CN102288681A - 一种tky管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，步骤如下：按管节点焊缝实物尺寸获取管节点特定位置处的剖面图形；在所得剖面图形中绘制焊缝接头轮廓；获取相控阵探头长度、前沿长度、高度、倾斜角度、阵元中心高度；在得图形支管外壁椭圆上选择阵元主声束入射点，并作该点的支管外壁椭圆切线；所确定的入射点为相控阵探头轮廓与支管外壁椭圆接触点，切线方向为相控阵探头长度方向，绘制相控阵探头轮廓，绘出阵元位置；选择声束绘制方式，绘制声束线。本发明有助于TKY管节点焊缝超声检测盲区的评估，确定超声波束在管节点焊接接头覆盖状态，有效降低管节点检测的漏检或误判概率，有助于TKY管节点焊缝相控阵超声检测的工艺设计和缺陷评定。

Description

一种TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法

技术领域

本发明涉及一种TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，属无损检测领域。

背景技术

在承受各种载荷的钢结构中，将支管的一端焊接在主管上（支管管径小于或等于主管管径），为保证焊接质量，在支管一端开坡口，这种结构形式称为管节点焊缝。如果主管、支管间夹角θ<90°，称Y节点焊缝。主支管夹角θ=90°，称T节点焊缝。在主装工艺线上（外径轴向）按设计的距离，焊接两个相对称的支管，形成对称于工艺线的两个Y型节点焊缝，称为K节点焊缝。管管T、K、Y型焊缝，是极易产生危害性缺陷的焊缝，常常危及工程质量安全。射线由于透射能量太小，无法检测此类焊缝，这种节点焊缝内部缺陷的检测只能采用超声波检测, 且难度大。目前国内主要采用传统的手工超声波扫查方法进行检验，在检测的过程中，主要存在以下问题。

TKY型管节点随焊缝位置的改变，焊缝剖面形状不断变化。焊缝剖面与主支管内外壁相交得到四条相交的空间曲线，分别是平面与支管外壁和内壁的相交曲线，平面与支管外壁和内壁的相交曲线，其曲线形状均为椭圆。采用传统横波检测由于探头与工件接触面椭圆曲率不断变化，导致扫查不便，很难实现对缺陷评定，从而带来复杂不准确的定位方法，这对产品生产质量影响颇为严重。 

常规超声探头由于入射角度单一，超声波扫查不到的焊接接头区域存在扫查盲区即“死区”。常规超声检测技术在管节点焊缝运用中存在较大的盲区，且随着焊缝位置变化，盲区大小同样也随之改变，对于一般探伤人员很难估计超声检测时管节点盲区的大小。对于管节点不论用何种折射角度的斜探头，均会出现盲区，其范围与焊缝剖面两面角有关，其规律为当二面角小于90度时，折射角增加时，焊缝根部盲区变小，焊缝上部盲区变大；当二面角小于90度时，折射角增加，焊缝根部盲区变大，焊缝上部盲区变小。

TKY管节点由于几何形状的特殊性，传统的单探头超声检测非常困难，无法控制声束方向，故需要不断移动探头位置从各个方向扫查，而这又往往受到限制，无法实现；为满足声束能够覆盖整个焊缝检测区域的要求，又必须频繁更换不同角度的探头。因此有必要通过采取一些技术方法解决频繁移动探头、盲区得不到改善等问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够对TKY管节点焊接接头进行相控阵声束覆盖的方法。

本发明所述的TKY管节点焊缝相控阵声束覆盖方法，其操作步骤如下：

1.按管节点焊缝实物尺寸获取管节点特定位置处的剖面图形；

2.在步骤1得到的剖面图形中绘制焊缝接头轮廓；

3.获取相控阵探头长度、前沿长度、高度、倾斜角度、阵元中心高度；

4.在步骤2得到的图形支管外壁椭圆上选择阵元主声束入射点，并作该点的支管外壁椭圆切线；

5.以步骤4所确定的入射点为相控阵探头轮廓与支管外壁椭圆接触点，切线方向为相控阵探头长度方向，绘制相控阵探头轮廓，绘出阵元位置；

6.选择声束绘制方式，绘制声束线，使焊接接头声束线覆盖效果最好。

本发明所述步骤1中，获取管节点特定位置处的剖面图形方法如下：

在管节点相贯线上确定一点，过该点做管节点相贯线法面，该法面与主支管内外壁相交得到的交面图形即为该点处的管节点剖面图形。

本发明所述步骤2中，绘制焊缝接头轮廓方法如下：

a在步骤1所得到的法面与支管内壁交线上任意选择一点P。过P点作主管外壁椭圆垂线，交主管外壁椭圆于Q点。量取线段PQ距离，判断PQ距离与焊缝预留间隙距离大小。采用二分查找法在支管内壁椭圆上改变P点位置，直到直线PQ距离与焊缝预留间隙距离小于预设值结束；

