無縫鋼管自動(dòng)超聲波檢測(cè)方法研究

黃 磊，張鴻博，張寶利，曹孟瑜

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101；3.巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658；4.西安陽(yáng)普機(jī)電設(shè)備一體化有限公司，陜西 西安 710061）

無縫鋼管的制造工藝有熱軋、冷軋、冷拔和鍛造等。對(duì)于使用條件苛刻的環(huán)境，一般要求無縫鋼管以熱軋工藝制造，與焊接鋼管相比，無縫鋼管因管體組織與性能分布連續(xù)性好、使用可靠性高、產(chǎn)品鋼種及壁厚適應(yīng)范圍大，故安全級(jí)別要求較高，在使用條件相對(duì)特殊或產(chǎn)品徑壁比數(shù)值偏低等情形下優(yōu)勢(shì)明顯。通常，無縫鋼管應(yīng)用于油氣集輸管線、海底管線以及城市油氣管網(wǎng)。因此，對(duì)于無縫鋼管質(zhì)量控制是不容忽視的。

無縫鋼管是通過穿孔法和高速擠壓法得到。穿孔法是用穿孔機(jī)穿孔，同時(shí)用軋輥滾軋，最后用芯棒軋管機(jī)定徑壓延平整成型；高速擠壓法是在擠壓機(jī)中直接擠壓成型，這種方法加工的無縫鋼管尺寸精度高。無縫鋼管主要缺陷有裂紋、折疊、分層和夾雜等。對(duì)于厚壁大直徑無縫鋼管也可由鋼錠經(jīng)鍛造、軋制等工藝加工而成，鍛軋管常見缺陷與鍛件類似，一般為裂紋、白點(diǎn)、重皮等［1］。

從超聲波檢測(cè)角度，一般將無縫鋼管厚徑比≤0.2的金屬管材稱作薄壁管，∧0.2的金屬管材稱作厚壁管。薄壁管和厚壁管以純折射橫波是否可以到達(dá)管材內(nèi)壁區(qū)分［1］。無縫鋼管超聲波檢測(cè)目的是發(fā)現(xiàn)制造過程中產(chǎn)生的各種缺陷，避免將帶有危險(xiǎn)缺陷無縫鋼管投入使用。無縫鋼管中缺陷大多與管體軸線平行；因此，無縫鋼管檢測(cè)以沿管體外圓作周向掃查的橫波檢測(cè)為主。在無縫鋼管中也可能存在與管體軸線垂直的缺陷，因此必要時(shí)還應(yīng)沿軸線方向進(jìn)行斜入射檢測(cè)。對(duì)于某些無縫鋼管，可能還需要進(jìn)行縱波垂直入射聲束檢測(cè)。本文主要從檢測(cè)方法、探頭排列、檢測(cè)閘門設(shè)置、對(duì)比樣管設(shè)計(jì)和檢測(cè)結(jié)果顯示等方面進(jìn)行研究，對(duì)于無縫鋼管全覆蓋檢測(cè)，減少油氣集輸管線、海底管線以及城市油氣管網(wǎng)中出現(xiàn)的各種失效事故至關(guān)重要［2-9］。

1 檢測(cè)方法

無縫鋼管主要缺陷為平行于管軸徑向缺陷（稱縱向缺陷），有時(shí)也有垂直于管軸徑向缺陷（稱橫向缺陷）。對(duì)于大直徑薄壁無縫鋼管，可能還需要進(jìn)行縱波垂直入射檢測(cè)與管軸平行的周向缺陷（稱分層缺陷）?，F(xiàn)主要研究接觸法檢測(cè)。如果無縫鋼管直徑較小，應(yīng)選取晶片直徑較小的探頭，不論從耦合效果還是可靠性方面均較好。因此，從縱向、橫向和分層缺陷（或厚度檢測(cè)）檢測(cè)進(jìn)行研究。

1.1 縱向缺陷檢測(cè)

對(duì)于薄壁無縫鋼管（厚徑比≤0.2），用斜探頭沿外圓作周向掃查橫波檢測(cè)是無縫鋼管檢測(cè)主要方式，目的是檢測(cè)內(nèi)、外壁以及管壁中縱向缺陷。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，通常希望無縫鋼管中存在單一波形，以便于正確判斷缺陷信號(hào)。因此，檢測(cè)中斜探頭入射角選擇在第一臨界角和第二臨界角之間，使無縫鋼管中只存在純橫波?？v向缺陷的橫波周向檢測(cè)法如圖1所示［10］。要實(shí)現(xiàn)這種檢測(cè)，必須滿足：

