小直徑薄壁焊管超聲波和射線檢測(cè)對(duì)比

王冬林，衛(wèi) 棟，田新新，李昱坤，雷凌云，巨敬偉

（中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077）

小直徑薄壁焊管超聲波和射線檢測(cè)對(duì)比

王冬林，衛(wèi) 棟，田新新，李昱坤，雷凌云，巨敬偉

（中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077）

簡(jiǎn)要介紹了小直徑薄壁焊管的特點(diǎn)及檢測(cè)存在難點(diǎn)。對(duì)小直徑薄壁焊管的超聲和射線檢測(cè)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，總結(jié)了超聲和射線檢測(cè)時(shí)各重點(diǎn)參數(shù)的選擇原則。最后對(duì)兩種檢測(cè)方法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，射線檢測(cè)對(duì)體積型缺陷的檢出率較高，而超聲檢測(cè)對(duì)面積性缺陷的檢出率較高；射線檢測(cè)很難精確確定缺陷在工件厚度方向的位置和尺寸，而超聲檢測(cè)不存在此問(wèn)題；射線檢測(cè)比超聲檢測(cè)更適宜薄壁工件的檢測(cè)。

焊管；超聲檢測(cè)；射線檢測(cè)；靈敏度

1 小直徑薄壁焊管的特點(diǎn)及檢測(cè)難點(diǎn)

1.1 焊縫有余高

小直徑薄壁焊管檢測(cè)時(shí)要求的探傷靈敏度較高，但在較高靈敏度的超聲波檢測(cè)中，焊縫余高容易造成雜波、偽缺陷波等，增加了缺陷定性和定位的難度；在射線檢測(cè)中，由于存在焊縫余高，雙壁雙影成像法必然會(huì)造成較大的透照厚度差和膠片比較大的黑度范圍，如何保證標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的像質(zhì)指示黑度（最大不能超過(guò)30%、最小不能低于15%的黑度值）成為射線檢測(cè)的難點(diǎn)，并且由于焊縫余高的存在造成小直徑焊管和補(bǔ)償板不能有效耦合，從而導(dǎo)致射線照相過(guò)程中形成大量的散射線，影響成像質(zhì)量。

1.2 管壁薄、管壁曲率較大、管徑小

在超聲波檢測(cè)中，管壁曲率大造成超聲波傳播路徑更加復(fù)雜，聲能損失大，經(jīng)過(guò)多次發(fā)散、聚集聲壓反射異于常規(guī)，使聲能有一定量損失，降低了檢測(cè)靈敏度[1]；在射線檢測(cè)中，小直徑焊管的直徑遠(yuǎn)小于定向射線機(jī)的窗口規(guī)格，造成散射線及軟射線成像控制困難；容易引起像質(zhì)計(jì)的連續(xù)寬度大于小直徑焊管的直徑，造成像質(zhì)計(jì)擺放困難。

1.3 管壁、外徑存在制造公差

在超聲波檢測(cè)中，外徑、管壁的制造誤差會(huì)造成同一截面管子在壁厚方向上存在偏差，而對(duì)于小直徑薄壁焊管來(lái)說(shuō)，壁厚偏差將對(duì)缺陷的判定、定位產(chǎn)生較大影響。同理，在射線檢測(cè)中，管壁、外徑的制造公差，極易造成底片黑度變化的不均勻，同樣會(huì)影響缺陷的判斷。

2 小直徑薄壁焊管超聲波檢測(cè)研究

2.1 探頭參數(shù)選擇

探頭參數(shù)選擇主要包括頻率、折射角、探頭前沿距離、聲束交點(diǎn)等。

2.1.1 頻率

頻率的選擇與被檢測(cè)工件的材質(zhì)、晶粒尺寸和工件厚度等因素有關(guān)。由于管壁較薄，結(jié)合面小、一次波檢測(cè)，聲程較短，因而超聲波能量的衰減可以不予考慮。加之反射雜波多，在這種場(chǎng)合下，提高頻率是較小聲場(chǎng)指向角的唯一途徑[2]。因此，考慮雜波、指向性等因素，頻率選用5 MHz較為適宜。