b根据焊缝设计的坡口角度大小，过步骤a中确定的P点绘制直线，该直线与支管外壁椭圆的交点为R；

c以步骤b中确定的R点为圆心，作半径等于焊缝宽度的圆，交主管外壁椭圆的点为S。

d绘制直线连接P点和Q点，绘制直线连接P点和R点，绘制波浪线连接S点和R点，即完成焊接接头轮廓绘制。

本发明所述步骤4中，阵元主声束入射点为：过阵元中心点垂直于阵元长度方向的直线与相控阵探头底面轮廓所交的点。

本发明所述步骤6中，声束线绘制方式分为线扫方式和扇扫方式两种。

声束线选择在线扫方式绘制时，声束线以阵元长度所在位置为起点，根据所偏转角度的沿同一入射工件角度绘制，其角度依据下式确定：

式中：

----楔块中声波的入射角度，单位为度；

----支管中声波所要求的折射角度，单位为度；

----楔块中纵波的声速，单位为米每秒；

----支管中横波的声速，单位为米每秒。

声束线选择在扇扫方式绘制时，声束线以阵元中心点所在位置为起点，各声束沿所偏转角度范围的要求按上式计算出入射工件角度范围后绘制。

本发明所述预设值为10^-3—10^-1 mm。

声束线依据偏转角度要求绘制进入支管壁后，在与支管内壁相交后，绘制其反射线，其声束反射线方向与入射线方向关于在支管内壁的反射点法线对称，声束反射线绘制在与支管外壁相交时结束。依据偏转角度要求绘制多条声束线使声束线更全面覆盖焊缝接头。

本发明方法是在获得管节点剖面图形基础上，绘制焊缝接头并按实物尺寸绘制相控阵探头轮廓和超声波束的声束线来实现焊接接头声束覆盖范围可视化效果，有助于TKY管节点焊缝超声检测盲区的评估，从而克服相控阵超声检测参数设置的盲目性。采用本发明能确定超声波束在管节点焊接接头覆盖状态，有效降低管节点检测的漏检或误判概率，有助于TKY管节点焊缝相控阵超声检测的工艺设计和缺陷评定。

附图说明

图1为法面截交Y型管节点主支管模型示意图。

图2为实施例1管节点剖面结构示意图。

图3为实施例1管节点剖面声束覆盖效果图。

图4为法面截交T型管节点主支管模型示意图。

图5为实施例2管节点剖面结构示意图。

图6为实施例2管节点剖面声束覆盖效果图。

具体实施方式

本发明TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，其实施步骤如下：测量实际工件主支管外径尺寸、壁厚尺寸、交叉角度→获取管节点特定位置处的剖面图形→绘制焊缝接头→量取相控阵探头长度、前沿长度、高度、倾斜角度、阵元中心距离相控阵探头底面高度→选择阵元主声束入射点位置→绘制相控阵探头轮廓→在相控阵探头轮廓上绘出阵元所在位置→选择线扫方式或扇扫方式→绘制声束线依次经过相控阵探头内部、支管壁、焊接接头。

以下通过实施例对本发明作进一步详述，这些实施例仅用于说明本发明，并不用于限制本发明的范围。

实施例1： 

参见图1，实测一Y型管节点焊缝，首先测量实际工件主管1外径为410mm，主管1壁厚为13 mm，支管2外径为308mm，支管2壁厚为20mm，主管1与支管2的交叉角度为60度。在主管1与支管2相交的相贯线3上选定一点H，该点距离管节点脚尖4在支管圆周方向的距离为245mm。过H点做相贯线3的法面5，法面与主管1内外壁相交分别得到交线6和交线7、与支管2内外壁相交分别得到交线8和交线9，交线6、7、8、9组成的图形即为H点位置管节点剖面图形。

