海洋平台结构管节点焊缝超声相控阵检测技术.docx

海洋平台结构管节点焊缝超声相控阵检测技术单宝华 ,欧进萍(哈尔滨工业大学 土木工程学院 , 哈尔滨 150090)摘 要 : 为了提高海洋平台结构手工超声检测结果的重复性和缺陷定量的准确性 ,研究了适用于海洋平台结构的超声相控阵检测成像技术 。该技术采用区域划分法将管节 点焊缝分成垂直方向的若干区 ,由扫查器携带超声相控阵探头运动 ,对其分区进行电子扫查 ,检测结果以图像形式显示 。提出海洋平台结构超声相控阵检测方案 ,并使用该系统在对比试件上进行试验 。试验结果表明 ,该方法对缺陷的检测能力与传统超声检测 方法相同 ,但检测结果的重复性和可靠性等方面 ,都优于传统超声检测技术 。关键词 : 海洋平台结构 ; 管节点焊缝 ; 超声相控阵 ; 探头 ; 检测中图分类号 : tg115. 28 文献标识码 : a 文章编号 : 0253 - 360x(2004) 06 - 35 - 04单宝华0序言相控阵检测技术在管节点焊缝探伤上的检测算法 ,为超声相控阵检测技术在在海洋平台结构管节点焊 缝上得以实施做理论上的铺垫 。海洋平台结构处于海水环境 ,长期承受波浪 、风暴潮与海流等疲劳负荷的影响 ,船舶碰撞 、直升机起 落与地震或海啸的冲击 。这些因素共同作用将导致 海洋平台结构产生疲劳破坏 、脆性断裂 、腐蚀减薄与静动负载失稳等现象 ,其中管节点焊缝是缺陷最易 产生的部位 。由于管节点焊缝形式复杂 ,其焊缝截 面的形状随着其相贯线上的位置不同而发生变化 , 加之主支管的壁厚较大 ,难以用射线照相法进行 ,目 前国内外主要采用单探头超声波手工探伤方法进行 检验 。因此许多因素取决于探伤人员的经验和技术 ,从重复性和可靠性来看存在问题1 ,而超声相控 阵检测技术的出现正好解决了此问题 。超声相控阵检测技术最初广泛地应用于医学超 声成像领域 。但由于检测系统复杂 、制作成本高昂 , 其在工业无损检测方面应用受到限制 。然而随着压 电复合材料 、纳秒级别脉冲信号控制 、计算机模拟等 多种相关高技术在超声相控阵检测领域中的综合使 用 ,使得超声相控阵检测技术在工业无损检测领域上的应用得以快速发展 。自 20 世纪 90 年代起 ,超 声相控阵检测技术开始在欧美等国家逐步应用于气轮机叶片和涡轮圆盘的检测2 ,3 、火车轮轴检测及奥氏体焊缝检测等领域4 ,5 。与传统手动超声检测 相比 ,超声相控阵检测技术在检测速度 、缺陷定量准 确性等方面有着明显的优越性 。文中主要研究超声1超声相控阵检测原理超声相控阵检测技术是通过控制换能器阵中各阵元的激励 (或接收) 脉冲的时间延迟 ,改变由各阵 元发射 (或接收) 声波到达 (或来自) 物体内某点时的相位关系 ,达到聚焦和声束偏转的效果 ,实现缺陷检 测的技术 。由于相控阵阵元的延迟时间可动态改 变 ,所以使用超声相控阵探头探伤主要是利用它的 两大特点 : ( 1) 声束角度可控 ; ( 2) 动态聚集 , 如图 1 所示 。图 1 超声相控阵声束控制fig. 1 so und be a m ste ering of p ha se d array pro be s收稿日期 : 2004 - 03 - 15基金项目 : 国家 863 计划项目 (2001aa602023)在海洋平台结构管节点焊缝手工超声探伤中 ,存在探测不到的“死区”,如图 2 所示 。“死区”大小 与探头的折射角有关 ,折射角增大 “, 死区”1 区变小36焊接学报第 25 卷2 区变大 。因此采用不同折射角探头可以减少“死区”面积 ,普通单探头作不到角度的转变 ,而用一个 超声相控阵探头即可以发射多种不同角的声束 ,实现了声束的偏转和动态聚焦 ,满足了复杂管节点焊缝超声检测的需求 。较小的材料 。另外温度引起声速的变化会影响材料折射角 ,要选择声速随温度变化较小的材料 。对丙 烯酸树脂 、聚酰亚胺 、聚苯乙烯三种用作斜楔的材料就超声衰减系数和声速的温度系数作试验研究 。试验结果表明聚酰亚胺的衰减系数和声速温度系数均 比其它材料小 。因此超声相控阵探头的斜楔材料宜 选用聚酰亚胺 。检测时对钢介质中的每一种入射角度 ,在斜 楔中均有唯一的一个入射角度 与之对应 。针对 每一种角度管节点焊缝 ,选择最小检测角度所对应 的斜楔中的入射角 min 作为聚酰亚胺斜楔的角度 。 这样 ,管节点的所有检测角度在聚酰亚胺楔块中均向上偏转 ,有利于系统电路硬件的设计 。对于 t 型管节点焊缝 ,系统设计最小检测角度 为 45,所以选择 45角所对应的斜楔中的入射角作 为聚酰亚胺斜楔的角度 ,由折射定律计算得聚酰亚 胺斜楔角度为 33 . 9。由此可计算出各种检测角度在斜楔中的偏转角度 。偏转角度示意图见图 4 。图 2 超声手工检测不能探伤区域fig. 2 no n2detectio n are a of ma nual ultra so nic in sp ectio n超声相控阵探头2超声相控阵列换能器按其阵元的排列方式可分为三种形式 : 线性阵列 、面形阵列 、环形阵列 。虽然 前两种阵列形式均可以满足检测的需要 ,但由于目前加工工艺的限制 ,以及电路的复杂性使得面形阵列的使用难以实现 。与面形阵列相比较 ,线性阵列 具有容易加工 ,发射接收延迟控制电路比较简单容 易实现等优点 ,因此采用线性阵列作为海洋平台结构超声检测的探头 。2 . 