TKY管节点焊缝的超声检测分析

颜春华

（健研检测集团有限公司，福建 漳州 361004）

0 引言

通过社会调查发现钢管结构在建筑行业的应用愈发广泛，通过研究钢管在体育馆、库房、商场等建筑的使用位置发现，钢管结构更多被使用在空间网络结构中。而钢管之所以能够被广泛运用到上述场所中，主要是因为钢管自身所具备的性能效用值高、体积轻、零件简单、安装便捷等优势。与此同时，T、K、Y 管节点是钢管结构主要常用焊接节点，但T、K、Y 管节点相较于管对接焊接节点、管板焊接节点与球管焊接节点而言，其出现与被投入使用的时间较短、经验较少，无损探伤技术不完善，该情况存在的原因主要是 T、K、Y 管节点焊缝位置具有复杂性，现有无损探伤技术还无法支持该复杂结构。基于此，为进一步发挥T、K、Y 管性能与使用价值，应对T、K、Y 管节点焊缝超声波无损探伤检测技术进行探索，从而提高T、K、Y 管节点焊缝检测质量与工作效率，进而促使T、K、Y 管结构适用于社会各领域。

1 简述传统无损探伤的含义

超声波检测（UT）、磁粉检测（MT）与射线检测（RT）是T、K、Y 管节点焊缝检测中常用的三种传统无损探伤检测形式（图1 为 TYK 管节点焊缝结构示意图），主要检测内容是查看主管与各支管之间的焊接处是否焊接完整以及点位焊缝部位存在的不连续[1]。此外，在T、K、Y 管节点焊缝检测过程中，由于T、K、Y 管节点焊缝主要以相贯线形式展现并且焊缝结构常被使用于高空位置。因此，基于一系列外在因素影响，使射线检测在实际T、K、Y 管节点焊缝检测过程中有很多限制，导致射线检测无法发挥其全部效果。基于此，在T、K、Y 管节点焊缝检测过程中射线检测技术使用较少，多以超声波检测技术与磁粉检测技术为主，同时，在二者实际运用中主要以超声波检测技术为主，磁粉检测技术为辅。

图1 TYK 管节点焊缝结构示意图

超声波检测技术在T、K、Y 管节点焊缝检测过程中的主要方式是采取脉冲反射法，检测原理为 “由于超声波遇到缺陷时会出现发射和散射的情况，所以可以将探头向被检测管件中发射脉冲超声波，然后根据发射回来的超声波评判被检测管件质量。”虽然超声波检测技术可以对T、K、Y 管节点焊缝进行无损探伤检测并且效果良好，但由于T、K、Y 管节点焊缝结构的复杂性导致超声波检测技术在实际检测中依旧存在很多难点，例如工作效率低、发射波识别困难与反射回波定位困难等。

基于超声波检测技术利用超声脉冲波在T、K、Y 管节点焊缝检测过程中遇到的难点问题，程志虎专家在某讲座中就该系列问题进行了较为详细的讲解和谈论。与此同时，程志虎专家还表明了超声波检测技术在T、K、Y 管节点焊缝检测中的未来研究方向，如：将计算机技术融入检测中与研制新型专用超声检测设备等。

2 当前TKY 管节点焊缝检测中存在的问题

2.1 检测方法过于单一

为避免T、K、Y 管节点焊缝损伤程度加重，因此，对其进行质量检测时技能选择无损探伤技术，而由于T、K、Y 管节点焊缝存在的复杂性，导致现阶段T、K、Y 管节点焊缝检测方法过于单一，而常规超声波检测技术为其主要技术，参考美国石油协会标准“API RP2X-2004，采用45°、60°、70°三种角度探头对T、K、Y 管节点焊缝区域存在的不连续进行检测”[2]。

2.2 实际检测效率低下

超声波检测技术在T、K、Y 管节点焊缝实际检测过程中的工作效率调查表明，一个熟练掌握声波检测技术的工作人员在对被检测管件进行检测时往往需要一个上午的时间，而一个不熟练的工作人员所需的时间则更长。由此可见，超声波检测技术在T、K、Y 管节点焊缝实际检测中工作效率较低，使超声波检测技术无法发挥其实际效用价值。