参见图2，在法面5与支管内壁交线8上选择一点P，过P点做交线7的垂线交于点Q，测量线段PQ之间的距离为15mm，此时PQ之间的距离大于焊缝预留间隙5mm，故再次在交线8上选取P点，P点选取采用二分查找方法，此时P点位置为上次选取的P点位置与V点位置的中点，测量线段PQ之间的距离为7.5mm，此时PQ之间的距离仍大于焊缝预留间隙5mm，故再次在交线8上选取P点，直至选取的P点距离Q点位置长度在4.9~5.1mm范围时结束，预设值为0.1mm；根据焊缝设计的45度坡口，过P点绘制坡口直线，该直线与交线9的交点为R；以R为圆心作半径等于焊缝宽度40mm的圆与交线7的交点为S点；直线连接P点和Q点，直线连接P点和R点，波浪线连接S点和R点，即完成焊缝接头轮廓10绘制。

获取相控阵探头长度为25mm，探头前沿长度为11mm，高度为14.9mm，探头的倾斜角度为36度，阵元中心距离相控阵探头底面高度为10.6mm。，阵元长度为9.6mm。

在交线9上选取一点T作为阵元主声束入射点，T点与R点之间弧长为23mm，过T点作交线9的切线11。

在切线11上，以T为端点，探头前沿长度11mm为线段长度标出点A的位置；以A为端点，探头长度25mm为线段长度标出点B的位置；以A为端点，探头高度14.9mm为线段长度标出点C的位置；以切线11为底，阵元中心距离相控阵探头底面10.6mm为高，根据探头倾斜角度36度，入射点为T标出阵元中心点的位置D；过D点作与切线11夹角为36度的直线，交过C点垂直于线段AC的直线于E点，交过B点垂直于切线11的直线于F点；直线连接A、B、F、E、C各点，即完成相控阵探头轮廓12绘制；以D点为中点，在线段EF上标出阵元13位置，其长度为9.6mm。

选择声束绘制方式为扇扫方式，声束偏转角度要求为30度到55度。绘制折射角度

为30度至55度声束，根据公式：

计算出声束线入射工件角度

范围为：21.52度至36.95度，其中

为2370米/秒，为3230米/秒。一条折射角度为45度的声束线由阵元中点D开始绘制，根据计算出的声束入射角度31.3度入射切线11所在的工件上表面，声束线以45度折射角绘制进入支管壁后，在支管内壁发生反射，其声束线反射方向与入射方向关于在交线8上的反射点G处法线14对称，声束反射线绘制在与支管外壁9相交点K结束。

参见图3，以绘制折射角度为45度的声束线方法绘制范围为30度至55度折射角度的声束线，使之覆盖焊接接头，图3中阴影部分15即为超声波束覆盖区域。

实施例2：

参见图4，实测一T型管节点，首先测量实际工件主管1外径为218mm，主管1壁厚为18 mm，支管2外径为168mm，支管2壁厚为16mm，主管1与支管2的交叉角度为90度。在主管1与支管2相交的相贯线3上选定一点H，该点距离管节点脚尖4在支管圆周方向的距离为60mm。过H点做相贯线3的法面5，法面与主管1内外壁相交分别得到交线6和交线7、与支管2内外壁相交分别得到交线8和交线9，交线6、7、8、9组成的图形即为H点位置管节点剖面图形。

参见图5，在法面5与支管内壁交线8上选择一点P，过P点做交线7的垂线交于点Q，测量线段PQ之间的距离为13mm，此时PQ之间的距离大于焊缝预留间隙8mm，故再次在交线8上选取P点，P点选取采用二分查找方法，此时P点位置为上次选取的P点位置与V点位置的中点，测量线段PQ之间的距离为6.5mm，此时PQ之间的距离小于焊缝预留间隙8mm，故再次在交线8上选取P点，此时P点位置为上面两次选取P点位置的中点，测量线段PQ之间的距离，直至选取的P点距离Q点位置长度在7.9~8.1mm范围时结束，预设值为0.1mm；根据焊缝设计的45度坡口，过P点绘制坡口直线，该直线与交线9的交点为R；以R为圆心作半径等于焊缝宽度30mm的圆与交线7的交点为S点；直线连接P点和Q点，直线连接P点和R点，波浪线连接S点和R点，即完成焊缝接头轮廓10绘制。

获取相控阵探头长度为25mm，探头前沿长度为11mm，高度为14.9mm，探头的倾斜角度为36度，阵元中心距离相控阵探头底面高度为10.6mm。，阵元长度为9.6mm。