1 结构参数针对工程需求设计超声相控线性阵列探头 ,工 作频率为 5 mhz 。超声相控线阵探头几何结构见图3 ,结构 参 数 为 : 阵 元 数 n = 64 , 阵 元 宽 度 a = 0 . 9mm ,阵元中心距 d = 1 . 0 mm ,阵元长度 l = 12 mm 。图 4 t 型管节点检测使用的楔块示意图fig. 4 we dge sketch of t mo del tubular no de in sp ectio n3管节点焊缝超声相控阵检测算法3 . 1区域划分超声相控阵检测技术的关键是“区域划分法”。 区域化分法是根据检测对象的壁厚 、坡口形式 、填充次数将焊缝分成几个的垂直区 ,再由电子系统控制 的超声相控阵探头对其进行分区扫查 。胜利油田海洋平台结构管节点的支管壁厚主要 分 26 mm 、22 mm 、20 mm 、18 mm 、16 mm 五 种 情 况 。海洋平台结构管节点焊缝的焊接通常使用直径为3 . 2 mm 或 4 mm 的焊条 。综合考虑以上情况 ,拟对 焊缝区域进行分区 ,每个区域高度一般为 13 mm 。 对支管壁厚为 16 mm 的焊缝区域进行分区如图 5 所 示 。3 . 2检测角度的分配根据区域划分法 ,支管每一区都由一组独立晶 片进行扫查 ,检测主声束角度按照主要缺陷方向设图 3 超声相控线阵几何结构fig. 3 geo metry co nfiguratio n of ultra so nic p ha se d array2 . 2楔块超声相控阵探头中斜楔中的声程距离比普通探头长 ,故超声衰减较大 。为使探头灵敏度不致损失 太大 ,就要选择斜楔声衰减较小 ,斜楔/ 钢界面损失第 6 期单宝华 ,等 :海洋平台结构管节点焊缝超声相控阵检测技术37定 。管节点焊接通常采用手工电弧焊来完成 ,在管节点焊缝中 ,手工电弧焊缺陷主要是未熔合 、平行于 熔合线的层状撕裂和裂纹 ,因此要求使波束尽量垂直于支管熔合线 。采用聚集声束进行扫查 ,使声束聚集于支管坡口熔合线位置 ,焦点尺寸为 23 mm ,可以有效地检测各自区域 。道 ,即可完成全部检测 。图 6 管节点时钟刻度图fig. 6 tubular joint s clo ck scale sketch验5试图 5 16 mm 厚 60y 型管节点焊缝 4718坡口区域划分和检测角度配置图fig. 5 sketch of zo ne divi sio n a nd in sp ectio n a ngle arra nge me nt of 4718de gre e slop e of 16 mmthick , 60 de gre e , y tubular no de weld检测时扫查器携带超声相控阵探头在支管上绕 焊缝行走并与其保持固定距离 ,且调整探头使其垂 直于焊缝相贯线 。超声相控阵探头检测时可产生多 种不同角度声束 ,形成 4070范围的扫查角度 ,以 满足分区扫查需要 。图 5 是 16 mm 厚 y 型管节点焊 缝 47 . 3坡口检测角度配置和分区图 。使用海洋平台结构超声相控阵检测成像系统在海洋平台结构 api - rp - 2x 对比试块上进行试验 。 海洋平台结构 api - rp - 2x 对比试块几何尺寸如 图 7 所示 , 该对比试块长 280 mm , 宽 50 mm , 厚 26 mm 。在该试块上加工两个 1 . 6 mm 1 . 6 mm 的方槽和一个 1 . 6 mm 的平底孔 ,用来模拟海洋平台结构 管节点焊缝缺陷 。4检测方案图 7 海洋平台结构 api - r p - 2x 对比试块fig. 7 apl2r p22x refre nce blo ck of off shore platform structure针对实际工程需求 ,设计分两次铺设轨道 ,要求轨道的长度能够绕过支管圆周的一半 。在两次轨道 检测过程中 ,需两组检测角度 ,每次给一组 (含四套)检测角度即可满足正向检测又可满足逆向检测的需 求 。如图 6 所示 ,管节点支管圆周方向的各钟点时刻与焊缝相贯线上各钟点时刻是一一对应的 ,这样 通过控制支管圆周方向上各时刻值就可以实现焊缝相贯线上各钟点检测角度的控制 ,由此可完成扫查 控制操作 。检测时先从两面角最小值方向检测 ,如图 y 轴右侧 ;接着再铺轨道 ,从两面角最大值方向检测 ,如 图 y 轴的左侧 。每次检测先正检 ( 逆时针为正) 后逆检 (顺时针为逆) 。无论正检还是逆检 ,每次小车行走 100后停止 。在此过程中 ,变换四套检测角度 , 前三套检测角度小车在轨道上均行走 30,后一套检 测角度小车在轨道上只行走 10。这样铺设两次轨检测时 ,先用手工方法检测试件上的缺陷 ,依此作 为基准 。然后采用水浸法 , 如图8所示用 扫 查 器图 8 对比试块检测图片fig. 8 picture of ref erece blo ck in sp ectio n 下转第 42 页 42焊接学报第 25 卷j . international journal of pressure vessels and piping , 1988 , 32 (1 - 4) : 179 - 482 .张 敏 , 史耀武 , 张新平. 含缺陷焊接结构 j 积分参量的工程估算法研究j . 核动力工程 , 1998 , 19 (5) : 450 - 455 . 库默 v , 杰曼 m d , 施著 c f. 