在海洋工程領域，大多數項目的無損檢測都需要在海上進行，海洋工程結構的超聲波檢驗常採用美國石油協會(API)標準，涉及超聲波檢測的試塊包括國際焊接協會(IIW)試塊和美國石油協會(API)參考試塊兩種，一般調節儀器需先在IIW試塊上調節聲速、範圍，測定入射點和測定折射角等，然後再利用API參考試塊製作距離-波幅曲線(DAC)。如果現場需要檢測多個不同厚度的焊縫，則需要使用多個API參考試塊調節。超聲波檢測試塊重量較重，出海和出差進行現場檢驗時，難以帶全所有系列的參考試塊。當進行不同厚度材料的檢測時，如果沒有帶相應厚度的API試塊，現場檢測校準和測試亦會有一定的困難。
為了解決該問題，海洋石油工程股份有限公司的李鵬頻工程師結合國際焊接協會(IIW)試塊和美國石油協會(API)系列參考試塊的各自特點，設計出一種新型的滿足API-RP-2X《Recommended practice for ultrasonic and magnetic examination of offshore structural fabrication and guidelines for qualification of technicians》檢驗標準要求的超聲波檢驗通用試塊。
1
試塊的設計和加工
01
試塊的材料確定
目前海洋工程類項目中，鋼結構所使用的碳鋼材料一般為DH36、JIS SM490YB、Q235B和20鋼。而在各個項目的檢驗要求中，材料Q235B常用於製作成品工字梁，此類結構一般只需要進行磁粉檢測，故不考慮Q235B材料。經過使用對比，DH36、JIS SM490YB和20鋼的聲學性能基本一致。在聲學性能一致的情況下，20鋼在製作和價格上更具優勢，故最終確定以20鋼作為新型API試塊的設計材料。
02
試塊反射體設計
考慮到功能性及便攜性，試塊需具有IIW標準試塊和API參考試塊的各自特點，以及IIW標準試塊和API參考試塊的功能，包括水平線性及垂直線性測定、聲速測定、入射點及折射角測定、繪製距離-波幅曲線和根部靈敏度校驗等功能。試塊中應包含API標準所要求的Ф1.6mm橫通孔、T形、K形、Y形管狀節點檢驗所用的根部槽和用於調試儀器基本參數的圓弧。
Ф1.6mm橫通孔位置確定
API-RP-2X《海上結構製造超聲波檢測和磁粉檢測推薦作法及無損檢測人員技術資格鑑定指南》標準要求，當執行A級驗收標準時，則參考等級校準使用的內部反射體是標準中A級參考試塊或者規範指定的類似試塊裡直徑為1.6mm的橫通孔。當執行C級驗收標準時，使用直徑為1.6mm的橫通孔作為內部反射體的參考等級。從標準中可以看出，API-RP-2X驗收標準A級和驗收標準C級都需要使用直徑1.6mm的橫通孔來進行檢測靈敏度校準。
根據項目調查統計，海洋工程海上超聲檢測一般壁厚在60mm以下，以30～40mm壁厚的焊口數量居多，為滿足海上結構超聲波檢測需求，選擇厚度為100mm的試塊，在6，20，40，50，70，90mm深的位置處鑽孔(見圖1)。通過上下翻轉試塊能夠獲得6，10，20，30，40，50，60，70，80，90，94mm深度的對比反射體，從而達到滿足海上結構超聲波檢測的要求。
圖1 Ф1.6mm橫通孔的尺寸示意
根部槽位置
在海洋工程鋼結構中存在較多的T、K、Y節點焊口，這些T、K、Y節點的根部區域只能進行單側檢驗。API-RP-2X標準要求，當執行A級驗收標準時，如果對根部區域只能進行單側檢測，推薦使用70°探頭檢測，參考等級的校準反射體應使用1.6mm深的表面槽。當執行C級驗收標準時，參考等級的校準反射體應使用1.6mm深的表面槽。從標準中可以看出，API-RP-2X A級驗收標準和C級驗收標準都需要使用深度為1.6mm的表面槽來進行根部靈敏度校準。因此試塊設計還需考慮適用於T、K、Y節點檢驗調節的根部槽。