在交线9上选取一点T作为阵元主声束入射点，T点与R点之间弧长为18mm，过T点作交线9的切线11。

在切线11上，以T为端点，探头前沿长度11mm为线段长度标出点A的位置；以A为端点，探头长度25mm为线段长度标出点B的位置；以A为端点在，探头高度14.9mm为线段长度标出点C的位置；以切线10为底，阵元中心距离相控阵探头底面10.6mm为高，根据探头倾斜角度36度，入射点为T标出阵元中心点的位置D；过D点作与切线11夹角为36度的直线，交过C点垂直于线段AC的直线于E点，交过B点垂直于切线11的直线于F点；直线连接A、B、F、E、C各点，即完成相控阵探头轮廓12绘制；以D点为中点，在线段EF上标出阵元13位置，其长度为9.6mm。

选择声束绘制方式为线扫方式，声束偏转角度要求为50度。绘制折射角度

为50度声束线，根据公式：

计算出声束线入射工件角度

为：34.2度，其中为2370米/秒，为3230米/秒。一条折射角度为50度的声束线由阵元所在长度方向任意一点开始绘制，根据计算出的声束入射角度34.2度入射切线11所在的工件上表面，声束线以50度折射角绘制进入支管壁后，在支管内壁发生反射，其声束反射线方向与入射线方向关于在交线8上的反射点G处法线14对称，声束反射线绘制在与支管外壁9相交点K结束。

参见图6，以绘制单条折射角度为50度的声束线方法，在阵元长度方向上选取不同声束起点绘制折射角为50度的声束线路径，使之覆盖焊接接头，图6中阴影部分15即为超声波束覆盖区域。

Claims (8)

1.一种TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，其特征在于：其操作步骤如下：

1.1按管节点焊缝实物尺寸获取管节点特定位置处的剖面图形；

2在步骤1.1得到的剖面图形中绘制焊缝接头轮廓；

1.3获取相控阵探头长度、前沿长度、高度、倾斜角度、阵元中心高度；

1.4在步骤1. 2得到的图形支管外壁椭圆上选择阵元主声束入射点，并作该点的支管外壁椭圆切线；

1.5以步骤1.4所确定的入射点为相控阵探头轮廓与支管外壁椭圆接触点，切线方向为相控阵探头长度方向，绘制相控阵探头轮廓，绘出阵元位置；

6选择声束绘制方式，绘制声束线。

2.根据权利要求1所述的TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，其特征在于：获取管节点特定位置处的剖面图形方法如下：在管节点相贯线上确定一点，过该点做管节点相贯线法面，该法面与主支管内外壁相交得到的交面图形即为该点处的管节点剖面图形。

3.根据权利要求1所述的TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，其特征在于：绘制焊缝接头轮廓方法如下：

a.在步骤1.1所得到的法面与支管内壁交线上任意选择一点（P），过（P）点作主管外壁椭圆垂线，交主管外壁椭圆于（Q）点；量取线段（PQ）距离，判断（PQ）距离与焊缝预留间隙距离大小；采用二分查找法在支管内壁椭圆上改变（P）点位置，直到直线（PQ）距离与焊缝预留间隙距离小于预设值结束；

b.根据焊缝设计的坡口角度大小，过步骤a中确定的（P）点绘制直线，该直线与支管外壁椭圆的交点为（R）；

c.以步骤b中确定的（R）点为圆心，作半径等于焊缝宽度的圆，交主管外壁椭圆的点为（S）；

d.绘制直线连接（P）点和（Q）点，绘制直线连接（P）点和（R）点，绘制波浪线连接（S）点和（R）点，即完成焊接接头轮廓绘制。

4.根据权利要求1所述的TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，其特征在于：所述阵元主声束入射点为过阵元中心点垂直于阵元长度方向的直线与相控阵探头底面轮廓所交的点。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，其特征在于：声束线绘制方式为线扫时，声束线以阵元长度所在位置为起点，根据偏转角度在同一入射工件角度绘制，所述声束线绘制，按下式计算入射工件的角度：

式中：

----楔块中声波的入射角度，单位为度；

----支管中声波所要求的折射角度，单位为度；

----楔块中纵波的声速，单位为米每秒；

----支管中横波的声速，单位为米每秒。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，其特征在于：所述声束线绘制方式为扇扫时，声束线根据偏转角度的需要在不同角度绘制，起点为阵元中心点，所述声束线绘制，按下式计算入射工件的角度：

式中：

----楔块中声波的入射角度，单位为度；

----支管中声波所要求的折射角度，单位为度；

----楔块中纵波的声速，单位为米每秒；

----支管中横波的声速，单位为米每秒。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，其特征在于：所述声束线绘制，其声束反射线方向与入射线方向关于在支管内壁的反射点法线对称。

8.根据权利要求3所述的TKY管节点焊缝相控阵超声束覆盖方法，其特征在于： 所述预设值为10^-3—10^-1 mm。

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