弹塑性断裂分析工程方法m. 北京 : 国防工业出版社 , 1985 .李 志 安 , 金 志 浩 , 宫 殿 民. 压 力 容 器 断 裂 理 论 与 缺 陷 评 定m. 大连 : 大连理工大学出版社 ,1985 .odowd n p , shih c f. family of crack2tip fields characterized by a triaxiality parameter - 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22abstract : fe3al intermetallic and 1828 stainless steel were vacuum diffusion welded and an obvious fe3al/ 1828 diffusion welded joint with three reaction layers was formed. microstructure and phase structure of the joint were researched by means of scanning electron microscope , x2ray diffractom2 etry and transmission electron microscope . the results indicate that shear strength of the fe3al/ 1828 diffusion welded joint which was obtained at 1 040for 60 min with a pressure of 15 mpa is up to 226 mpa . and there arefeal , fe3al , ni3al phases and2fe (al) solid solution from fe3al to 1828 in the joint . the peak microhardness was measured to be 610 hm and there were no brittle phases such as feal2 ( 820 hm) , fe2al5 ( 990 hm) , feal3(1030 hm) .key words : fe3al/ 1828 diffusion welded joint ; microstructure ; mi2crohardness ; phase structurewang xue2control on electron bea m scanning track in brazingdong , yao sun ( institute of welding engineering , shanghai jiaotong univer2sity , shanghai 200030 , china) . p31 - 34abstract : a control method of electron beam scanning track and scan2 ning mode was put forward , in which the curvilinear equations describing the electron beam scanning track were established according to the shape of the actual welding seam , the size of scanning region , scanning mode etc . , then the equations were discretized to obtain a series of discrete coordinate compo2 nents which were used to generate the analog signals by d/ a , after being magnified the signals were input to the deflection coil to drive the electron beam to move following the predefined scanning track and mode . not only scanning track can be easity edited according to actual welding requirements , but also the scanning mode can be set easily such as continuous or discontinu2 ous scanning , points and lines scanning , region scanning , any complicated scanning graph etc . this makes electron beam become controllable and mov2 able welding heat sourc , and this method has been used in electron beam brazing successfully.key