2.1.2 折射角

折射角的選擇是為保證一次波檢測(cè)有足夠大的聲程W、避開(kāi)近場(chǎng)區(qū)以及較大的水平距離P，這樣超聲一次波才能探測(cè)到焊縫根部，一般折射角 β宜選取 65°～75°的范圍。

2.1.3 探頭前沿距離

探頭入射點(diǎn)至探頭前沿的距離L0應(yīng)該是越小越好，這樣可以保證一次波束的檢測(cè)能夠涵蓋焊縫根部。對(duì)于小直徑薄壁焊管，L0取為4～6 mm較為適宜。

2.1.4 聲束交點(diǎn)

對(duì)于小直徑焊管，聲束交點(diǎn)的位置對(duì)檢測(cè)質(zhì)量將產(chǎn)生較大影響，從是否能檢測(cè)根部缺陷來(lái)考慮，通常聲束交點(diǎn)深度t的選擇宜在下式范圍內(nèi)：

式中：T—被檢測(cè)焊管的管壁厚度。

考慮到探頭的移動(dòng)性，聲束交點(diǎn)的水平距離P宜在下式范圍內(nèi)：

式中：b—焊縫寬度；

L0—探頭入射點(diǎn)至探頭前沿距離。

綜合以上考慮，在小直徑薄壁焊管的超聲波檢測(cè)中，探頭參數(shù)宜為：頻率5 MHz，折射角在65°～75°之間， 探頭前沿的距離 L0在 4～6 mm 之間，晶片尺寸為6 mm×6 mm。

2.2 對(duì)比試塊

小直徑薄壁焊管超聲檢測(cè)所用試塊應(yīng)選取與被檢工件的規(guī)格、材質(zhì)、熱處理工藝和表面狀況想類似的工件制備[3-5]，試塊中不能有影響人工缺陷正常指示的自然缺陷。比如靈敏度試塊的制作，應(yīng)從被檢測(cè)同類焊管（一般是降級(jí)管）中截取一段通過(guò)機(jī)械加工而制成，先以不允許未焊透深度確定槽深，加工出φ2 mm刻槽，隨后將樣管縱剖成兩半，并在管體內(nèi)壁鉆φ1.5 mm×2 mm的淺縱孔，具體靈敏度試塊如圖1所示。

圖1 靈敏度試塊示意圖

2.3 檢測(cè)方法

2.3.1 掃描速度

為了實(shí)現(xiàn)缺陷的準(zhǔn)確定位并能良好的分辨出偽缺陷信號(hào)，需要采用更快的掃描速度，通常取2︰1為宜。在實(shí)際手動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)該控制螺距以確保被檢工件100%的覆蓋率，并且保證實(shí)際檢測(cè)速度不大于對(duì)比試塊的人工缺陷發(fā)現(xiàn)的最大速度。

2.3.2 靈敏度

在小直徑薄壁焊管焊縫檢測(cè)中，檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于設(shè)定的靈敏度。實(shí)際調(diào)節(jié)靈敏度時(shí)，需用圖1試塊的淺縱孔和φ2 mm刻槽人為調(diào)節(jié)，找到淺縱孔和φ2 mm刻槽人工缺陷回波，通過(guò)增益調(diào)節(jié)將一次波最大回波高度調(diào)節(jié)到基準(zhǔn)波高的60%，為了彌補(bǔ)檢測(cè)中的動(dòng)態(tài)誤差，應(yīng)該提高6 dB靈敏度進(jìn)行檢測(cè)，防止發(fā)生漏檢。

