海洋平臺(tái)構(gòu)件單面焊焊縫超聲檢測(cè)根部回波的影響分析

海洋石油平臺(tái)在建造過(guò)程中會(huì)使用大量只從一面焊接的管縱焊縫接頭和TKY型管狀接頭（圖1）。該類接頭焊縫往往要求根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)APIRP2X-2015，使用45°，60°和70°三種標(biāo)稱橫波角度探頭進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，以確定焊縫中是否存在缺陷。圖1TKY型管狀接頭結(jié)構(gòu)示意在對(duì)TKY型管狀接頭進(jìn)行超聲掃查時(shí)，探頭應(yīng)盡量垂直于焊縫；由于垂直每個(gè)焊縫截面的坡口形式不斷變化，根部鈍邊角度也是變化的；另由于探頭掃查面曲率的變化，探頭聲束相對(duì)于根部坡口的角度也會(huì)有變化。由于上述根部鈍邊夾角和探頭掃查面的曲率變化，焊縫根部未熔合引起的超聲回波十分復(fù)雜，因此，為對(duì)焊縫根部缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確地定位定量，需對(duì)根部鈍邊引起的根部未熔合超聲回波進(jìn)行分析。1

根部鈍邊未熔合反射機(jī)理與反射體試塊的制備根部鈍邊未熔合的反射回波與面反射、尖端散射、尖端衍射和未熔合與底面共同產(chǎn)生的角反射等機(jī)理有關(guān)。其中尖端散射（橫波）和尖端衍射（縱波）回波幅值較小，并且與未熔合的傾角關(guān)系不大。對(duì)于面反射，隨著未熔合傾角的變化，當(dāng)軸線聲束與傾斜面垂直時(shí)，反射回波最高。對(duì)于角反射，隨著未熔合傾角的變化，回波幅值也不同，當(dāng)傾角為90°時(shí)，會(huì)發(fā)生端角反射。另外對(duì)于面反射和角反射，隨著未熔合傾角的變化，有時(shí)面反射對(duì)回波幅值起主要作用，有時(shí)角反射起主要作用，有時(shí)又有可能都不起作用。為此，選用壁厚為25mm的平板，加工了31個(gè)長(zhǎng)度和寬度相同，而傾斜角度不同（α從60°~150°不等）的根部鈍邊人工模擬反射體。其中每個(gè)根部鈍邊人工模擬反射體的規(guī)格都相同，寬度都為1.6mm，長(zhǎng)度都為30mm。試塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。圖2根部鈍邊反射體試塊結(jié)構(gòu)示意2根部鈍邊未熔合模擬反射體掃查試驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)APIRP2X-2015規(guī)定的A級(jí)檢測(cè)用對(duì)比試塊，以直徑為1.6mm的長(zhǎng)橫孔作為基準(zhǔn)靈敏度，根據(jù)APIRP2X-2015標(biāo)準(zhǔn)第7.9.3節(jié)進(jìn)行DAC(距離-波幅)曲線的制作，如圖3所示。圖3DAC曲線制作示意根部鈍邊反射體的A掃波形及其掃查示意如圖4所示，分別使用尺寸和頻率相同而標(biāo)稱角度不同的3個(gè)橫波斜探頭，中心頻率為5MHz，探頭尺寸為10mm×10mm（長(zhǎng)×寬），標(biāo)稱角度分別為45°，60°和70°，逐一對(duì)31個(gè)根部鈍邊未熔合模擬反射體進(jìn)行掃查，并記錄每個(gè)根部鈍邊未熔合模擬反射體的最高回波與參考靈敏度的分貝差和此時(shí)最高回波處的聲程S。圖4根部鈍邊反射體的A掃波形及掃查示意3數(shù)據(jù)分析01根部鈍邊角度對(duì)根部未熔合超聲回波的幅值影響根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制根部鈍邊角度與回波幅值的關(guān)系曲線，如圖5所示，圖中角度為探頭的標(biāo)稱角度。圖5根部鈍邊角度與未熔合回波幅值關(guān)系曲線從圖5得出如下信息：(1)當(dāng)α=90°時(shí)，聲波會(huì)產(chǎn)生端角反射。對(duì)于45°探頭，根部鈍邊未熔合模擬反射體的回波幅值最大。對(duì)于60°探頭，根部鈍邊未熔合模擬反射體上會(huì)激發(fā)很強(qiáng)的變型波（接近于縱波61°反射），70°探頭也有類似現(xiàn)象，這成為這兩種角度探頭回波幅值降低的一個(gè)重要原因。(2)當(dāng)α≠90°時(shí)，端角反射現(xiàn)象會(huì)降低。對(duì)于45°探頭，根部鈍邊未熔合模擬反射體的回波幅值下降最快。對(duì)于60°探頭，根部鈍邊未熔合模擬反射體激發(fā)變型波的影響慢于角度變化的影響，回波幅值在α=84°時(shí)有些升高，但整體回波幅值一直比較低。對(duì)于70°探頭，由于聲速擴(kuò)散角比較大，并且在α為70°和110°附近，根部鈍邊未熔合模擬反射體的回波幅值下降不明顯，回波幅值一直比較高，并且波動(dòng)不大。(3)當(dāng)根部鈍邊傾斜角為110°，120°和135°時(shí)，70°，60°和45°探頭分別在這些角度上是垂直入射狀態(tài)，都能夠得到最高反射回波。(4)當(dāng)60°和45°探頭不是垂直入射根部鈍邊時(shí)，回波降低比較明顯。(5)對(duì)于45°探頭，90°傾角上的反射波比135°傾角(垂直入射)的高，這是因?yàn)槁暿?0°傾角上發(fā)生的端角反射為雙面反射（即90°角兩側(cè)的反射面都反射了回波，見(jiàn)圖6），反射面相對(duì)于135°傾角的反射面大幅增加，因此探頭接收的回波幅值較高。圖690°傾角雙反射面與135°傾角單反射面示意綜上所述，對(duì)于直角鈍邊缺陷（比如直角鈍邊未焊透，根部裂紋），適合用45°探頭進(jìn)行定量，不適合用60°探頭進(jìn)行定量；對(duì)于非直角鈍邊缺陷（α角為90°±15°），適合用70°探頭進(jìn)行定量，不適合用60°和45°探頭進(jìn)行定量；對(duì)于根部鈍邊傾斜角為110°，120°和135°時(shí)，可以分別用主聲束與之垂直的70°，60°和45°探頭進(jìn)行定量。02根部鈍邊角度對(duì)根部未熔合超聲回波的聲程影響分析根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)繪制根部鈍邊角度與回波聲程的關(guān)系曲線，如圖7所示。圖7根部鈍邊角度與最高回波聲程的關(guān)系曲線可以看出在60°<α<150°時(shí)，對(duì)于70°探頭，由于聲束擴(kuò)散角比較大，主聲束的橫截面比較大，所以最高回波處的聲程測(cè)量值波動(dòng)比較大。對(duì)于45°探頭，由于聲束擴(kuò)散角比較小，主聲束的橫截面也比較小，所以最高回波處的聲程測(cè)量值波動(dòng)比較小。對(duì)于60°探頭，聲程波動(dòng)介于45°和70°探頭之間。因此，對(duì)于60°<α<150°的情況，優(yōu)先選用45°探頭進(jìn)行定位(使用70°探