试验研究
DOI：10.11973/wsjc202103009
杨育伟，梁楠，朱稳
(西安特种设备检验检测院，西安710065)
摘要：讨论了在T型接头TOFD检测时如何建立模拟等腰三角形，以适应仪器内置的深度定位计算程序。介绍了显示深度与实际深度的修正计算方法，并通过计算显示深度测量值与计算值的误差，验证了上述计算方法的准确性。最后•通过对T型接头试块检测结果的分析，探讨了T 型接头翼板未熔合、腹板未熔合及角焊缝内缺陷的评判规律。
关键词：T型接头；TOFD检测；深度定位计算；模拟等腰三角形；显示深度；实际深度
中图分类号：TG115.28文献标志码：A 文章编号:1000-6656(2021)03-0040-06
Calculation and evaluation of defect depth location in T-joint TOFD detection
YANG Yuwei.LIANG Nan,ZHU Wen
(Xi'an Special Equipment Inspection Institute,Xi'an710065,China)
Abstract:This paper firstly discussed how to establish simulated isosceles triangle in TOFD testing of T-joint to adapt to the default calculation program of depth location.Then,we introduced the modified calculation method between the measured depth and the actual depth,and verified the correctness of the above calculation method by calculating the error between the measured depth and the calculated value.Lastly,the rules of evaluating the defects,such as incomplete fusion in flange slab and web as well as defects in fillet weld on the T-joint were discussed through the analysis of the test results of T-joint.
Key words：T-joint；T()FD detection；depth location calculation；simulated isosceles triangle；measured depth；
actual depth
标准NB/T47013.10-2015适用于等厚平板对接接头的TOFD检测，而不适用于T型接头的T()FD检测。
等厚平板对接接头T()FD检测时探头间距等于直通波声程，深度定位计算的实质是计算以直通波声程为底边与以衍射波半声程为斜边的等腰三角形底边的高。但T型接头除翼板下表面中心点之外.其他焊缝位置的衍射波路径与直通波路径所形成的都是非等腰三角形，与等厚平板对接接头的计算不同，故需对该种型式接头T()FD检测时的深度计算方法进行研究，以满足实际检测丁作需要。
收稿日期:2020-0&13
作者简介：杨育伟(1961-).男，本科.正高级工程师.从事特种设备检验、无损检测工作
通信作者：杨育伟，
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无损检测
黄辉等⑴采用CIVA软件对不等厚平板对接接头的TOFD检测进行仿真模拟.分析了不等厚平板对接接头表面肓区的大小和埋藏缺陷的模拟检测能力，却未讨论T型接头的TOFD检测能力和解决埋藏缺陷深度定位计算的问题。齐向前等凶介绍了对翼板不受结构条件限制的T型接头进行TOFD检测时.探头中心
距(Pcs)设置及探头参数的选择，针对声束对T型接头覆盖问题制定了相应检测工艺，但未讨论解决T型接头TOFD检测的显示深度与实际深度的差异。笔者讨论了T型接头TOFD检测时探头布置及埋藏缺陷的显示深度与实际深度的差异问题，解决了其埋藏缺陷定位的问题。
1T型接头结构及缺陷分析
在承压设备中，T 型接头多用于平封头与受压
杨育伟，等：
T 型接头TOFI ）检测时缺陷深度的定位计算与评判
Nfffl
元件的连接.根据标准GB 150.3-2011.其常用结
构如图1所示。图1 T 型接头结构示意
由图1可知，T 型接头可能存在的焊接缺陷包
括翼板下表面处的未熔合（简称翼板未熔合）和
腹板坡口 fc.gc 处的未熔合（简称腹板未熔合）以 及接头角焊缝（简称角焊缝）中的内部缺陷（如缺陷
j ）o 对T 型接头而言，翼板未熔合和腹板未熔合是
危害性最大的缺陷.检测时应重点关注。所以T 型 接头翼板未熔合和腹板未熔合缺陷埋藏深度的检测
和定位是TOFD 检测应解决的主要问题。
2 T 型接头TOI D 检测深度定位计算
T 型接头TOFD 检测非平行扫查探头布置如
图2所示，其布置方式为发射探头与接收探头均置
于翼板上表面，分别位于角焊缝外边缘延长线与翼 板上表面的交点a 』处.并对称于接头中心线（简 称中心线）。即探头某一角度为s 的声束与角焊缝
外边缘线df 、ge 相切.以确保声束对角焊缝的全覆
盖。两探头某一角度为s 的声束交点位于接头中 心线上O 点。图中探头a 为发射探头，探头"为接 收
探头，直通波沿翼板上表面路径ab 传播。
比=/+2p ”+KJtan0
I
t+2K
路径所形成的非等腰三角形分别为处,b 、af\b 和
a 八九 显然，上述3个三角形均与仪器按探头中心
距（P 「s ）所默认的等腰三角形不同，故仪器预置的 深度定位计算程序无法适用于T 型接头。因此.须 对探头布置、图谱测量的显示深度与实际深度的修
独角架正计算等问题做相应的处理。
经翼板未熔合C 点、腹板未熔合八点及角焊
缝内部缺陷八点衍射波的传播路径不同，因此对这
署种情况需分别讨论。
2.1翼板未熔合
2.1.1 探头布置、探头间距以及直通波声程
如图2所示.T 型接头翼板母材厚度为腹板 母材厚度为r 。P<s 设置如上节所述，经修正计算.
