鋼管管端坡口面橫縱波專用探頭（LS型）設(shè)計與應(yīng)用

汪 超，張志明，王慶雷

（1.渤海裝備巨龍鋼管南京公司，南京 210061；2.渤海石油裝備制造有限公司 輸送裝備部，河北 青縣062650）

0 前 言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對鋼管產(chǎn)品的需求越來越多，同時對其質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格。在鋼管的生產(chǎn)過程中，為了控制鋼管質(zhì)量，鋼管無損檢驗標(biāo)準(zhǔn)要求對鋼管管端坡口面進(jìn)行檢測，同時還要求每根鋼管管端端面應(yīng)采用專用超聲波、滲透或磁粉法檢查是否存在延伸到管端面的分層和裂紋缺陷。

鋼管管端坡口面是由鈍邊和坡口組成，在利用常規(guī)的單晶K1斜探頭加上工裝的檢測過程中，探頭在鋼管內(nèi)表面沿著圓周方向進(jìn)行掃查，這樣對鋼管坡口面上的裂紋（線性缺陷）、夾渣（夾雜）都有很高的檢測靈敏度，很容易發(fā)現(xiàn)該類缺陷，但卻很難發(fā)現(xiàn)管端坡口面上的母材分層缺陷。因此，對鋼管管端坡口面超聲波檢測進(jìn)行了研究，根據(jù)超聲波檢測原理及鋼管管端坡口易出現(xiàn)缺陷的特征，研制了一種鋼管管端坡口面橫縱波專用探頭（下文簡稱LS型探頭）。該探頭是由一種橫波和一種尖脈沖縱波組合而成，不但可以檢出鋼管管端坡口面上的裂紋（線性缺陷）、夾渣（夾雜）等缺陷，還可以檢出鋼管管端坡口面上母材分層、重皮等重要危害性缺陷，確保了鋼管管端的質(zhì)量。

1 LS型探頭的研制背景

1.1 標(biāo)準(zhǔn)要求

在天然氣管道工程中，鋼管管端的質(zhì)量要求比管體部位更為嚴(yán)格，這主要是針對管端裂紋和母材分層缺陷的問題。因此，鋼管管端就要求用專用的超聲波檢測方法來檢測。CDP-S-NGPPL-006—2011-2《天然氣管道工程鋼管通用技術(shù)條件》要求：①管端25 mm范圍內(nèi)、坡口面上及縱焊縫兩側(cè)不允許存在分層，擴展到鋼管表面、坡口面上、距焊縫兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)的分層均視為缺陷，有這種缺陷的鋼管應(yīng)切除，直到去除這種分層為止；②每根鋼管管端端面應(yīng)采用專用超聲波、滲透或磁粉法檢查是否存在延伸到管端面的分層和裂紋。

1.2 常規(guī)探頭的不足及分析

超聲波探頭是實現(xiàn)電信號與聲訊號相互轉(zhuǎn)換的器件，是超聲波探傷裝置的重要組成部分。超聲波在傳播過程中遇到障礙時會發(fā)生反射、折射或是波形轉(zhuǎn)換，且該波形信號與各種缺陷一一對應(yīng)。這樣就可以利用被接收到的波形來計算缺陷的位置、種類以及數(shù)量等。

根據(jù)天然氣管道工程中鋼管的缺陷特征和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，首先選用CTS-23型超聲波探傷儀和常規(guī)的超聲波檢測探頭進(jìn)行檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種檢測方法只能檢測出管端的裂紋缺陷，且對缺陷方向性也較敏感，但是，卻很難發(fā)現(xiàn)管端母材分層的缺陷。

因此，這就要求對該類缺陷的檢出率必須達(dá)到100%。針對目前常規(guī)探頭存在管端母材分層缺陷難以檢出的不足，研制了管端坡口面橫縱波專用探頭（LS型），該探頭主要由一種橫波和一種尖脈沖縱波組合而成。

2 探頭的工作原理與結(jié)構(gòu)特點

2.1 探頭的工作原理

超聲波探頭是利用壓電效應(yīng)來制作的，有些單晶和多晶陶瓷材料在應(yīng)力（壓力或張力等）作用下產(chǎn)生應(yīng)變時，晶體中就產(chǎn)生極化或電場，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)晶體處于電場中時，由于極化作用，在晶體中就產(chǎn)生應(yīng)變或應(yīng)力，這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱壓電效應(yīng)。當(dāng)一個電脈沖作用到探頭上時，探頭就發(fā)射超聲脈沖。反之，當(dāng)一個超聲脈沖作用到探頭上時，探頭就產(chǎn)生一個電脈沖。

鋼管管端坡口面橫縱波專用探頭（LS型）的檢測過程如圖1所示，當(dāng)坡口面上不存在缺陷時，就不會有波反射回來；而當(dāng)坡口面上存在缺陷時，就會有較高的反射波反射回來。管端坡口面缺陷波形如圖2所示。在鋼管管端檢測中，只要有反射波出現(xiàn)，即可判定為缺陷波。如果該缺陷波被評為不可存在的缺陷，就必須切除該缺陷部位的管段。

圖1 管端坡口檢測示意圖

圖2 管端坡口面缺陷波形圖

2.2 LS型探頭的結(jié)構(gòu)特點

LS型探頭是由一種橫波和一種尖脈沖縱波組合而成的探頭，包括電纜接頭、探頭外殼、兩根引線、吸聲材料、透聲斜楔、兩塊阻尼塊、隔聲層、耐磨塊和兩塊自發(fā)自收壓電晶片等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LS型探頭結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可知，LS型探頭的電纜接頭位于探頭外殼上，透聲斜楔的斜面與底面成45°夾角，固定在探頭外殼前內(nèi)部的下底面上，探頭外殼內(nèi)充滿吸聲材料，其中一自發(fā)自收壓電晶片貼裝在透聲斜楔的斜面上，另一自發(fā)自收壓電晶片貼裝在耐磨塊上，兩塊自發(fā)自收壓電晶片通過引線與電纜接頭連接，并通過隔聲層隔開，互不干擾，探頭側(cè)面要超出探頭耐磨塊一部分以保證在檢測時與管端端面緊貼。

