Optimization of pipe calibration block based on ASME V
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摘要:
通过结合ASME V 第4章中关于超声波检测对于管状校准试块的技术要求,介绍了一种基于ASME V的管状校准试块的优化,主要优化了管状校准试块的样式、管径及其加工、试块厚度、反射体、长度、端头型式等参数,优化设计后能够减少试块的数量和质量,利于携带,对工程实践应用有一定的实用价值。
Abstract:Combined with the relevant technical requirements of ASME Varticle 4 for pipe calibration blocks, this paper optimized the pipe calibration block’s pattern, diameter and fabrication, block thickness selection, reflector selection, end edge type and other parameters, and the optimized designed calibration pipe block can reduce the number and weight of the calibration block, which was conducive to carrying and had a certain practical value.
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ASME BPVC第V卷（以下简称规范）第4章指出对于检测面直径小于等于500 mm的工件,超声检测时需要使用曲面校准试块,在第T434节详细规定了管状校准试块的样式、材料、管径覆盖、反射体形状和尺寸等参数,其图T-434.3-1和图T-434.3-2列举了两种常见管状校准试块的样式。如果仅按照规范ASME BPVC 第V卷第4章所允许的下限参数进行试块尺寸设计和制作而不加以改进和优化,极有可能给加工的试块带来以下几个问题。
（1）试块同时包含了轴向和周向反射体,试块的长度和宽度都较大,而在实际生产中仅利用了一小部分,利用率不高。
（2）当试块厚度较大时,为了满足超声波探头大角度二次声程覆盖的DAC（距离波幅曲线）或TCG（距离增益补偿曲线）校准要求,试块在纵向和环向两个方向的尺寸会很大,导致试块质量成倍增加,不利于搬运和携带。
（3）试块端头与表面槽或近表面孔的距离较小,其反射回波会影响PAUT（相控阵超声检测）的TCG校准。在PAUT的TCG校准中,仪器闸门通过自动搜索某一深度范围内的最高波幅来确定增益参考点。端头回波深度与试块表面槽或近表面孔的回波深度非常相近,且端头回波高度一般高于反射体回波高度,导致参考点选择出现错误,进而造成TCG校准错误[1]。当为了避免两者回波发生混淆而增加端头与反射体的水平距离时,试块的长度和质量必然会过大。
（4）单一试块所覆盖的厚度范围过小,如果要满足管径为24~500 mm、厚度为6~50 mm的检验需求,最少需要16块试块才能覆盖整个范围的校准要求,加工试块数量过多,增加加工费用。
根据以上问题,笔者结合规范相关技术要求和相关的实践经验,优化设计出一种同时适用于手工UT（超声检测）和PAUT的管状校准试块,该试块既能满足规范的管状校准试块要求,同时也能控制试块的数量、减少单个试块的质量和总的加工费用。
1. 试块样式的优化
规范第T434节在图T-434.3-1和图T-434.3-2中提供了两种常见试块样式,该样式包含了轴向和周向的刻槽和侧钻孔两种反射体,其简要结构示意如图1所示。此种试块样式虽然能够同时满足管环缝和管纵缝的检验校准要求,但有效利用部分仅为包含反射体的一小部分,有效面积利用率低（红色线框部分）。并且,该样式试块的体积大、质量大,不利于搬运和携带。
在实际检验中,通常轴向反射体应用于管环缝的超声检验,周向反射体应用于管纵缝的超声检验。如果将管径相同厚度不同的单体环缝校准试块组合在一起,即可形成同管径多厚度的环缝校准试块,其结构示意如图2所示。以此类推,将管径相同厚度不同的纵缝校准试块组合在一起,即可形成同管径多厚度的纵缝校准试块,其结构示意如图3所示。
此种多厚度纵缝或环缝组合校准试块在厚度设计得当的情况下,所覆盖的厚度范围将大大增加。甚至在某些管径和厚度上仅需2块试块即可起到原先4块试块的作用,同时大大减小体积和质量。
2. 试块管径的优化
规范T-434.1.7.2指出单个曲面校准试块能够应用于0.9至1.5倍的校准试块直径范围内的工件校准,按照图T434.1.7.2所示,理论上只需要26,43,72,120,200,333 mm 6个管外径即可覆盖500 mm管外径以内的管径范围。通过查询ASME B36.10M《焊接和无缝锻造钢管》和ASME B36.19M 《不锈钢管》 可知,ASME V规范选用的这几个规格并不是常用的标准管径规格。在试块制作过程中有两个途径可以选择,一是将合适大小的方胚加工成所需管径,如图4所示；二是选择与这些尺寸接近的标准管径规格,即26.7,48.3,73.0,114.3,219.1,355.6 mm 6个标准管径规格,两种选择方式的管径覆盖范围如表1所示。