Pcs + 2（Z… + K j ）tan /?
（1）
式中：K|为腹板焊脚尺寸;0为线段与法线方向 的夹角。
2.1.2模拟衍射点、模拟路径声程、模拟等腰三角
形及模拟深度的计算
翼板未熔合模拟深度计算原理如图3所示，翼
板下表面.点距中心线的距离为兀经.点的衍 射波路径为ac#，其声程L = Li +G =曲+ （S - 乂）2严+上+ （S+_r ）2严。在中心线上可确定一
点c'.使路径ac'b 与路径ac#的声程相等。c'点称 为模拟衍射点，经模拟衍射点的路径ac'h 称之为模 拟路径，其声程L' = L\+L ，2=2（h ，2 + S 2）l/2称之
为模拟路径声程。模拟路径声程等于实际路径声
程，即L=L'O 模拟衍射点c'与翼板上表面之间的 距离力'称之为模拟深度。以直通波声程为底
边，模拟路径ac'b 半声程为斜边的等腰三角形必7 称之为模拟等腰三角形.模拟深度人‘即模拟等腰三
匚且 N6mm
仿古建筑
SRRPcs
K=1Z3/”且 N6 mm
图2 T 型接头TOFD 检测非平行扫查探头布置示意
直通波的传播路径与经翼板未熔合C 点、腹板
未熔合八点及角焊缝内部缺陷八点衍射波的传播
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杨育伟，等：
T型接头TOFI)检测时缺陷深度的定位计算与评判NffiH
2.1.3显示深度及实际深度的修正计算
如图3所示.模拟等腰三角形ac'/，与实际等腰三角形ac2底边相同.均为探头中心距.且等于直通波声程，即F(S=L,>.则直通波传播时间
(V/.为声速)。模拟路径声程等于实际路径声程.则模拟路径传播时间等于实际路径传播时间，即/= r o所以.模拟路径与直通波的时间差等于实际路径与直通波时间差，即
仪器设置时输入探头间距P CS=L(1，当测得经ci点的衍射波与直通波的时间差Ar时，可计算c，点的显示深度A t lg=+[ArV/.(2L n+ArV;.)丁''。
同样，当测得经c'点的模拟衍射波与直通波的时间差△「'时，可计算c'点的模拟深度V.
C2L0+Ar'V,.)]12O由前述可知.Ar z=Ar，则hw=办'•所以把模拟等腰=角形作为默认等腰三角形，并计算其底边高度所得到的模拟深度力’即.点的显示深度h(la(以下均称显示深度力')。
由前述知，模拟路径声程等于实际路径声程.则可得
[_t…2+(S—乂)2]也十庄”2+(S+.r)2]1/2=
2(//2+S2)1'2(2) =j-)2]12+[/…z+
(S+^)2],2}2-S2}12(3)
式中:S为1/2探头中心距山为缺陷距中心线实际距离。
翼板未熔合的实际深度均为翼板母材厚度，但距中心线不同位置处的翼板未熔合的显示深度不同.所以对T型接头进行检测时，输入Pcs，检测后在图谱上测量出某点的显示深度"'，按式(2)即可计算出该点距中心线的实际位置乂。或已知某点距中心线的实际距离，按式(3)即可计算出该点的显示深度办'并同时给出显示深度力'的计算值与测量值。
2.2腹板未熔合
以相同方式布置探头,P gs+2(r”+K t)tan0，直通波声程L…=P CSo以类似方式设定模拟等腰三角形，模拟路径声程等于实际路径声程。
腹板未熔合深度计算原理如图4所示，腹板坡口fx点距T型接头翼板下表面的距离为y，经九点的衍射波路径为其声程
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(t”
2-11/2
+
(4)
sy
全热交换机12
L=L|+L,=
2-
(r,,+"+(S+备)」
Pc$m+2('”+Ki)tan0
L q=P cs
I t+2K
s
-g/tg。
K=1/3©且N6mm
S-y/tgO.
