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1、型管节点焊缝的超声检测实验研究邓燕燕 陈贤洮（合肥通用机械研究院，合肥 230031）摘要 本文针对Y型管节点焊缝的特点，为解决在Y型管节点焊缝超声波检测中的缺陷定位困难、方法繁琐和耗时严重等问题，结合计算机辅助软件，设计了Y型管节点焊缝超声相控阵检测工艺，对该类焊缝进行实验研究。实验证实：采用计算机辅助超声相控阵技术检测Y型管节点焊缝有利于该类焊缝检测效率的提高，可以有效地避免常规方法频繁移动探头的检测方式。关键词 Y型管节点焊缝；计算机辅助技术；超声波检测在承受各种载荷的钢结构中，将支管的一端焊接在主管上，这种结构形式称为管节点焊缝。如果主支管间夹角小于90，称Y节点焊缝。随着这种大型焊接
2、钢结构被广泛采用，其安全性问题逐渐显现。本文针对Y管节点焊缝超声探伤缺陷定位复杂和定位困难，运用计算机辅助技术将建立的管节点模型进行软件化，实现焊缝界面快速绘制，快速判别缺陷以及对缺陷快速定位等功能。并通过实验研究对比分析软件辅助超声波检测方法的误差。 1 Y管节点焊缝1.1 Y管节点焊缝的介绍Y型管节点是主支管斜交的管节点，其主支管成任意角度；在工程上，主管直径从600到2000毫米，壁厚从18到80毫米，支管从400到900毫米，壁厚从12到60毫米。如图1所示，定义主管外径为D1，主管壁厚为t1，支管外径为Dn，支管壁厚tn，主支管轴线交叉角度为，其中tl、tn、Dl、Dn、是不变的，表
3、示管节点的相贯角，随焊缝中位置不同而连续变化。1.2 Y管节点焊缝超声波检测难点Y型管节点焊缝焊接制造需经过卷板、管子纵缝焊接、支管相贯线的坡口加工、主支管组装、相贯线处焊接等过程。在无损检测方法中，目前多采用常规超声检测方法，由于管节点的特殊性，常规超声存在以下难点：图1 Y型管节点焊缝的结构参数1）反射波识别困难：二面角、坡口角度、间隙等结构参数随相贯线上点的位置不同而发生无规则变化，使缺陷波识别变得复杂，容易造成误判或漏检。2）缺陷定位方法复杂：管节点不同截面，主支管椭圆曲率连续改变，使半跨距声程不断变化，导致缺陷定位方法复杂，精确度受诸多因素影响。3）缺陷当量误差大：由于焊缝沿节点相贯
4、线伸展，无论用单个波峰6dB法或20dB法测长均存在较大误差，缺陷自身高度的测定误差更大。4）对根部缺陷区分困难。1.3 Y管节点焊缝模型焊缝剖面图如下图2所示。直线AB为焊缝根部间隙，间隙量为m。直线AC为焊缝坡口所在位置。曲线CD为焊缝宽度，长度为n。在平面直角坐标系中，坐标系原点为支管轴线椭圆中心点O支（0,0），主管的椭圆中心点O主（x主,y主）。图2 管节点焊缝接头支管椭圆方程表示为：主管椭圆经过原坐标系顺时针旋转，并向左下角平移后的方程为：式中：,为支管椭圆的长短轴，,为主管椭圆的长短轴以O主为圆心，作一条平行于主管外壁的椭圆曲线L，曲线L与支管交于点A，连接A点与O主点，交主管外
5、壁与点B，直线AB即为间隙所在位置。直线AC与曲线L在A点的缺陷夹角为支管所在坡口角度，根据平面直角坐标系总两直线的夹角公式，坡口直线的斜率为K，联立直线AC方程与支管外壁椭圆方程可缺点C点坐标。圆心为C，半径为n的圆交主管外壁于D，即可确定D点坐标。直线连接点A、B、C，曲线连接点C与点D，此时管节点焊缝任意位置处焊缝接头模型建立完成。2 计算机辅助软件的设计在建立的管节点焊缝模型基础上，运用计算机辅助技术实现模型的软件化。本研究采用Visual Basic程序设计语言，程序主要包括：空间管节点结构计算、焊缝截面绘制、声束覆盖、程序定位五大模块，程序框图如图3所示。图3 程序设计框图3 试验
6、分析3.1 Y管节点焊缝试样制作本研究所制作的试样管材规格为：主管外径910mm，主管壁厚为25mm，支管外径610mm，支管壁厚为20mm。Y形管节点主支管交叉角度为45。本套试块共有六个小试块组成（A、B、C、D、E、F），分别取自于Y形管节点焊缝不同钟点区域。在支管外壁绘制母线，母线间距为30mm，根据设计的试块尺寸绘制切割线，如图4所示。图4 各试块分割线各试块中所具有的母线编号范围如表1所示。表1 试块中母线范围试样编号ABC母线编号-23591014弧长范围/mm060165230295405试块加工的成品如图5所示。图5 待检测试块每块试块均有二个端面分别用字母A和B表示，现选取