3 TKY 管节点焊缝的超声检测技术应用分析

在TKY 管节点焊接过程中往往会发生一系列有关焊缝质量等问题，这将直接影响TKY 管整体性能，基于此，为避免该问题以及最大程度确保TKY 管焊接质量，采用超声检测技术严格分析问题发生的原因以及焊接过程中焊接机械手工艺参数，通过超声检测结果发现TKY 管节焊缝主要存在两个方面问题，一是焊缝开裂问题，TKY 管节点焊缝焊缝存在很大的拘束应力，当采用双丝快速打底的方法进行焊接时，焊缝无法自由收缩，从而导致焊缝开裂。二是采用超探检测方法对侧梁焊缝个别位置焊缝进行检测时发现有效熔深深度较浅，而导致该问题的原因是焊接速度低于标准速度，导致待焊接头上的热量不达标，进而导致大量电弧热量仅加持在了熔池上。针对前一问题，应从调整焊接工艺参数角度入手，并通过调整焊接速度、焊接方法、焊缝冷却时间等，保证焊缝在拘束应力下也能进行有效收缩，进而防止焊缝开裂。针对后一问题应根据实际情况，提高焊接速度。由此可见，超声检测技术在TKY 管节点焊缝检测中的应用尤为重要，是检测焊缝质量的关键性技术，该文对TKY 管节点焊缝的超声检测过程总结如下。

3.1 TKY 管节点相贯焊缝的超声波探伤声程修正

3.1.1 相关参数

以Y 型主管与支管中心线相交叉为例，明晰相关参数：D1，D2为管外径；t1，t2为管壁厚；θ为轴线夹角；Φ为相贯角；Ψ为局部二面角；θB为偏角。

3.1.2 修正系数

根据图1 管节点相贯焊缝图建立数学模型与推导可得，管节点焊缝上探伤面（任意）的曲率半径ρ=D/2sin2θB。基于此，可以通过公式K=（ρ/t-1）[sin（β+sin-1（ρ/ρ-t×sinβ））/tanβ]，m=[π-β-sin-1（ρ/ρ-t×sinβ）]ρ/t×cotβ

式中：K为系数；β为临界角；m为修正系数；D为管直径；θB为偏角；t为管壁厚；θ为轴线夹角。

3.1.3 几何临界角

已知公式：βmax=sin-1（1-t/ρ），基于此为进一步确定几何临界角，应将数学模型、数学推导与Visual Basic 语言编写相结合，从而借助计算机绘制出TKY 管节点相贯焊缝各参数之间的关系曲线。

3.1.4 TKY 管节点焊缝缺陷定位

在TKY 管节点焊缝缺陷定位中超声相控阵技术的应用，可以基于计算机辅助面向对象成立VISUAL++环境，并计算焊缝截面与缺陷的特征参数再由绘图模块根据计算结果画出完整的焊缝剖面图，从而在对焊缝缺陷与深度进行有效定位。或者采用数学公式已知Y为探头至缺陷的距离Y1为一次波水平距离，D为深度，W为波声程，W1为一次波声程，T为壁厚，当W

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3.2 操作修正补偿定量法

当斜探头在支管上垂直于椭圆焊缝扫查时会面临一种特殊情况，即支管的弯曲率与探头探测面接触面积成反比，前者大后者则小，甚至出现线或点接触，而在此情况下不仅会导致波幅下降。此外，参考声反射原理，当声波透射到底面，而底面呈凸面，则会使反射声束发散声压下降，进而也会导致回波幅度下降。为准确进行TKY管节点焊缝超声检测，确保TKY 管节点焊缝超声检测质量，应尽量采用小尺寸探头，与此同时，在调整灵敏度时，应做好因曲率及、材质、厚度、耦合剂等不同差异所引起的补偿。该文对操作修正补偿定量法超声检测过程总结如下。

3.2.1 操作修正补偿定量法准备

操作修正补偿定量法准备如下：1）根据TKY 管节点焊缝超声检测具体要求确定声程范围与双探头档。2）采用两个实测折射角接近的探头。3）两个实测折射角误差必须在0.5°之内。4）对比试块厚度小于1/3 工件厚度尺。5）对比试块采用机油，工件采用甘油。

3.2.2 操作修正的点数

T 管焊缝的补偿值为2 个点的平均值，2 个点应位于支管圆周不同曲率位置。K、Y 管焊缝的补偿值为4 个点的平均值，而这4 个点应位于支管圆周不同曲率位置。按管径、厚度的不同分别做操作修正，填写操作修正报告备案。