1/3—且$6mm
A
r~\
图4腹板未熔合深度计算原理示意
(,”+川+S—
tge
按前述原则建立模拟等腰二角形模拟路径声程==2(/+32)^，可得
2-11/2
+
/\2~|1/2
(r”+y)2+S+出=2(//2+S2)1/2
\tg0丿」
(5)
「/v\2-11/2\2)1/2
W'+(s+祐)])_S J(6) 2.3角焊缝内缺陷
探头布置同前,P cs=r+2(z…+K1)tg J3，直通波声程L n—Pcs。
如图5所示.角焊缝内缺陷八点距T型接头翼板下表面的距离为y，设距中心线的距离为"2。经八点的衍射波路径为小其声程
-21/2
+L2=(r”+y)，+(S—■)+
按前述原则建立模拟等腰二角形“％•则模拟路径声程L'=L\+L'2=2(h，2+S2y2，可得
「//\'I山
川+(s—专)J+
(r…+>)2+(S+*厂-=2(/i，2+S2)1/2
(8)
杨育伟，等：
T 型接头TOFI)检测时缺陷深度的定位计算与评判
// =
(鶴 +，)
2 + (s — 2
2-11/2
+
1/2 \ 2
-S 21/2
(9)
(/”+》)，
+ (s +》
Pc$=t+2(/”+Ki )tan0
Lo=Pcs
| t+2K
SMPcs
S
1/3右且 26 mm
K=l/3©且 26
图5角焊缝内缺陷深度计算原理示意
Nlffl
上述缺陷深度计算时，角焊缝中缺陷八的水
平位置设定为距接头中心线左侧"2处，当然缺陷
也会在角焊缝内水平方向其他位置处岀现，所以
发现缺陷后还需采用超声直探头或斜探头进行准 确定位。
3实测验证
为验证上述计算的正确性，设置内含不同位置
不同尺寸缺陷的T 型接头试块，该试块上翼板下表 面中心槽、翼板下表面左右侧不同位置° 2 mm 孔、
腹板左右侧坡口不同位置</> 2 mm 孔和角焊缝内
0 4 mm 孔人工缺陷进行TOFD 检测，将显示深度
的测量值与计算值进行比较，并计算其误差。
仪器型号为INSONIC 2005；探头频率为5 MHz ； 晶片尺寸为</> 3 mm ；探头角度为45°。
T 型接头试块结构如图6所示。
石棉布规格(b)左视图
(a)主视图图6 T 型接头试块结构示意
探头布置方式与图2相同，Pcs=85 mm，仪器
中输入P°s=85 mm，上述各人工缺陷检测结果如表1〜4所示。
P<”=“2(S+A\)tan0
S=\/2Pg
S
3.1翼板下表面中心槽的显示深度计算值与测量值
如图6所示，翼板下表面宽2 mm 中心槽的实 际深度为30 mm，如图7所示，其超声波传播路径
为ac 2c 3b，显示深度计算值为30.3 mm ；其显示深度 计算值与测量值如表1所示。
表1翼板下表面中心槽及0 2 mm 孔上端点实际
深度、显示深度计算值与测量值
mm
K=l/3t ”且 $6 mm
0 2孔距中
心线距离
实际深度
显示深度计算值
显示深度测量值
误差/%
0中心槽
30.030.330.9 1.9
左530.0
30.1
30.7 1.8
右530.030.129.8
-1.1左20
30.032.3
32.9 1.7右2030.032.332.6
0.8
无边界网络左27
30.033.2
33.7 1.5右2730.0
33.2
33.1
-0.2
-K=i/3r… rn
图7 T 型接头中心槽超声波传播路径示意
3.2翼板下表面左右侧</> 2 mm 孔上端点的显示
深度计算值与测量值
如图6所示，翼板下表面左右侧申2 mm 孔距 中心线的距离分别为5,20,27 mm.翼板下表面宽
2 mm 中心槽及左右侧</> 2 mm 孔上端点的显示深
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杨育伟，等：
T型接头1（）F1）检测时缺陷深度的定位计算与评判
度计算值与测量值如表1所示。
3.3腹板左、右侧坡口<p2mm孔上、下端点的显
示深度计算值与测量值
