1、检测方法分析

1.1 TKY管节点焊缝及常规检测方法

管－管连接形式按外观形状可分为Ｔ形、Ｋ形、Ｙ形三种，见图１。

（A）Ｔ型（B）Ｋ型（C）Ｙ型

图１ TKY管节点焊缝结构示意图

圆管相贯节点的相贯线是一条马鞍形状的空间曲线，相贯焊缝焊接规范要求主管与支管的管节点焊缝全周连续焊接并保持平滑过渡。

实际施工时受限，很难做到全周连续，即存在焊接不连续、焊接不饱满等施工质量缺陷。

TKY管节点焊缝的具体无损检测工艺在ASME及我国的NB/T47013中没有涉及。

目前广泛采用的是常规超声检测方法。

目录

T、K、Y管节点焊缝超声波探伤 第一讲技术特征与影响因素;

T、K、Y管节点焊缝超声波探伤 第二讲探伤方法与验收标准;

T、K、Y管书点焊缝超声波探伤 第三讲_缺陷的判定;

T、K、Y管节点焊缝超声波探伤 第四讲缺陷定位技术——作图解析法;

T、K、Y管节点焊缝超声波探伤 第五讲声程修正系数的理论模型的确定;

T、K、Y管节点焊缝超声波探伤 第六讲缺陷定位技术——里波反射法;

TKY管节点焊缝超声检测验收标准有：API-RP-2X（A级和C级）（美国石油学会）-UT；AWSD1.1（X级和R级）（美国焊接协会）-UT。

通常参考美国石油学会标准API-RP-2X《海上结构件超声检测和磁粉检测推荐做法及无损检测人员资格指南》，采用45°、60°、70°三种角度的探头对焊缝进行检测。

但该方法检测效率低下，即使是操作熟练的检测人员检测一个TKY管节点焊缝也需要大约半天时间。

1.2 超声相控阵检测

超声相控阵检测仪器自身具有强大的数据存储和分析能力，使得超声相控阵（PAUT）技术与常规超声技术相比具有更高的检测效率、检测灵敏度和缺陷检出率。

相控阵检测系统是高性能的数字化仪器，能够实现检测全过程信号的记录。

通过对信号进行处理，系统能生成和显示不同方向投影的高质量图像。超声相控阵的检测操作主要通过系统安装的工艺软件完成，见图2。

这些软件中自带参数输入模块、截面图生成模块、声束覆盖模块及缺陷定位评价模块等，只要工艺软件选择正确，需要的各个工艺参数设置精确，按照拟定的检测工艺和操作步骤，检测完成后的工艺软件可进行自动评定并生成缺陷信息列表（缺陷信息包括：缺陷深度、长度、幅度等）。

结合DAC曲线功能，对缺陷进行三维视图及3D视图显示，辅助评级并自动生成检测报告。

TKY管节点焊缝超声相控阵横波检测的主要工艺参数（主管壁厚Y、支管壁厚t、主管外径D、支管外径d、主支管夹角θ是不变量，主支管外壁所构成的二面角ψ和坡口角度φ是变量）必须设置精确，检测生成的缺陷数据信息才能可靠。

图2 超声相控阵检测系统工艺软件

随焊缝不同位置截面的连续变化，在一周的扫查路径中Ψ时刻变化，最大角度范围为30°～150°。

坡口角度φ可能会增大，从而使扫查面的焊缝宽度增加，也就是需要设定的焊缝余高增加。

因此，一次扫查长度不能过大，ASME V-2007标准第4章非强制性附录A规定直径大于200mm的接管应分12次扫查（每次扫查接管焊缝圆周的30°角），直径大于600mm的接管应分24次扫查。

如将支管外壁分为12个区（以钟表刻度参考），其中零点钟位置为管节点结构的脚趾位置，六点钟位置为脚跟位置，必要时可借助工具进行确定，各钟点标出后沿平行于轴向方向作适当延长。

其他规格管子可根据实际情况酌情分区，其目的是使得在同一分区内使用同一组相控阵扫查参数。

每段扫查前对焊缝宽度、探头位置、最大角度、最小角度根据需要进行调整。

如果设置正确，缺陷的位置应显示在焊缝内。

具体检测及分区见图3～图4。

图3 TKY管节点焊缝超声相控阵检测示意图

图4 TKY管节点焊缝超声相控阵检测分区示意图

2、超声相控阵检测工艺

2.1检测前准备

（1）检测区：检测区宽度应为焊缝本身加上焊缝熔合线两侧各10mm的母材或实际热影响区宽度（取较大值）。检测区厚度应为工件厚度加上焊缝余高。超声检测应覆盖整个检测区，不能覆盖的盲区辅助其他无损检测方法。