式中βS——斜探頭橫波折射角，（°）；

R——鋼管外半經(jīng)，mm；

r——鋼管內(nèi)半徑，mm。

對(duì)于厚壁無縫鋼管（厚徑比∧0.2），常規(guī)斜探頭橫波聲束無法到達(dá)無縫鋼管內(nèi)壁，因此用橫波實(shí)現(xiàn)整個(gè)管壁橫截面檢測(cè)是很困難的，可用變形橫波斜射法進(jìn)行補(bǔ)充檢測(cè)。縱向缺陷的變形橫波斜射法如圖2所示［10］，選擇第一臨界角以下小角度入射，進(jìn)入管壁超聲波型既有縱波也有橫波，但橫波強(qiáng)度很弱，檢測(cè)主要以縱波為主。縱波斜射法缺點(diǎn)是檢測(cè)時(shí)顯示除折射縱波外，還存在折射橫波在內(nèi)壁上產(chǎn)生多次反射回波，波形比較復(fù)雜，因此不能用于自動(dòng)化檢測(cè)（對(duì)于厚徑比∧0.2的無縫鋼管，應(yīng)采用變形橫波法檢測(cè)）。

圖1 縱向缺陷的橫波周向檢測(cè)法示意

圖2 縱向缺陷的變形橫波斜射法示意

1.2 橫向缺陷檢測(cè)

用斜探頭（一般為45°）橫波對(duì)橫向缺陷進(jìn)行軸向檢測(cè)，具體如圖3所示［10］。這時(shí)聲束在內(nèi)壁反射波進(jìn)一步發(fā)散，聲能損失大，因此外壁缺陷靈敏度較低，檢測(cè)時(shí)要注意這一點(diǎn)。

圖3 橫向缺陷的橫波軸向檢測(cè)法示意

1.3 分層缺陷檢測(cè)（或厚度檢測(cè)）

由于分層缺陷在管壁中沿周向分布且平行于鋼管表面，一般采用縱波雙晶直探頭（或單晶直探頭）檢測(cè)，分層缺陷（或厚度檢測(cè)）縱波垂直檢測(cè)法如圖4所示。當(dāng)缺陷較小時(shí)，缺陷波與底波同時(shí)出現(xiàn)，這時(shí)可根據(jù)缺陷波高度來評(píng)價(jià)缺陷大小。當(dāng)缺陷較大時(shí)，底波將會(huì)消失，這時(shí)可用半波高度法來確定缺陷面積大小。

圖4 分層缺陷（或厚度檢測(cè)）縱波垂直檢測(cè)法示意

2 探頭排列

由于無縫鋼管可能存在縱向、橫向和分層3種類型缺陷形式［11-14］，因此探頭排列應(yīng)按照能檢測(cè)出這3種類型缺陷進(jìn)行考慮。目前，對(duì)于無縫鋼管自動(dòng)化檢測(cè)大約有3種模式：一、探頭旋轉(zhuǎn)，鋼管直線前行；二、探頭固定，鋼管螺旋前行；三、探頭直線運(yùn)動(dòng)，鋼管原地旋轉(zhuǎn)。本研究的探頭排列以模式三為例，探頭直線運(yùn)動(dòng)速度與管體均勻旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)匹配，必須滿足全管體被探頭100%掃查。為了防止檢測(cè)速度太大而造成漏檢，一般采取陣列式組合探頭。

2.1 縱向缺陷探頭排列

檢測(cè)無縫鋼管縱向缺陷，用斜探頭產(chǎn)生橫波進(jìn)行周向檢測(cè)。另外，為了檢測(cè)不同取向缺陷，應(yīng)從正反兩個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)縱向缺陷陣列式組合探頭采用2組6個(gè)晶片組成（如L11-L21-L31-L41-L51-L61和L12-L22-L32-L42-L52-L62），縱向缺陷探頭排列如圖5所示。

圖5 縱向缺陷探頭排列示意

2.2 橫向缺陷探頭排列

為了檢測(cè)無縫鋼管橫向缺陷，用斜探頭（一般為45°）橫波進(jìn)行軸向檢測(cè)。另外，為了檢測(cè)不同取向的缺陷，應(yīng)從正反兩個(gè)方向進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)橫向缺陷的陣列式組合探頭采用2組6個(gè)晶片組成（如 T11-T21-T31-T41-T51-T61和 T12-T22-T32-T42-T52-T62），橫向缺陷探頭排列如圖6所示。

圖6 橫向缺陷探頭排列示意

2.3 分層缺陷（或厚度檢測(cè)）探頭排列

為了檢測(cè)無縫鋼管的分層缺陷（或厚度檢測(cè)），一般采用縱波雙晶直探頭（或單晶直探頭）。檢測(cè)分層缺陷（或厚度檢測(cè)）的陣列式組合探頭采用1組6個(gè)晶片組成（如WT1-WT2-WT3-WT4-WT5-WT6），分層缺陷（或厚度檢測(cè)）探頭排列如圖7所示。