2.3.3 檢測(cè)方式

檢測(cè)時(shí)，探頭應(yīng)始終對(duì)著焊縫，沿焊縫作鋸齒形移動(dòng)，并以4°～6°的角度擺動(dòng)探頭，以便發(fā)現(xiàn)各種形狀的缺陷。實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，要保持探頭壓力平穩(wěn)，移動(dòng)速度均勻，以保證耦合良好，先以高靈敏度（理論靈敏度+6 dB）粗探一遍，發(fā)現(xiàn)缺陷后在焊縫相應(yīng)位置做好標(biāo)記，然后用理論靈敏度再仔細(xì)查找，以便對(duì)缺陷進(jìn)行定性、定位[6]。

2.3.4 缺陷的定位、定性

由于焊縫內(nèi)最危險(xiǎn)的缺陷，如裂紋、未熔合、未焊透等大都產(chǎn)生在焊縫根部，因此主要采用一次波進(jìn)行定位，一般根部缺陷不需對(duì)深度方向進(jìn)行準(zhǔn)確定位，只需準(zhǔn)確定出水平位置即可。超聲檢測(cè)缺陷定位如圖2所示，實(shí)際檢測(cè)中，檢測(cè)儀器一般按照聲程1︰n調(diào)節(jié)橫波掃描速度，假定缺陷波檢測(cè)儀顯示水平刻度為τf，一次波檢測(cè)時(shí)，按圖2所示，可得出缺陷水平距離lf的計(jì)算公式

圖2 超聲檢測(cè)缺陷定位示意圖

缺陷定量主要用當(dāng)量法測(cè)定，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)用已知大小的實(shí)際自然缺陷和對(duì)比試塊進(jìn)行比較確定。缺陷性質(zhì)主要依據(jù)各種缺陷對(duì)應(yīng)的超聲波特點(diǎn)進(jìn)行判定，但要注意偽缺陷波的識(shí)別。小直徑薄壁焊管超聲檢測(cè)偽缺陷波主要包括根部熔透度、聲束擴(kuò)散引起的反射波以及一些雜波。實(shí)際檢測(cè)辨別缺陷時(shí)，可根據(jù)探頭位置、聲程的不同來(lái)識(shí)別。

3 小直徑薄壁焊管射線檢測(cè)研究

3.1 X射線輻射場(chǎng)與能量的選擇

定向X射線管管軸線與陽(yáng)極靶的夾角大約為20°，X射線束會(huì)形成一個(gè)空間錐形發(fā)出，不同方位的射線強(qiáng)度有所不同。對(duì)空間各方位的X射線強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，射線強(qiáng)度分布如圖3所示。為了保證底片黑度滿足照相的靈敏度，要求射線管強(qiáng)度不均勻性≤20%。在透照小直徑薄壁焊管焊縫時(shí)，應(yīng)盡量選擇焊縫與X射線管的軸線垂直的射線輻射場(chǎng)，以便得到黑度較均勻的底片。

圖3 X射線輻射強(qiáng)度分布圖

X射線機(jī)的管電壓可以調(diào)節(jié)，管電壓越高，對(duì)應(yīng)的射線能量越大，X射線的穿透力也越強(qiáng)，散射比n也較??；但是，過(guò)高的射線能量容易造成射線照相的靈敏度下降，因此，從靈敏度角度考慮，應(yīng)在保證足夠穿透力的前提下，選擇能量較低的X射線[7]。一般X射線能量對(duì)應(yīng)的透檢最大厚度見(jiàn)表1，鑒于小直徑薄壁焊管透照厚度的要求以及一般選用高靈敏度法進(jìn)行射線檢測(cè)，選擇200 kV的X射線。

表1 一般X射線能量所能透檢的最大厚度

3.2 焦距的選擇

焦距的選擇會(huì)影響射線檢測(cè)的靈敏度，這種影響是通過(guò)幾何不清晰度來(lái)體現(xiàn)的。結(jié)合小直徑薄壁焊管雙壁雙影透照方式的實(shí)際情況、幾何不清晰度公式（4）以及焦距公式（5），可以得出焦距的計(jì)算公式（6）。