根據調查統計得出，海上T、K、Y節點的支管壁厚一般在40mm以下，可用厚度為15,25,45mm的表面槽來製作根部靈敏度曲線。考慮到試塊大小及試塊重量，採用臺階階梯的形式將根部槽加工在試塊的階梯上。臺階階梯試塊結構示意如圖2所示。
圖2 根部槽臺階階梯結構示意
圓弧的設計形式
日常儀器的性能調試，還需測定材料聲速、探頭的入射點、折射角以及設置檢測範圍，這些性能可通過圓弧來實現。日常的IIW試塊調節斜探頭的聲速和範圍需通過圓弧二次反射波來進行，這一般適用於橫波調試，縱波斜探頭是無法通過圓弧來調節聲速和範圍的，考慮到這一因素，筆者參考CSK-IA試塊的結構形式，將試塊的圓弧設計成同側雙圓弧形狀，從而滿足儀器調試的功能，其結構示意如圖3所示。
圖3 圓弧的結構示意
03
試塊尺寸
確定了Ф1.6mm橫通孔位置、TKY根部槽位置和圓弧的設計形式幾個基本要素後，還需要考慮試塊的具體尺寸。試塊的尺寸取決於各個階梯的長度以及橫通孔的深度。
試塊階梯長度
API-RP-2X標準要求根部槽的位置需離端角最少38mm，以除去端角回波的干擾，為節省試塊空間，將根部槽的位置設置在離端角38mm處。受階梯設計的影響，在根部槽的另一側也存在一個端角，但此處的端角方向朝下，在調試中並不會產生端角反射的現象。將根部槽到另一側端角的距離設置為20mm，預留一定距離的水平位置，使探頭能較好地接收根部槽的反射信號。同時該階梯還可用於製作傳輸修正曲線，便於現場檢測中材料及表面狀態差異導致的聲能損失。傳輸修正曲線通過使用相同角度的一發一收探頭來製作。常用的探頭角度為45°，60°和70°。使用70°探頭時，對於大壁厚焊縫一般採用一次波檢測，故對於45mm的臺階傳輸修正只需將一發一收探頭分別放在階梯面的上下表面進行測定。45°和60°探頭的傳輸修正曲線可使用兩個相同角度探頭放在同側或對側，通過前後移動探頭獲取峰值信號來製作。傳輸修正曲線製作的聲束路徑示意如圖4所示，可以算出70°探頭離45 mm深臺階面的偏移距離為45mm × tan70°= 123.6mm。因此在45mm臺階的一側需留足夠空間以保證聲束傳播過程中無干擾。
圖4 試塊階梯尺寸示意
Ф1.6mm橫通孔水平位置確定
採用橫通孔製作DAC曲線時，此試塊僅需採用一次波便可製作。將橫通孔的位置設置為靠近圓弧側，從而避免橫通孔對根部槽產生干擾，通過在圓弧側使用一次波直射法制作DAC曲線。根據勾股定理，使用60°探頭時，可以算出最深處的橫通孔需要的水平距離為155.88mm (90mm×tan60°)。使用70°探頭時，對於大厚壁一般採用一次波檢測，因此使用50mm深的橫通孔就能夠滿足70°探頭現場檢測要求，通過公式可以計算出70°探頭移動需要的水平距離為137.37mm (50mm×tan70°)。為節省試塊空間，可利用階梯中部分位置製作DAC曲線，同時考慮70°探頭製作傳輸修正的偏移距離要求。橫通孔水平位置尺寸示意如圖5所示。
圖5 Ф1.6mm橫通孔位置示意
04
試塊加工
結合上述因素，最終繪製出適用於API檢驗標準的簡易通用試塊設計圖(見圖6)，試塊的基本尺寸如下：
(1) 試塊長410mm，高100mm，厚35mm。
(2) Ф1.6mm的橫通孔距離邊緣110mm，共6個孔，深度分別是6,20,40,50,70,90mm。
(3) 1.6mm×1.6mm方形槽共3個，每個距離邊緣38mm，槽距離下一級臺階20mm，臺階厚度分別為15,25,45mm。
(4) 第一圓弧的半徑為100mm，第二圓弧的半徑為50mm。
圖6 新型試塊的尺寸示意
圖紙設計完畢後，委託工廠依照圖紙加工成型，成型的試塊實物如圖7所示。
圖7 新型試塊實物圖
05
試塊功能