Table 1. 不同加工方法的管径覆盖范围试块名称 标准管加工 方胚加工 试块管径 覆盖下限 覆盖上限 试块管径 覆盖下限 覆盖上限 试块1 355.6 320.0 533.4 333.3 300.0 500.0 试块2 219.3 197.4 328.9 200.0 180.0 300.0 试块3 114.3 102.9 171.5 120.0 108.0 180.0 试块4 73.0 65.7 109.5 72.0 65.0 108.0 试块5 48.3 43.5 72.5 43.0 39.0 65.0 试块6 26.7 24.0 40.0 26.0 23.4 39.0 由表1可知,方胚加工方式能够完全满足管径覆盖的要求,每个试块之间完全契合,但其需要将方胚加工成对应管径,工作量大,加工费用较高。第二种选用成品标准管径进行加工,其也能满足管径为24~500 mm的要求,但管径之间的覆盖并非完全契合,导致在部分覆盖管径尺寸上出现缺失,例如试块2与试块3之间的管径171.5 mm至197.4 mm、试块5和试块6之间的管径40.0 mm至43.5 mm。然而,缺失的此范围内并无标准管径,正常情况下并不影响其使用,如果有这部分管径的检验需要,应选择方胚加工方式。
3. 试块厚度的优化
规范第T434.3节指出试块的厚度必须处在被检工件厚度的±25%,即当一个工件的厚度为T,其所能使用的校准试块厚度上限为1.25T,下限为0.75T,其示例如图5所示。
而当根据试块厚度计算其所能覆盖的工件厚度范围时,并不能简单地按照试块厚度的±25%来计算,需要通过以下的换算得出其覆盖范围。例如某试块厚度为T,假设其所能适用的最小工件厚度为Tmin,所能适用的工件最大试块厚度为Tmax,即：Tmax×0.75=T,Tmin×1.25=T,即,Tmax=4/3T,Tmin=0.8T。
因此一个厚度为T的校准试块,其能覆盖的工件厚度范围为0.8T至4/3T,其示例如图6所示。
为了保证设计的试块能够满足实际生产中管径覆盖范围内的厚度覆盖要求,不仅需根据ASME B36.10和ASME V B36.19查找出每个试块管径覆盖范围内的最大和最小厚度,同时还需选择所需的覆盖厚度范围。例如管径为355.6 mm校准试块覆盖的管径为320.0~533.0 mm,其厚度为6.4~63.5 mm。在实际生产中一般很少生产和使用厚度规格为Sch160以上的厚度,因此仅需计算厚度为6.4~50.0 mm内所需的试块即可,理想情况下其试块厚度分布如表2所示(D为所需侧钻孔的深度)。
Table 2. 管径为355.6 mm的校准试块厚度分布试块编号 校准试块外径 曲率覆盖下限（0.9D） 曲率覆盖上限（1.5D） 单体试块厚度 覆盖厚度下限 覆盖厚度上限 试块1 355.6 320 533 37.5 30.0 50.0 22.5 18.0 30.0 13.5 10.8 18.0 8.0 6.4 10.7 通过查询ASME B36.10可知,355.6 mm常用的Sch160标准管厚度为35.7 mm,而该试块管径覆盖范围内的最大厚度为50.0 mm,所需的试块厚度最小为37.5 mm。在此情况下,该厚度不能满足其范围内所有厚度覆盖的要求,但可以通过使用与管材相适应的焊材对管内壁堆焊至所需的厚度,并确保堆焊层的声学性能与母材相同或相近,再进行该试块加工即可。
4. 试块反射体的优化
规范图T-434.3-2中指出侧钻孔和刻槽都可用于管状试块的校准反射体,同时该图指出,刻槽是一个可选项。考虑到侧钻孔反射与声束入射角度无关,有利于手工UT的DAC调校和PAUT的TCG曲线调校,因此优先选用侧钻孔作为试块的反射体。如果实际检验中有评价表面反射体的需求时,还应同时加工刻槽反射体。
当选用使用侧钻孔作为环缝校准试块反射体时,还应注意其会给小管径的管状试块加工带来问题。规范图T-434.3-2注释（2）指出,侧钻孔的孔径和长度应与规范T-434.2.1条款保持一致,该条款图T-434.2.1注释（a）要求侧钻孔长度不能小于38 mm。而小径管的壁厚一般都比较小,曲率大,很容易出现加工的侧钻孔长度不足的情况。可按公式（1）计算所选择的试块及钻孔深度能否满足最小长度要求。小径管横孔长度验证模拟示意如图7所示。
(1) 式中：R为试块的半径；L为所需侧钻孔的长度的一半。
当计算的L小于19 mm时,即所加工的侧钻孔不能满足规范要求时,此时应使用刻槽反射体。
按照规范图T434.3-2备注（2）的要求,当选择侧钻孔作为管状校准试块反射体时,应在切向侧钻孔长度方向一半的位置确认反射体是否处在1/4T,1/2T,3/4T的位置,当试块厚度不允许时,应在试块表面标识出所需侧钻孔的深度和切向位置,如图8所示。
5. 试块长度和弧度的优化