3.2.3 DAC 曲线的制作

在DAC 曲线制作环节主要侧重4 个要点，分别是仪器测定范围的调整、对比试块厚度的选择、制作方法、对DAC 曲线的基本要求，根据规范要求进行检测，会极大程度提高TKY 管节点焊缝超声检测质量。此外，还应该侧重探头扫查顺序，具体制作 DAC 曲线时的探头扫查顺序如图2 所示。

图2 制作DAC 曲线时的探头扫查顺序

第一要点强调T、K、Y 管状焊缝：全跨距的1.5 倍。第二要点强调对比试块厚度需要等于或接近探测母材厚度。第三要点须根据实际情况具体画图分析。第四要点强调每条DAC 曲线最少测定4 个点，包括100%、50%及200%在内的三条曲线、一个探头角度一条DAC 曲线，探伤前须重新校核DAC 曲线。

4 TKY 管节点焊缝的超声检测技术分析

4.1 做好相贯线焊缝的模型，便于精准检测

相贯线焊缝数学模型的发展在我国T、K、Y 管节点焊缝超声波检测发展中取得了一系列成效，如刘兴亚专家基于计算机与数学推导成功绘制出了T、K、Y 管的“几何临界角、相贯角、生成修正系数以及水平距离修正系数与相贯角和偏角的关系曲线”[4]。刘兴亚专家探索研发出来的关系曲线成功为超声波检测在T、K、Y 管节点焊缝检测中的应用提供了理论支撑。

4.2 应用超声相控阵技术，提高检测效率

超声相控阵技术在国外发展较为迅速，成果显著，因此，我国为进一步推广与优化超声波检测技术在T、K、Y管节点焊缝检测中的应用效果，充分发挥超声波无损探伤技术优势，于2001 年从加拿大成功引进了超声相控阵技术，并在某油田项目工程中将超声相控阵技术运用到了海底管线铺设中，并取得了成功。该超声相控阵技术在海底管线铺设中的成功应用，促使超声相控阵技术正式被使用到我国T、K、Y 管节点焊缝检测中，并在管道类工件检测中应用广泛。

4.3 借助大数据计算机，提高检测准确性

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是随着超声波检测技术不断深入发展而基于计算机技术应运而生的一种具有强大计算能力和超强图像分析处理能力的计算机新技术[5]。该技术借助大数据技术进一步提高了T、K、Y 管节点焊缝缺陷的检测准确性，在实际运用中主要是借助CAD 技术，建立T、K、Y 管节点焊缝截面的二维图，从而更加直观地定位缺陷位置。

4.4 应用自动化成像检测技术，实现动态检测

随着超声波检测技术不断深入发展，一种基于计算机技术、信号采集技术与图像处理技术为一体的超声成像技术应运而生。超声成像技术以其超高的先进性与实用性在T、K、Y 管节点焊缝无损伤检测中脱颖而出，成为当时引领时代超声波技术的存在。超声成像技术基于其具备的自动化、信息化、智能化等优势有效保证了检测数据的真实性、精准性、可靠性，与此同时，超声成像技术还能够对采集到的所有信息进行动态数据处理，从而对工件缺陷做动态检测。

4.5 应用专家系统，降低检测误差出现

专家系统是指将不同领域的大量专业化知识与经验成果进行汇总从而构建成一种程序的系统。专家系统具有智能化、信息化、自动化等优势，可以在实际T、K、Y 管节点焊缝无损伤检测中模拟专家思维解决问题，而具有大量专业化知识与实践经验成果下的专家系统功能效用在一定程度上超过专家水平。

而在海洋工程领域内从事T、K、Y 管节点焊缝无损伤检测技术研究的专家往往具有丰富的实践经验与专业系统化知识结构。因此，为进一步推动T、K、Y 管节点焊缝超声波无损伤检测技术发展，可以将海洋工程领域的专家经验、问题解决思维、专业化知识体系集中起来，通过计算机技术汇总形成专家系统，该系统可以自动运用系统内存在的大量知识对T、K、Y 管节点焊缝存在的缺陷进行自主、自动、智能化检测。

5 结语

综上所述，由于T、K、Y 管性能优势较强，因此，随着我国社会发展，其逐渐被使用到社会各领域行业中，但由于T、K、Y 管节点焊缝具有复杂性，导致其在实际质量检测中的安全性能成为一大难题，虽然常规超声波技术可以在一定程度上解决该问题，但成效较低。该文研究显示，采用相贯线焊缝模型与超声相控阵等检测技术可以进一步优化超声波无损探伤技术在T、K、Y 管节点焊缝中检测成效。