為了保證探頭的探測面積，防止其他信號對檢測結(jié)果的干擾，將橫波自發(fā)自收壓電晶片尺寸設(shè)計成8 mm×12 mm×2 mm，尖脈沖縱波自發(fā)自收壓電晶片尺寸設(shè)計成φ5 mm并緊貼探頭側(cè)面，探頭外殼尺寸設(shè)計成38 mm×18 mm×26 mm。檢測時通過壓電晶片發(fā)射出超聲波實現(xiàn)電聲換能。探傷時，探頭在管端坡口面內(nèi)側(cè)做圓周運動，聲束通過耦合劑進(jìn)入管端坡口面，探頭的兩種壓電晶片各自通過自發(fā)自收的方式確保鋼管管端坡口面缺陷100%探出。

3 LS型探頭的主要技術(shù)要求

3.1 橫波探頭折射角（或入射角）的要求

橫波探頭的折射角（或入射角）一般都在第一臨界角和第二臨界角之間。為了獲得一定的折射角，需要依據(jù)相應(yīng)的理論，并根據(jù)采用的有機玻璃以及被檢測材料的聲速計算相應(yīng)的縱波折射角（或入射角），橫波探頭的折射角為45°。

3.2 探頭頻率的要求

探頭頻率是影響檢測結(jié)果是否準(zhǔn)確的重要因素之一。探頭頻率高，檢測時靈敏度和分辨率就高，指向性就好。隨著頻率的降低，探頭的尺寸要相應(yīng)增大，否則就不能保證有很好的指向性和提供足夠尺寸的聲陷阱。綜合考慮，該探頭由兩個不一樣的晶片組成，兩個晶片發(fā)射的波形也不一樣，其橫波晶片發(fā)射頻率為2.5 MHz，尖脈沖縱波晶片發(fā)射頻率為5 MHz。

3.3 探頭晶片尺寸的要求

探頭晶片尺寸大小對聲束指向性、近場區(qū)長度、近距離掃查范圍和遠(yuǎn)距離缺陷檢測能力有較大影響。由于檢測對象為表面比較平整且曲率較大的鋼管，為了減少鋼管檢測時的耦合損失，設(shè)計該探頭橫波晶片尺寸為8 mm×12 mm×2 mm，尖脈沖縱波晶片尺寸為φ5 mm。

3.4 透聲楔尺寸和形狀的要求

設(shè)計橫波探頭時，選擇合適的長度、寬度和高度是必要的，阻止經(jīng)過多次反射的聲波返回到晶片上是設(shè)計的關(guān)鍵。探頭入射點至探頭最前端的距離為探頭前沿，探頭前沿應(yīng)大到足以使晶片上邊緣發(fā)射的聲波不會經(jīng)前臂與底面形成兩面角反射回來。同時，也要注意使晶片下邊緣發(fā)射的聲波經(jīng)透聲楔反射后不會回到晶片的上邊緣。試驗證明，探頭尺寸為38 mm×18 mm×26 mm，探頭橫波檢測前沿為6 mm最為合適，其發(fā)射方向與尖脈沖縱波晶片方向相反，從而避免波形的相互干擾。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

探頭制作完成后，對其性能進(jìn)行測試和實際應(yīng)用。以天然氣管道工程鋼管通用技術(shù)條件為例，要求對每根鋼管管端坡口面進(jìn)行專用超聲波檢測，檢測是否存在延伸到鋼管端面的分層或裂紋。根據(jù)要求，在鋼管管端坡口面部位制作了對比試塊，在對比試塊上加工φ1.6 mm的豎通孔和φ6 mm平底孔。

用CTS-23型超聲波探傷儀在對比試塊上進(jìn)行調(diào)試，使反射波達(dá)到80%作為檢測靈敏度，在檢測過程中，只要出現(xiàn)缺陷波就確定為不可接受的缺陷。

采用常規(guī)探頭和LS型探頭對鋼管管端坡口面進(jìn)行檢測對比，發(fā)現(xiàn)坡口面上裂紋（線性缺陷）的波形基本一致。管端坡口面上母材裂紋的金相照片及其檢測波形如圖4所示。

圖4 管端坡口面上母材裂紋的金相照片及其檢測波形

但在檢測管端坡口面上母材的分層缺陷時，常規(guī)探頭很難檢出，而LS型探頭就很容易檢出該類缺陷。管端坡口面上母材分層的金相照片及其檢測波形如圖5所示。

采用LS型探頭探傷時操作簡便，效率高，能100%覆蓋管端坡口面，檢測靈敏度高，盲區(qū)小，分辨力強。該探頭可作為管端坡口面檢測的專用探頭。

圖5 管端坡口面上母材分層的金相照片及其檢測波形

5 結(jié) 語

鋼管管端坡口面橫縱波專用探頭（LS型）的使用，不僅加強了鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量控制，而且還降低了鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)險。在檢測過程中，為了保證鋼管的實物質(zhì)量和理順生產(chǎn)過程，結(jié)合鋼管制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對缺陷回波信號有問題的鋼管要進(jìn)行切除處理，以保證鋼管成品的質(zhì)量。

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