腹板左、右侧坡口/2mm孔位置如图6所示.其上端点和下端点的显示深度计算值与测量值分别
如表2和表3所示。
表2腹板左侧坡口</>2mm孔上下端点实际深度、显示深度计算值与测量值mm
02孔距翼板下表面位置实际深度
显示深度计
算值
显示深度测
量值
误差/
%
5上端点34.035.135.5 1.1
5下端点36.037.237.7 1.3
10上端点39.040.439.6-2.1
10下端点41.042.641.8-1.9
15上端点44.045.946.20.6
15下端点46.04&24&7 1.0
20上端点49.051.750.8-1.7
20下端点51.054.053.8-0.3
表3腹板右侧坡口</>2mm孔上下端点实际深度、显示深度计算值与测量值mm
02孔距翼板下表面位置实际深度
显示深度计
算值
显示深度测
量值
误差/
%
5上端点34.035.135.40.8
5下端点36.037.237.6 1.1
10上端点39.040.439.7-1.8
水控系统
10下端点41.042.642.60.0
15上端点44.045,945.7—0.5
15下端点46.04&24&30.2
20上端点49.051.752.10.9
20下端点51.054.054.30.6
3.4角焊缝中左右侧</>4mm孔上、下端点的显示
深度计算值与测量值
如图6所示.角焊缝中左右侧04mm孔距中心线的距离为20mm.距翼板下表面的距离为10mm.其上端点、下端点的实际深度、显示深度计算值与测量值如表4所示。
表4角焊缝中左、右侧04mm孔上下端点实际深度、显示深度计算值与测量值mm 04孔距翼板
下表面位置
实际深度
显示深度计
算值
显示深度测
量值
误差/
%
左10上端点3&039.439.70.7
左10下端点42.045.446.1 1.5
右10上端点3&039.439.9 1.2
右10下端点42.045.446.0 1.3
3.5显示深度计算值与测量值误差
从表1〜4可以看出，翼板下表面宽2mm中心槽及左右侧02mm孔上端点.腹板左右侧坡口02 mm孔上、下端点，角焊缝中左右侧04mm孔匕、下端点的显示深度测量值与计算值最大偏差分别为1.9%、一2.1%、一1.8%、1.5%。考虑到探头间距偏差、扫查轨迹偏差等因素，可以认为上述验证结果是准确的.按前述公式的计算结果是正确的。
4I型接头试块IOFD检测结果分析及缺陷评判
某T型接头翼板厚度为30mm.腹板厚度为40mm.腹板坡口角度0为50°，翼板处角焊缝单侧宽度K为10m
m.腹板处角焊缝高度为23.8 mm（见图1）.则翼板未熔合区域单侧宽度为中心线左右各0〜30mm，腹板未熔合区域高度为翼板下0〜23.8mm。因T型接头左右对称.以下仅讨论单侧（左侧）的情况。
4.1翼板未熔合
翼板未熔合的实际深度为30mm.按式（3）可计算出距中心线每间隔1mm处翼板未熔合的显示深度（见表5）。
mm
表5翼板下表面距中心线（）〜3（）mm处未熔合显示深度计算值
距中心线距离
0123456789显示深度计算值3030303030.130.130.230.330.430.5距中心线距离10111213141516171819显示深度计算值30.630.730.831.031.131.331.531.731.932.1距中心线距离21222324252627282930显示深度计算值32.632.933.232.532.732.933.233.433.734.0
从表5可知，距中心线0〜30mm范围内翼板未熔合的显示深度范围为30〜34mm o实际检测时，对显示深度在该范围内的缺陷可初步判断为翼板下表面未熔合•并可根据显示深度对应的距中心线的距离来确定该缺陷的水平位置，然后通过TOFD检测平行扫查或使用超声波直探头或斜探
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