式中：F—射線源至膠片的距離，mm；

f—射線源至工件表面的距離，mm；

b—工件厚度(管徑D+焊縫余高h(yuǎn))，mm；

d—射線源焦點(diǎn)尺寸，mm；

Ug—幾何不清晰度，mm。

JB/T 4730.2—2005明確規(guī)定了幾何不清晰度Ug的最大值和透照距離f的最小值，由公式（6）可以看出，當(dāng)要得到焦距最小值時(shí)，應(yīng)該將透照距離f取最小值、幾何不清晰度Ug取最大值。最小焦距與透照距離成正相關(guān)關(guān)系、與幾何不清晰度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。實(shí)際檢測(cè)中，為了保證有足夠的均勻強(qiáng)度透照?qǐng)?，較大的有效透照長(zhǎng)度，一般采用的焦距比最小焦距要大很多。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，小直徑薄壁焊管射線檢測(cè)時(shí)，為了保證清晰度和檢驗(yàn)效率，一般采用F≥10倍管徑，取700～800 mm之間。

3.3 透照方式的選擇

GB/T 12605—2008規(guī)定了小直徑薄壁焊管D≤76 mm時(shí)采取雙壁雙影法；76 mm＜D≤89 mm時(shí)采用雙壁單影法[8]；JB/T 4730.2—2005規(guī)定，對(duì)外徑D0≤100 mm的小直徑焊管環(huán)向?qū)雍附咏宇^采用雙壁雙影透照布置，當(dāng)同時(shí)滿足下列兩條件時(shí)應(yīng)采用傾斜透照方式橢圓成像：①壁厚T≤8 mm；②焊縫寬度g≤D0/4。橢圓成像時(shí)，應(yīng)控制影像的開(kāi)口寬度在1倍焊縫寬度左右。不滿足上述條件或橢圓成像有困難時(shí)可采用垂直透照方式重疊成像[9]。由標(biāo)準(zhǔn)可知，小直徑薄壁焊管射線透照方式有雙壁雙影和雙壁單影兩種。

雙壁雙影透照方式是指射線源焦點(diǎn)與焊縫中心偏離一定距離，膠片放在另一側(cè)焊縫表面上，使得環(huán)焊縫在底片上影像呈橢圓顯示的一種透照方法。橢圓影像的開(kāi)口寬度一般約等于焊縫寬度，采用雙壁雙影透照方式可以將環(huán)焊縫上下半圓的影像分開(kāi)，便于底片的評(píng)定和對(duì)缺陷的精確定位返修。該透照方式在大多數(shù)時(shí)候僅需較少的透照次數(shù)，降低了成本，提高了檢測(cè)效率。

在檢查根部裂紋和未焊透等面狀缺陷，或者橢圓成像有難度時(shí)，才會(huì)選擇垂直透照方式，以獲得重疊影像。垂直透照方式也是雙壁雙影透照。橢圓顯示有困難是指：射線方向難以調(diào)整至橢圓顯示或發(fā)現(xiàn)根部面狀缺陷有困難時(shí)的情況等[10]。采用垂直透照方式檢測(cè)到缺陷時(shí)，由于影像重疊，不能分辨缺陷是處于射源側(cè)或膠片側(cè)，故只能返回對(duì)焊縫進(jìn)行整體返修。

3.4 曝光參數(shù)的選擇

曝光參數(shù)要依據(jù)曝光曲線來(lái)選擇，曝光量對(duì)成像的顆粒度、信噪比及對(duì)比度影響較大。當(dāng)射線強(qiáng)度、曝光時(shí)間或焦距任一參數(shù)改變時(shí)，可以通過(guò)互易定律、平方反比定律和曝光因子對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行修正。

3.5 缺陷的定位、定性

橢圓成像會(huì)對(duì)影像進(jìn)行畸變、重疊、放大，有時(shí)的設(shè)置會(huì)使缺陷相對(duì)位置改變，因此要充分考慮幾何投影關(guān)系才能對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。實(shí)際評(píng)片時(shí)，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定出某些缺陷的位置，如V形坡口的管道焊口容易出現(xiàn)內(nèi)凹缺陷、根部未焊透等。