該新型API通用試塊具有以下儀器校準和調試功能：校驗水平線性、垂直線性、動態範圍，測定入射點、聲速和折射角，調整縱波橫波檢測範圍和掃描速度，調節檢測靈敏度，繪製距離-波幅曲線，並可以用於T、K、Y根部缺陷的對比參考 。各功能的具體操作如下：
(1) 調整縱波、橫波檢測範圍和掃描速度(時基線比例)：利用試塊上R50mm和R100mm尺寸。
(2) 校驗儀器的水平線性、垂直線性和動態範圍：利用試塊上高度100mm和厚度35mm尺寸。
(3) 測定斜探頭的入射點：用R100mm或者R50mm的圓弧反射面測試。
(4) 測定橫波和縱波聲速：用R100mm和R50mm的圓弧反射面測試。
(5) 測定儀器和探頭的組合靈敏度：利用R50mm或R100mm圓弧面測試。
(6) 測定斜探頭的折射角：考慮近場區的影響，折射角為45°,60°時，需要用深度超過40mm的Ф1.6mm直徑孔調校；折射角為70°時，需要用深度超過10mm的Ф1.6mm直徑孔調校。
(7) 測定橫波距離-波幅曲線：利用不同深度的Ф1.6mm橫通孔調校，通過翻轉45°探頭可以直射到6，10，20，30，40，50，60，70，80，90，94mm深度的橫通孔，60°探頭可以探測到6，10，20，30，40，50，60，70，90mm深度的橫通孔， 70°探頭可以探測到6，10，20，30，40，50mm深度的橫通孔。
(8) 測定根部距離-波幅曲線：利用不同厚度階梯的槽來校準，適用於根部位置15～45mm的焊縫。
(9) 測定表面補償修正曲線：利用不同厚度階梯的平面區域，適用於焊縫厚度15～45mm的焊縫。
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標準參考試塊校驗
傳統的API試塊是利用試塊多次翻轉以及聲束直射和多次反射來製作DAC曲線的，文中新型試塊採用一次波直射法制作DAC曲線。根據Snell定理，當橫波入射角不小於33.2°，橫波通過鋼和空氣界面時，聲束在反射界面會發生全反射，故理論上，在排除表面粗糙等干擾因素外，多次反射過程中沒有聲能損失。筆者通過下述試驗來對比兩者的差異性。
採用日常檢測中常用的超聲波5Z10*10A60探頭(汕頭市超聲儀器研究所有限公司製造)，在新型API試塊，傳統的厚度T分別為12.7，19.1，38.1，50.8mm的API試塊上進行試驗。將探頭在新型試塊上進行聲速、範圍、入射點和折射角的測定，然後利用新型試塊上的一系列橫通孔來製作DAC曲線。利用此DAC曲線，通過在不同厚度的傳統API試塊上進行聲束一次波、二次波和三次波反射校驗，觀察儀器上波幅差值，記錄分貝差。試驗對比數據如表1所示(試驗數據為多次數據的平均值)。
表1 橫通孔試驗數據對比
通過對比數據可以看出，在新型試塊和傳統API試塊上兩者的Ф1.6mm橫通孔反射體分貝差基本保持在0.5dB的範圍內，試驗證明聲束在多次反射過程中的聲能損失很小，在可允許範圍內，能符合現場使用情況。
為驗證距離根部槽20mm處的端角對根部靈敏度調節的影響，筆者使用70°探頭，利用傳統的厚度T分別為12.7，38.1，50.8mm的API試塊上的根部槽製作DAC曲線，將新型API試塊上的3個根部槽的70°反射波幅與傳統試塊上製作好的DAC曲線進行對比，比較兩者分貝差，結果如表2所示。從數據可以看出兩者的分貝差很小，基本不會影響根部槽的靈敏度調校。
表2 根部槽數據對比
結語
這種新型API試塊結構簡單，現場攜帶方便。只需在一個試塊上就能完成儀器性能調試及DAC曲線的製作，調試過程中不需要經常更換試塊，可降低挪動試塊的安全風險。現該試塊已應用於海洋工程海上安裝項目和陸地建造項目中，在使用方便快捷的同時還創造出了一定的經濟效益。
作者：李鵬頻，工程師，在海洋石油工程股份有限公司主要從事無損檢測工作。