words : electron beam ; scanning track ; scanning mode ; controlstellite 6 coating by electrothermal explosion directional spraypuze2lin , yang kun , l iu zong2de ( north china electric power university , beijing 102206 ,china) . p23 - 26abstract : stellite 6 coating was sprayed on 45 steel substrate by elec2 trothermal explosion directional spraying with two sizes of stellite 6 alloy. thickness uniformity , porosity , microstructure , grain size and bonding be2 tween substrate and coating were analyzed with scanning electron microscope , optical microscope and image analysis software respectively. hardness of the coating was tested. comparisons of coatings sprayed by different sizes of the alloy were carried out . the results show that grains of coatings are greatly re2 fined for both coatings. porosity is very low for two coatings. the thickness of coating sprayed by small size of the alloy is more uniform than that of coating with larger size of the alloy. there is a good bond between substrate and coat2 ing because diffusion occurs in the interface . hardness of both coatings are far higher than that of stellite6 alloy. the maximum hardness of the coating is up to 997 hv for small size of sprayed coating and 738 hv for larger size of sprayed coating , 2 - 3 times of the sprayed material .key words : elctrothermal explosion ; directional spraying ; stellite 6coating ; grain refinementultrasonic phased array inspection technology of off shore platf ormstructure tubular joint weldsshan bao2hua , ou jin2ping ( school ofcivil engineering , harbin institute of technology , harbin 150090 , china) . p35 - 37 ,42abstract : in order to improve inspection result repetition and flaw ra2tion veracity of manual ultrasonic inspection of offshore platform structures , an ultrasonic phased array inspection imaging technology applied to offshore plat2 form structure was proposed. a zone discrimination method is applied to di2 vide weld into several vertical zones , and weld zones were swept by ultrasonic transducer perpendicular to weld , and inspection result was displayed in im2 age . inspection scheme of offshore platform structure ultrasonic phased array was also presented , and the reference block of offshore platform structure was detected by this system. exper