规范图T434.3-2指出试块的长度或弧度必须满足探头角度校准的需求,理论上,试块的最小长度或弧度主要需考虑以下3个参数：① 所用探头最大角度θmax和最大反射波次数的水平距离或弧度La；② 反射体距离试块边缘的最小长度Le；③ 探头在试块表面上自由活动的所需最小距离Lp。试块的最小长度或弧度也可以表达为：Lmin=La+Le+Lp。环缝校准试块的长度计算如图9所示。其中主要需考虑的是探头在工件上所使用的最大角度θmax以及反射波次数N,其通常受被检工件厚度、材料衰减等因素影响。
为了简化该运算可以将该长度用以下公式表达
(2) 对于纵缝校准试块的弧度计算,如图10所示。由于曲率的影响,管径较小时,应要考虑探头所能用的最大角度,可以使用公式(3)确认其所使用的最大角度θmax能否满足根部扫查需求。
(3) 并可以通过以下的公式计算极限状态下的最大弧度La。
(4) 在实际生产中,通常小管径管一般多采用无缝钢管,很少采用卷制纵缝焊接而成,因此114 mm以下管径的纵缝试块使用率极低,可以选择不加工该管径以下的试块。
6. 试块端头的优化
规范图T434.2.1指出孔反射体距离边缘的最小距离为13 mm或T（取大值）,槽距离相邻反射体或边缘的最小距离为38 mm或T（取大值）。由于端角产生的反射会对TCG产生干扰[2-3],故将试块端头加工成斜面型,而非正常的直面型,能够消除端角反射带来的影响。一般控制其倾斜的角度为10°~20°,也可以通过相关声束模拟软件或现场实际测量所需的最佳倾斜角度,其3D视图如图11所示。由于斜面能大大消除端角反射,即使在反射体距离端头的距离较小的情况下,也不会出现强烈的端角反射而干扰TCG的制作,故无需特意加长反射体距离端角的长度。
7. 结语
文章通过结合规范要求和现场实际使用需求,优化了管状校准试块的样式、管径、厚度、反射体、长度、端头等技术参数,使其能够满足纵缝和环缝的实际超声检验校准要求,优化前后的试块参数对比如表3所示,优化后的试块3D视图如图12所示。
Table 3. 优化前后的试块参数对比参数 优化前 优化后 纵缝覆盖范围/mm 26~500 114~500 环缝覆盖范围/mm 26~500 24~500 厚度范围/mm 6~50 6~50 试块总数量/块 16 9 试块总质量/kg 260 49 通过表3和图12可知,优化后的试块对管径114 mm以下的纵缝虽然没有覆盖,但该范围很少使用,因此不影响其正常使用；同时可将试块数量从16块减少至9块,节省了试块加工费用；并将单个试块质量大大减小,利于携带；试块整体质量可从260 kg减小至49 kg,利于存储。
综上所述,该优化后的试块能够满足ASME V 第4章的生产需求,同时能够减少试块数量、加工费用与质量,且利于存储,对工程实践有一定的实用价值。
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Table 1 不同加工方法的管径覆盖范围
试块名称 标准管加工 方胚加工 试块管径 覆盖下限 覆盖上限 试块管径 覆盖下限 覆盖上限 试块1 355.6 320.0 533.4 333.3 300.0 500.0 试块2 219.3 197.4 328.9 200.0 180.0 300.0 试块3 114.3 102.9 171.5 120.0 108.0 180.0 试块4 73.0 65.7 109.5 72.0 65.0 108.0 试块5 48.3 43.5 72.5 43.0 39.0 65.0 试块6 26.7 24.0 40.0 26.0 23.4 39.0 
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Table 2 管径为355.6 mm的校准试块厚度分布
试块编号 校准试块外径 曲率覆盖下限（0.9D） 曲率覆盖上限（1.5D） 单体试块厚度 覆盖厚度下限 覆盖厚度上限 试块1 355.6 320 533 37.5 30.0 50.0 22.5 18.0 30.0 13.5 10.8 18.0 8.0 6.4 10.7
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Table 3 优化前后的试块参数对比
参数 优化前 优化后 纵缝覆盖范围/mm 26~500 114~500 环缝覆盖范围/mm 26~500 24~500 厚度范围/mm 6~50 6~50 试块总数量/块 16 9 试块总质量/kg 260 49
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[1] 刘贵吉,张国东,魏立,等 ．关于ASME锅炉与压力容器规范中管状校准试块设计的讨论[J]．无损检测,2018,40(9)：76-78. [2] 丁兵,金磊 ．超声相控阵检测用试块及其应用[J]．无损检测,2017,39(8)：57-62. [3] 李鹏频 ．海洋工程超声波检验新型API试块的设计[J]．无损检测,2020,42(2)：69-73.
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