（2）检测面的准备及焊缝外观检查：检测面应清除油漆、焊接飞溅、铁屑、油污及其他异物，以免影响耦合及缺陷评判。检测面应打磨，粗糙度应不大于25μm。焊缝外观检查焊缝余高、咬边错边长度、焊脚高度，表面缺陷等是否超标，必要时进行适当的修磨。

（3）尺寸测量：用超声波测厚仪测量主、支管壁厚，每个测点测3次取最小值。测量主、支管间的夹角值（固定）。测量主、支管外径（检测分区依据）。

（4）检测时机：检测工作选在组装、焊接完成后且延迟至少24小时，或者在役检测条件允许的条件下进行，努力保证检测结果的可靠性及检测人员的安全。

（5）母材检测：选择C级检测技术等级或有必要时先用直探头常规超声检测母材区域，以便检测是否有影响相控阵检测结果的分层或其他缺陷存在。

（6）检测分区：按照上面的分析在主支管上进行分区、划线。

2.2检测工艺

2.2.1检测人员要求及仪器探头楔块的选择检测人员要符合国际欧盟标准(EN ISO 9712)或者美国标准(SNT-TC-1A；ASNI-CP-189)，或者我国CCS及GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证要求。

根据工件厚度、材质、检测位置、检测面形状及声束类型选择探头种类、频率、晶片尺寸、数量、间距、形状及楔块规格。

探头选择见表1。

2.2.2扫查方式及试块

选用机械扫查与电子扫描的结合方式即沿线扫查＋扇扫描进行检测。对可疑部位，必要时可采用扇扫描结合锯齿、前后、左右、旋转、环绕等各种扫查方式进行检测。

试块有：符合NB/T47013.3-2015要求的CSK-IA、CSK-IIA系列、CSK-IIIA试块，声束控制评定试块，半圆试块，API RP-2X规定的A级验收标准推荐的两种反射体试块：φ1.6mm×38mm盲孔和1.6mm×1.6mm×38mm表面平底槽、GD系列试块、SGB系列试块，带有预埋缺陷的TKY模拟试块等。

本试验选择了φ1.6mm×38mm盲孔及1.6mm×1.6mm×38mm表面平底槽、半圆试块、预埋缺陷的TKY试块。

2.2.3检测技术等级选择

超声相控阵检测技术等级分为A、B、C三个检测级别。超声相控阵检测技术等级选择应符合制造、安装、在用等有关规范、标准及设计图样规定。对于母材厚度为3.5mm～8mm（不含8mm）的工件不要求检测技术等级分级。

2.2.4耦合补偿

选用最适宜的耦合剂，在检测和确定定量时应对由表面粗糙度引起的耦合损失进行补偿（3dB～5dB）。

2.2.5曲率补偿

对探测面是曲面的工件，应确保工件与楔块最大间隙不超过0.5mm。必要时采用曲率半径与工件相同或相似的参考试块，通过对比试验进行曲率补偿。楔块使用软膜楔块或曲率相近的曲面楔块，楔块也可按照支管或主管曲率进行修磨。

2.2.6材质衰减补偿

在检测和定量时，应对材质衰减引起的检测灵敏度下降和缺陷定量误差进行补偿。所采用的最大声程内最大传输损失差小于或等于2dB时可不进行补偿。最大声程内最大传输损失差大于2dB小于12dB时补偿，大于12dB分析原因，修正工艺。

2.2.7温度因素影响

系统校准与实际检测间的温度差应控制在±15℃之内。工件的表面温度范围为0℃～60℃，超出范围应采用特殊探头和耦合剂并通过实验验证。

2.2.8角度增益补偿

ASME标准案例CAS E 2557、CAS E 2558中明确指出在进行S扫描时要进行角度增益补偿。先以一种选定的角度（55°）制作距离－波幅曲线，再对各种角度对同一反射体进行增益修正，从而各个角度的声束都可以使用同一条距离－波幅曲线。