7、试块A、B，在两个端面设计人工横孔，横孔长度为20mm，如表2所示。表2 试块中人孔位置试块编号端面编号横孔编号孔深/mm孔径/mm试块AA1122B2201.6131.6试块BA1202B118222023.2 探测条件的选择1、探头：由于实验的管节点焊缝的主支管直径较小，探测面曲率较大，因此探头的尺寸小一点好，以便改善耦合效果。又由于不同探测位置的截面曲率半径不同，所以探头斜楔不要修成与支管表面相吻合的曲面。考虑到Y型管节点探伤时要求的定位精度较高，而管节点焊缝的主支管材质晶粒细小，为了提高探伤灵敏度和分辨力，宜选用较高的频率，一般探头频率选用5MHz，探头折射角以5070度为主。2、试块
8、：Y型管节点焊缝探伤中，采用CSK-A试块，用于测量探头前沿长度和完成声程1：1定标。用CSK-A试块测量探头K值或折射角。3、耦合剂：Y型管节点焊缝探伤中，一般采用粘度较大的耦合剂，如黄油、糨糊等。因为试件的探测面大多是倾斜式，耦合剂粘度低，容易流失，对探伤不利。4、表面补偿：当工件与试块存在耦合差时，要适当进行补偿。3.3 实验设备选用实验所用设备为汕头超声仪器研究所推出的CTS-602超声相控阵检测仪，该设备最多可支持128阵元相控阵探头，单次激发阵元总数可以达到32片。双极性方波发射，发射脉宽可调，发射单点聚焦，接收动态聚焦。本文实验采用超声相控阵探头 TL4T8(4MHz,阵元间距0
9、.5mm，16晶片相控阵探头)，横波斜楔型号8A1 (楔块声速：2337m/s，中心阵元高度：10.6mm，楔块角度：36.0)，最大偏转范围标称值为3070； A、B型便携式相控阵试块； Y形管节点焊缝具有代表性试块（A、B）二枚。3.4 检测结果A试块：当弧长为60mm，探头距离焊缝边缘为10mm时，声束仍可覆盖焊缝大部分区域，由于间隙影响，靠近焊缝中部的主管侧壁尚存在部分未覆盖区域，实际检测该区域时，在一次扫查后，须使探头前移，对焊缝进行再次扫查，使焊缝接头区域能够被声束全面覆盖。如图6所示。图6弧长60mm，距离焊缝边缘10mm试块中设计的横孔检测及定位效果如图所示。 图7 A-B-1
10、人孔缺陷的检测结果3.5 检测结果分析对横孔定位结果统计，如表3所示。表3 计算机辅助定位深度与实际值对比试块编号端面编号横孔编号横孔实际深度/mm计算机辅助定位深度/mm绝对误差试块AA11210.71.3B12020.90.9232.70.3试块BA12018.71.3B11818.30.322021.91.9表3得出了计算机辅助定位与横孔实际位置的误差值，绝对误差不大于2mm。通过计算机辅助定位结果与横孔实际位置的对比，表明计算机辅助定位在一定程度上可以满足缺陷定位要求，有利于对缺陷快速定位，提高检测效率。4 结论通过实验研究，可得出以下结论：1、采用超声相控阵扇形扫查可以减小Y型管节点
11、焊缝检测盲区，很大程度上降低了缺陷漏检概率。2、计算机辅助软件能够快速对缺陷定位。相比手工绘图定位方法，该软件能即刻完成原本耗时数小时的缺陷定位任务，在定位效率上大大提高。计算机辅助软件的应用有利于检测设备向智能化方向发展。3、采用计算机辅助方法定位的效果与横孔实际深度相比，误差不大于2mm。针对海洋平台T、K、Y构件，能够满足缺陷定位精度要求。参考文献1 施克仁.无损检测新技术M.北京：清华大学出版社，2007，205-212 2 李衍.相控阵超声检测国际动态J.无损检测,2009,31(1):56-60 3 刘兴亚,晋青珍,申献辉.T、K、Y管节点焊缝超声波探伤的计算机辅助计算J，钢结构，1998，13(4):19-23.4 赵志斌.Y型管节点的超声检测研究D.南京：南京航空航天大学,2006:33-37，41-45作者简介：邓燕燕（1987-03-29）,女,汉族，硕士研究生,主要研究方向为超声无损检测。
