘制出适用于API检验标准的简易通用试块设计图(见图6)，试块的基本尺寸如下。

(1) 试块长410 mm,高100 mm,厚35 mm。

(2)φ1.6 mm的横通孔距离边缘110 mm，共6个孔，深度分别是：6,20,40,50,70,90 mm。

(3) 1.6 mm×1.6 mm方形槽共3个，每个距离边缘38 mm，槽距离下一级台阶20 mm，台阶厚度分别为15,25,45 mm。

(4) 第一圆弧的半径为100 mm, 第二圆弧的半径为50 mm。

图纸设计完毕后，委托工厂依照图纸加工成型，成型的试块实物如图7所示。

1.5 试块功能

该新型API通用试块具有以下仪器校准和调试功能：校验水平线性、垂直线性、动态范围，测定入射点、声速和折射角，调整纵波横波检测范围和扫描速度，调节检测灵敏度，绘制距离-波幅曲线，并可以用于T、K、Y根部缺陷的对比参考。各功能的具体操作如下。

图6 新型试块的尺寸示意

图7 新型试块实物图

(1) 调整纵波、横波检测范围和扫描速度(时基线比例)：利用试块上R50 mm和R100 mm尺寸。

(2) 校验仪器的水平线性、垂直线性和动态范围：利用试块上高度100 mm和厚度35 mm尺寸。

(3) 测定斜探头的入射点：用R100 mm或者R50 mm的圆弧反射面测试。

(4) 测定横波和纵波声速：用R100 mm和R50 mm的圆弧反射面测试。

(5) 测定仪器和探头的组合灵敏度：利用R50 mm或R100 mm圆弧面测试。

(6) 测定斜探头的折射角：考虑近场区的影响，折射角为45°,60°时，需要用深度超过40 mm的φ1.6 mm直径孔调校;折射角为70°时，需要用深度超过10 mm的φ1.6 mm直径孔调校。

(7) 测定横波距离-波幅曲线：利用不同深度的φ1.6 mm横通孔调校，通过翻转45°探头可以直射到6，10，20，30，40，50，60，70，80，90，94 mm深度的横通孔，60°探头可以探测到6，10，20，30，40，50，60，70，90 mm深度的横通孔， 70°探头可以探测到6，10，20，30，40，50 mm深度的横通孔。

(8) 测定根部距离-波幅曲线：利用不同厚度阶梯的槽来校准，适用于根部位置15～45 mm的焊缝。

(9) 测定表面补偿修正曲线：利用不同厚度阶梯的平面区域，适用于焊缝厚度15～45 mm的焊缝。

2 标准参考试块校验

传统的API试块是利用试块多次翻转以及声束直射和多次反射来制作DAC曲线的，文中新型试块采用一次波直射法制作DAC曲线。根据Snell定理，当横波入射角不小于33.2°，横波通过钢和空气界面时，声束在反射界面会发生全反射，故理论上，在排除表面粗糙等干扰因素外，多次反射过程中没有声能损失。笔者通过下述试验来对比两者的差异性。

采用日常检测中常用的超声波5Z10*10A60探头(汕头市超声仪器研究所有限公司制造)，在新型API试块,传统的厚度T分别为12.7，19.1，38.1，50.8 mm的API试块上进行试验。将探头在新型试块上进行声速、范围、入射点和折射角的测定，然后利用新型试块上的一系列横通孔来制作DAC曲线。利用此DAC曲线，通过在不同厚度的传统API试块上进行声束一次波、二次波和三次波反射校验，观察仪器上波幅差值，记录分贝差。试验对比数据如表1所示(试验数据为多次数据的平均值)。

通过对比数据可以看出，在新型试块和传统API试块上两者的φ1.6 mm横通孔反射体分贝差基本保持在0.5 dB的范围内，试验证明声束在多次反射过程中的声能损失很小，在可允许范围内，能符合现场使用情况。

为验证距离根部槽20 mm处的端角对根部灵敏度调节的影响，笔者使用70°探头，利用传统的厚度T分别为12.7，38.1，50.8mm的API试块上的根部槽制作DAC曲线，将新型API试块上的3个根部槽的70°反射波幅与传统试块上制作好的DAC曲线进行对比，比较两者分贝差，结果如表2所示。从数据可以看出两者的分贝差很小，基本不会影响根部槽的灵敏度调校。