所选相控阵仪器必须具备同时支持DAC当量曲线和角度增益补偿两种功能。本试验采用半圆试块。角度范围35°～75°，入射角度设置为55°。

扇形覆盖区域中能量分布具有非均匀性，见图5。

图6为角度增益补偿曲线。通过补偿功能实现能量一致，见图7。

图5 扇形覆盖区域中能量分布

图6 角度增益补偿曲线

图7 通过角度增益补偿功能实现能量一致

2.2.9DAC曲线制作

依据不同的验收标准采用不同的试块制作DAC曲线。按照NB/T47013即将出台的相控阵标准，DAC曲线可以用CSK-IIA系列、CSK-IIIA、CSK-ⅣA试块试块制作。日本JIS3060标准推荐对比试块反射体为φ4ｍｍ×4ｍｍ柱孔。

BS标准推荐对比试块反射体为φ1.2mm横孔。API用φ1.6mm×38mm横孔或1.6mm×1.6mm×38mm凹槽为反射体。

对于根部缺陷应用70°或45°探头，A级灵敏度用1.6mm×1.6mm×38mm平底槽制作DAC曲线；有效焊缝区的缺陷用φ1.6mm×38mm横盲孔制作DAC曲线；根据管件厚度选择相同或相近的试块厚度Ｔ。

用φ1.6mm×38mm反射体作DAC，每种探头作一组DAC曲线，不同的探测范围及不同角度探头的DAC曲线不能混用。本文编辑来自NDT互联网联盟

2.2.10声束覆盖模拟

用相控阵仪器ISONIC 2009安装好的曲面TKY软件检测前可以进行声束覆盖模拟，可以确定每个分区的探头距离焊缝边缘的最佳距离，记录扇扫的起始、结束角度。尽量避免或减小检测盲区。必要时单独进行盲区的检测（三次波法或者辅助其他无损检测方法）。

2.2.11仪器校准、补偿值输入

回到仪器各项参数的设置界面进行校准，输入补偿值。

2.2.12扫查灵敏度确定

扫查灵敏度应将耦合补偿、材质补偿和曲率补偿输入后再适当提高6dB～8dB。

2.2.13粗扫（手动，不可用编码器）

（1）扫查步进设置：壁厚小于150mm时步进1mm，壁厚大于150mm时步进2mm。角度步进可在0.5°～5°之间选择。

（2）仪器要求具备检测全程耦合监视功能。扫查时耦合监控功能打开。

（3）以确定的扫查灵敏度进行粗扫，扫查速度不超过150mm/s。

（4）探头放在支管上检测（因为支管相对壁厚薄，一次声程短，声能损失小，且手工焊产生的焊缝缺陷多在根部或者支管熔合线侧，在支管侧检测更容易发现该部位的缺陷），整周焊缝检测保持探头与焊缝间距并始终垂直焊缝。也可以采用探头放在主管上检测。

（5）对管节点焊缝进行一遍粗检测，即扇扫加沿线扫查，生成缺陷图并保存，在试件上相应位置标记可疑和最大反射回波，但并不对可疑及最大回波进行评定。

2.2.14精扫（手动，不可用编码器）

对发现可疑及最大反射回波的位置进行精确扫查，此时可采用扇扫描结合锯齿、前后、左右、旋转、环绕等各种扫查方式进行检测。使用相控阵软件的缺陷辅助定位功能结合按实际几何结构成像图对标记的各反射回波进行定位，结合A扫、B扫、D扫、TOFD图谱判断是否属于焊缝缺陷的反射回波。

2.2.15横向缺陷的补充检测

当有横向裂纹发生倾向时或合同约定所选用的检测等级有要求时应该进行横向缺陷的补充检测：当焊缝没有磨平时，可将探头放在靠近焊缝的母材，与焊缝轴线成10°～15°夹角采用扇扫描＋沿线扫查方式进行检测。当焊缝磨平时可将探头放在焊缝上采用扇扫描＋沿线扫查方式进行检测。

