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厚壁承壓無縫鋼管自動(dòng)超聲波探傷技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間：2021-04-29 08:49:48 丨 瀏覽次數(shù)：

厚壁無縫鋼管通常指壁厚與外徑之比(簡(jiǎn)稱厚徑比)大于0.2的無縫鋼管。承壓無縫鋼管是電力、鍋爐、化工、機(jī)械液壓等行業(yè)的重要用材。近些年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，厚壁承壓無縫鋼管的需求不斷增加。

    一直以來，承壓無縫鋼管的自動(dòng)化超聲波探傷主要局限在厚徑比小于0.2的薄壁鋼管的檢驗(yàn)。薄壁無縫鋼管的自動(dòng)超聲波探傷通常采用純橫波檢測(cè)，即超聲波以介于第一和第二臨界角之間的角度人射于被檢鋼管表面，在鋼管表面發(fā)生波形轉(zhuǎn)換而折射生成單一的橫波。在自動(dòng)探傷時(shí)，探頭圍繞鋼·管高速旋轉(zhuǎn)/鋼管直線前進(jìn)、或探頭固定/鋼管螺旋前進(jìn)，由此完成探頭對(duì)整個(gè)鋼管的掃查，實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)外表面和內(nèi)部缺陷的探測(cè)。然而，當(dāng)鋼管的厚徑比大于0.2時(shí)，由于折射橫波已不能投射到鋼管的內(nèi)表面，所以探測(cè)不到鋼管內(nèi)表面和近內(nèi)表面中的缺陷。

1厚壁鋼管超聲波探傷方法

    當(dāng)鋼管的厚徑比大于0.2時(shí)，需要采取縱、橫波混用的方法對(duì)鋼管進(jìn)行超聲波檢測(cè)。其方法是利用管內(nèi)的折射縱波檢測(cè)鋼管外壁缺陷，而利用管內(nèi)折射縱波在鋼管外壁上波形轉(zhuǎn)換后的反射橫波檢測(cè)鋼管內(nèi)壁缺陷，如圖1所示。

1.1聲波入射角的選定

    當(dāng)超聲縱波傾斜人射到鋼管表面時(shí)，聲波在鋼管界面上發(fā)生折射進(jìn)人鋼管管壁，折射波與人射波的方向符合幾何光學(xué)折射定律:

    折射縱波在鋼管管壁中傳輸探測(cè)管壁中缺陷;投射在鋼管外壁上可檢測(cè)鋼管外壁缺陷，如圖1所示。

    投射在鋼管外壁上的超聲縱波在鋼管外壁上發(fā)生反射和波形轉(zhuǎn)換，形成反射橫波。根據(jù)反射定律.

    反射橫波在鋼管管壁中傳輸探測(cè)管壁中缺陷;投射在鋼管內(nèi)壁上可檢測(cè)鋼管內(nèi)壁缺陷，如圖1所示。

    在使用該方法進(jìn)行厚壁鋼管的超聲波探傷時(shí)，超聲波的人射角度Q不能太大，當(dāng)超聲波的人射角度過大時(shí)，折射縱波在鋼管內(nèi)外壁處的反射橫波可能投射不到鋼管內(nèi)壁而無法探測(cè)鋼管內(nèi)壁缺陷同時(shí)，超聲波的人射角度。不能太小，當(dāng)超聲波的人射角度過小時(shí)，折射縱波會(huì)直接投射在鋼管內(nèi)壁上而無法探測(cè)到鋼管外壁缺陷。為了實(shí)現(xiàn)厚壁鋼管內(nèi)、外壁缺陷的同時(shí)檢出，聲波的人射角應(yīng)滿足下述關(guān)系:

1.2聲波傳播路徑的選定

    在了解了超聲波同時(shí)探測(cè)厚壁鋼管內(nèi)外表面的人射角范圍之后，應(yīng)該考慮選擇何種超聲波傳播路徑來獲得最佳檢測(cè)靈敏度.在選擇最佳聲波傳播路徑時(shí)，應(yīng)考慮如下一些因素:

    (D盡量高的超聲波人射強(qiáng)度。在采用縱波檢測(cè)厚壁鋼管外壁的超聲波探傷中，希望人射波的折射縱波成分盡量高，而折射橫波成分低，以避免同一缺陷由于多波模反射引起的誤判。從圖2所示的縱波人射水/鋼界面的情況可見，在人射角a=15^-270時(shí)，折射率TLS較大，鋼管中的折射橫波成分較高，應(yīng)盡量避開這一角度范圍。

    (2)管壁中盡量短的聲程損耗.在厚壁鋼管探傷時(shí)，通過水/鋼界面進(jìn)人管壁的超聲波可能需要傳播較長(zhǎng)的距離才能投射到鋼管外壁上或探測(cè)到缺陷。由于縱波的波長(zhǎng)較短，在鋼中的傳播衰減較快，會(huì)使檢測(cè)靈敏度下降.更由于人射縱波還肩負(fù)著傳遞至鋼管內(nèi)表面產(chǎn)生反射橫波的使命，而在鋼外壁處的反射和波形轉(zhuǎn)換還會(huì)帶來進(jìn)一步的能量損失，所以設(shè)法減小聲波的傳播損耗十分重要。在確保盡量高的超聲波人射強(qiáng)度前提下，盡量加大折射縱波的角度，可以使其在管壁中的傳播距離縮短。從而提高管內(nèi)外壁缺陷的檢測(cè)靈敏度。

    (3)管外壁處盡量強(qiáng)的反射橫波強(qiáng)度。當(dāng)人射于管壁中的縱波投射至鋼管外壁時(shí)，將產(chǎn)生反射縱波和反射橫波。在采用橫波檢測(cè)厚壁鋼管內(nèi)壁的超聲波探傷中，我們希望獲得較強(qiáng)的反射橫波成分，以加大鋼管內(nèi)壁處缺陷的檢測(cè)靈敏度?？疾靾D3所示的反射縱波和反射橫波聲壓的反射率曲線可知，縱波人射角aL=60^70°(在圖1中為此角度以9表示)時(shí)，橫波聲壓反射率較高，而縱波聲壓發(fā)射率最低，適合于厚壁鋼管的內(nèi)表面缺陷檢測(cè)。

    (4)聲波投射于缺陷的最佳角度。在承壓厚壁鋼管的超聲波檢測(cè)中，通常以鋼管內(nèi)外表面上的人工軸向槽傷作為校準(zhǔn)和考核的對(duì)象.鋼管內(nèi)外壁上軸向槽傷的超聲波探測(cè)類似于在工件的兩個(gè)平面構(gòu)成的直角內(nèi)的反射。在用折射縱波檢測(cè)鋼管外壁槽傷時(shí)，由于縱波在管壁和槽傷組成的直角邊上兩次反射會(huì)分離出很強(qiáng)的橫波而不能從人射方向返回，所以縱波在很大范圍內(nèi)的缺陷反射率較低，如圖4所示。在用反射橫波檢測(cè)鋼管內(nèi)壁槽傷時(shí)，考察傾斜投射于鋼管內(nèi)壁和槽傷組成的直角邊上的橫波(圖5)，選擇。s=35^-55°入射角，聲波的反射率最高，可以獲得較好的管內(nèi)表面缺陷檢測(cè)靈敏度。

    在厚壁無縫鋼管的超聲波檢測(cè)中，最佳聲波傳播路徑的選擇比較復(fù)雜，需要考慮的因素較多。只有綜合考慮和權(quán)衡各因素的影響，選擇一個(gè)能兼顧管內(nèi)外壁檢測(cè)的路徑方案，才能獲得好的檢測(cè)結(jié)果。

2鋼管自動(dòng)超聲波探傷的掃查設(shè)計(jì)

    鋼管在進(jìn)行自動(dòng)超聲波探傷時(shí)，探頭相對(duì)于鋼管作螺旋掃描運(yùn)動(dòng)。為了保證超聲波探傷不漏檢，自動(dòng)探傷中掃查螺距的設(shè)定十分重要.設(shè)L為缺陷長(zhǎng)度，b為聲束在鋼管軸線上的有效寬度(可簡(jiǎn)化認(rèn)為探頭寬度).當(dāng)L》b時(shí)，超聲波探傷的最大掃查螺距為:

    例如，鋼管超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)GB/T5777規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)人工槽傷的長(zhǎng)度為20^-40 mm，它一般大于探頭的寬度，此時(shí)應(yīng)按照(5)式給出的螺距對(duì)鋼管進(jìn)行掃描檢查.在實(shí)際探傷中，缺陷的尺寸往往較小.當(dāng)L時(shí)，則超聲波探傷的最大掃查螺距為:

    為了滿足冶金企業(yè)大批量鋼管檢驗(yàn)的需要，鋼管的自動(dòng)化超聲波探傷一般采用多通道進(jìn)行.如果在一個(gè)鋼管自動(dòng)超聲波探傷設(shè)備中使用k個(gè)超聲波探頭，探頭相對(duì)于鋼管的轉(zhuǎn)速為n，則鋼管的自動(dòng)化檢測(cè)速度為:

    上式表明，要實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)化探傷，對(duì)于短缺陷(如夾雜等)應(yīng)選用寬度盡量大的超聲波探頭;而對(duì)于長(zhǎng)缺陷(如標(biāo)準(zhǔn)人工槽傷)應(yīng)選用寬度盡量小的超聲波探頭。

3厚壁鋼管自動(dòng)超聲探傷實(shí)驗(yàn)

    厚壁鋼管在進(jìn)行超聲波探傷時(shí)，由于聲波在管壁中傳播路程較長(zhǎng)，所以需要盡量加大超聲波的發(fā)射功率。

    提高回波信號(hào)的信噪比是實(shí)現(xiàn)厚壁鋼管超聲波探傷的另一重要措施。只有當(dāng)具有較高的信噪比時(shí)，才能大幅度提高儀器放大電路的增益，實(shí)現(xiàn)小缺陷的檢出。提高信噪比的途徑除需加大超聲波發(fā)射功率外，還要盡量減小信號(hào)中的噪聲水平.在冶金企業(yè)的鋼管自動(dòng)超聲波探傷中，檢測(cè)噪聲除了來自鋼管本身外，還可能有探傷設(shè)備中變頻調(diào)速裝置的電磁輻射干擾，車間中電網(wǎng)的波動(dòng)、天車的運(yùn)行、電焊機(jī)的焊接，以及熱處理爐、切管機(jī)、矯直機(jī)和磨床等大功耗設(shè)備的啟動(dòng)干擾等。這些干擾同屬于電磁干擾。自動(dòng)超聲探傷設(shè)備需要采取屏蔽、接地、隔離和濾波等措施抑制這些電磁干擾，最大限度地提高信噪比。

    在正確選用探傷方法和采取一系列諸如加大發(fā)射功率、提高信噪比的措施后，對(duì)于厚壁無縫鋼管的超聲波探傷獲得了很好的檢測(cè)效果，如圖6所示。目前，對(duì)于厚徑比達(dá)到0.28,壁厚為180 mm的承壓無縫鋼管的超聲波檢測(cè)可以達(dá)到:信噪比＞2 dB,管內(nèi)外壁靈敏度差≤4 dB，周向靈敏度波動(dòng)≤2 dB,系統(tǒng)穩(wěn)定性(波動(dòng)值)≤1dB。這些指標(biāo)完全滿足YB/T4082-2000規(guī)定的對(duì)無縫鋼管超聲波探傷的要求。

4結(jié)語

    在冶金鋼管生產(chǎn)企業(yè)中，承壓無縫鋼管的生產(chǎn)制造以每天數(shù)百噸計(jì)。如何實(shí)現(xiàn)厚壁無縫鋼管的快速自動(dòng)化超聲波探傷，確保承壓鋼管的產(chǎn)品質(zhì)量，為冶金無損檢測(cè)專業(yè)提出新的課題.由鋼鐵研究總院研制的厚壁承壓無縫鋼管自動(dòng)超聲波探傷方法和設(shè)備成功地解決了這一難題，并將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于以北方重工鑄鍛有限公司為代表的一批鋼管生產(chǎn)企業(yè).這些企業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐表明，該厚壁鋼管的超聲波檢驗(yàn)方法和設(shè)備的探傷靈敏度高、可靠性好，完全滿足鋼管產(chǎn)品檢驗(yàn)的需要。