射線評(píng)片定性要根據(jù)各種缺陷形成原因及各種缺陷在底片上呈現(xiàn)的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行判定。如裂紋和未熔合的區(qū)別為：未熔合影像其中一邊很平整，而裂紋兩邊均為鋸齒狀；未熔合和未焊透的區(qū)別為：未焊透影響兩邊均很平整，并且影像寬度恰好為鈍邊的間隙寬度，未熔合影像無(wú)固定寬度，并且只有一邊平整；除了判定出缺陷的種類，還要注意試件的外觀形狀、操作誤差、工藝等因素引起的偽缺陷的影響。

4 小直徑薄壁焊管超聲和射線檢測(cè)比較

（1）射線對(duì)體積型缺陷的檢出率較高，而超聲對(duì)面積性缺陷的檢出率較高。射線檢測(cè)能有效的檢查出氣孔、縮孔、夾渣等體積型缺陷，而對(duì)于裂紋、未熔合等面積型缺陷，由于受多種因素（如缺陷形態(tài)、透照幾何條件等）的影響，檢出較為困難。而超聲檢測(cè)正好相反。小直徑薄壁焊管超聲和射線檢測(cè)方法與缺陷類型的適應(yīng)性說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 小直徑薄壁焊管檢測(cè)方法與缺陷的適應(yīng)性

（2）射線檢測(cè)很難精確確定缺陷在工件厚度方向的位置和尺寸，而超聲檢測(cè)不存在此問(wèn)題。

（3）射線檢測(cè)比超聲檢測(cè)更適宜薄壁工件的檢測(cè)，超聲檢測(cè)薄壁管焊縫時(shí)，探傷管子容易在上下表面產(chǎn)生回波對(duì)真實(shí)缺陷造成干擾，影響對(duì)缺陷的評(píng)定。此外，超聲檢測(cè)還存在盲區(qū)等問(wèn)題影響分辨率；而用射線檢測(cè)薄壁工件可以采取較低能量，可以減少散射線對(duì)照相影像的影像，獲得清晰的影像。

5 結(jié)語(yǔ)

小直徑薄壁焊管由于其固有的特點(diǎn)，如焊縫余高，管壁薄、管壁曲率較大、管徑小以及管壁、外徑存在一定的制造公差等，使得在對(duì)其焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)存在一定的難點(diǎn)。超聲和射線是兩種不同的無(wú)損檢測(cè)方法，因而對(duì)不同類型缺陷的檢測(cè)率也不同，射線對(duì)體積型缺陷的檢出率較高，而超聲對(duì)面積性缺陷的檢出率較高。因此，在實(shí)際檢測(cè)中，要針對(duì)不同的缺陷類型，選用不同的檢測(cè)方法，以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

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Comparison Between Ultrasonic and Radiographic Detection of Small Size Thin Wall Thickness Welded Pipe

WANG Donglin，WEI Dong，TIAN Xinxin，LI Yukun，LEI Lingyun，JU Jingwei
(Key Laboratory of Oil Pipeline Project,CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China)

In this article,it briefly introduced the characteristics and the testing difficulties of the small diameter thin wall thickness welded pipe,then analyzed two detection methods,the ultrasonic and radiographic detection,and summarized the choice of the key parameters for ultrasonic and radiographic detection.Finally,two kinds of detection methods are compared;the results indicated that the detection rate of radiographic test is higher for volume type defect,and the detection rate of ultrasonic test is higher for area defects;it is very difficult to accurately determine the position and size of defects in workpiece thickness direction for radiographic detection,this problem did not exist in ultrasonic test.Radiographic detection is more suitable for thin wall thickness workpiece.

welded pipe;ultrasonic detection;radiographic detection;sensitivity

TE973.6

B

1001－3938（2015）05-0057-05

王冬林（1985—），男，陜西西安人，工程師，主要從事石油管材的質(zhì)量監(jiān)督與檢驗(yàn)工作。

2015-01-20

謝淑霞