2.2.16检测系统的复核

检测系统的复核包括灵敏度复核及定位精度复核，以下情况应对检测系统进行复核：

（1）检测前应对定位精度进行复核；

（2）检测过程中检测设备停机、更换部件或电池后开机，应进行检测系统复核；

（3）检测人员有怀疑时，应进行检测系统复核；

（4）检测结束前或者连续工作4小时后应进行检测系统复核。

每次检测结束前应对扫查灵敏度进行复核。一般对距离－波幅曲线的校核应不少于3点。

如曲线上任何一点幅度下降2dB或20%，则应对上一次以来所有的检测结果进行复检；如幅度上升2dB或20%，则应对所有的记录信号进行重新评定。

复核应采用与初始检测设置时相同试块。

2.2.17数据分析、缺陷评判、报告出具

依据检测和验收标准，借助软件进行数据分析、缺陷评判、报告出具。

缺陷类型有：点状缺陷、线状缺陷、面状缺陷。

定位：孤立的点状缺陷和未超标缺陷不定位。定位方法采用传统测长法加作图法。

定量：一般采用６ｄＢ法测量缺陷的指示长度。不能将探头移动轨迹的曲线长度作为焊缝线状缺陷的指示长度，探头指向平面投影长度是其指示长度。由于管节点焊缝特殊空间结构一般不进行缺陷高度测量。必要时可以采用TOFD法、相控阵衍射波法测缺陷高度。

具体检测见图8～图10。

图8 TKY管节点相控阵检测示意图

图9 TKY管节点相控阵检测声束覆盖图

图１ TKY管节点焊缝结构示意图

图10 TKY管节点相控阵检测缺陷记录图

点击软件的"视图"功能，可以查看A扫设置和探头的各项参数，可以进行缺陷标定、测量，软件具有滤波、数据图像切片功能，还可以将俯视图、侧视图、端视图合成3D成像显示。

实际上也可以放在主管上检测，见图11。

图11 主管相控阵检测示意图

3、工艺验证试验

针对上面的工艺，利用预埋缺陷的TKY试块进行工艺验证试验，见图12。

图12 工艺验证说明图

在可能出现未焊透部位预制φ2通孔。

（1）探头置于支管的工艺验证见图13。

图13 支管相控阵检测示意图

按照上面的工艺可检出未焊透缺陷，但是内测焊缝会存在小部分盲区，可以用三次波单独扫查盲区一次。支管上检测结果：发现并记录下φ2通孔位置。

（2）探头置于主管的工艺验证见图14。

图14 主管相控阵检测示意图

按照上面的工艺可以检出未焊透缺陷，同时无检测盲区。

主管上检测结果：发现并记录下φ2通孔位置。

4、结束语

TKY管节点焊缝相控阵检测难度较大，因为此类焊缝多为手工焊，焊接操作难度大，焊接环境恶劣，产生缺陷数量要比平板焊缝多。

TKY管节点焊缝空间结构的复杂性导致可能出现多种类型的缺陷，致使无损检测时缺陷的定性、定量、定位工作变得困难重重。

相控阵检测技术与传统无损检测方法相比具有很多优势：

（1）便携式仪器轻便灵活环保，适宜现场操作，不需水电，可以交叉作业。调试简单，根据工件厚度，激发晶片数量可调，可以采用不同角度声束检测，可以进行焊缝覆盖模拟检测；

（2）可以机械自动扫查，使用编码器，也可手动扫查；

（3）可以实现分区检测，复杂结构形状焊缝圆周上分区，大厚度焊缝可以厚度上分区，每个分区分别检测，显示可以合成在一个界面；

（4）相控阵技术可以与TOFD技术组合检测，在同一个界面显示；

（5）检测范围广，可以检测3mm～400mm厚度的金属制工件，仪器具有很高的发射电压和采集速度，具有多通道检测功能，可以实现三维和3D成像显示，计算机软件功能可以辅助进行缺陷定性、定量、定位，自动生成检测报告；

（6）检测速度快，效率高，检测灵敏度高，可以实现实时动态成像，具有耦合监控功能，可以模拟焊缝真实空间结构成像。

参考文献：

［1］API RP-2X海上结构件超声检测和磁粉检测推荐做法及无损检测人员资格指南．

［2］邵红亮．TKY管节点焊缝相控阵评价方法研究．南昌：南昌航空大学．

［3］JJF1338-2012相控阵超声探伤仪校准规范．

［4］陆铭慧，邵红亮，刘勋丰，等．TKY管接点焊缝形状模型在相控阵检测中的应用．无损检测，2013，3，35(12):13-15．

［5］JB/T7913超声波检测钢制对比试块的制作与校验方法．

［6］ASTM E2491超声相控阵检测仪及系统工作性能特性的评价指南．

［7］SY/T6755在役油气管道对接接头超声相控阵及多探头检测．

［8］JB/T10063超声波检测用１号标准试块技术条件．

［9］NB/T47013.3-2015承压设备无损检测第3部分：超声检测．