圖7 分層缺陷（或厚度檢測(cè)）探頭排列示意

3 檢測(cè)閘門設(shè)置

主要研究檢測(cè)探頭在壁厚范圍全覆蓋，即研究檢測(cè)閘門設(shè)置問題。檢測(cè)閘門設(shè)置從縱向、橫向和分層缺陷（或厚度檢測(cè)）3個(gè)方面進(jìn)行研究。

3.1 縱向缺陷檢測(cè)閘門設(shè)置

縱向缺陷檢測(cè)時(shí)，需要監(jiān)測(cè)一次波和二次波的缺陷情況，因此設(shè)置雙閘門檢測(cè)?？v向缺陷檢測(cè)閘門設(shè)置如圖8所示。T為始脈沖波，F(xiàn)內(nèi)為內(nèi)表面縱向刻槽反射波，F(xiàn)外為外表面縱向刻槽反射波。探頭L11一次波檢測(cè)閘門起點(diǎn)在圖8所示始波后端至少1～2 mm處，閘門終點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)表面刻槽反射波前端至少1～2 mm處；探頭L11二次波檢測(cè)閘門起點(diǎn)在圖8所示內(nèi)表面刻槽反射波后端至少1～2 mm處，閘門終點(diǎn)設(shè)置在外表面刻槽反射波前端至少1～2 mm處。其余縱向缺陷檢測(cè)閘門設(shè)置與探頭L11檢測(cè)閘門設(shè)置相似。

3.2 橫向缺陷檢測(cè)閘門設(shè)置

橫向缺陷檢測(cè)時(shí)，也要監(jiān)測(cè)一次波和二次波缺陷情況，因此設(shè)置雙閘門檢測(cè)。橫向缺陷檢測(cè)閘門設(shè)置如圖9所示，探頭T11一次波檢測(cè)閘門起點(diǎn)在圖9所示始波后端至少1～2 mm處，閘門終點(diǎn)設(shè)置在內(nèi)表面刻槽反射波前端至少1～2 mm處；探頭T11二次波檢測(cè)閘門起點(diǎn)在圖9所示內(nèi)表面刻槽反射波后端至少1～2 mm處，閘門終點(diǎn)設(shè)置在外表面刻槽反射波前端至少1～2 mm處。其余橫向缺陷檢測(cè)閘門設(shè)置與探頭T11檢測(cè)閘門設(shè)置相似。

圖8 縱向缺陷檢測(cè)閘門設(shè)置示意

圖9 橫向缺陷檢測(cè)閘門設(shè)置示意

3.3 分層缺陷（或厚度檢測(cè)）檢測(cè)閘門設(shè)置

分層缺陷檢測(cè)（或厚度檢測(cè)）時(shí)，采用雙晶探頭（或單晶探頭）進(jìn)行檢測(cè)，主要監(jiān)測(cè)一次波缺陷情況。分層缺陷（或厚度檢測(cè)）檢測(cè)閘門設(shè)置如圖10所示，S為雙晶探頭界面波，B為底面反射波。探頭WT1檢測(cè)閘門起點(diǎn)在圖10所示界面波后端至少1～2 mm處，閘門終點(diǎn)設(shè)置在底面反射波前端至少1～2 mm處。其余分層缺陷（或厚度檢測(cè)）檢測(cè)閘門設(shè)置與探頭WT1檢測(cè)閘門設(shè)置相似。

圖10 分層缺陷（或厚度檢測(cè)）檢測(cè)閘門設(shè)置示意

4 對(duì)比樣管設(shè)計(jì)

對(duì)比樣管中包含一系列不同類型的人工缺陷，不同類型人工缺陷可以模擬不同部位和種類無縫鋼管缺陷，可以客觀評(píng)價(jià)無縫鋼管質(zhì)量水平。一個(gè)設(shè)計(jì)不合格對(duì)比樣管或樣管上人工缺陷加工精度不高都會(huì)導(dǎo)致缺陷的漏檢或誤判。對(duì)比樣管設(shè)計(jì)目的是保證被檢測(cè)對(duì)象中所有缺陷能檢測(cè)出來。

對(duì)于檢測(cè)縱向和橫向缺陷采用內(nèi)外表面刻槽（如無縫鋼管超聲波檢測(cè)的對(duì)比樣管人工缺陷主要分為3種：縱向刻槽、橫向刻槽和平底孔L2、L2.5或L3）校驗(yàn)檢測(cè)靈敏度，且內(nèi)外刻槽也可用作設(shè)置閘門起點(diǎn)和終點(diǎn)。對(duì)于檢測(cè)分層缺陷采用不同深度平底孔（如Ф6 mm平底孔）校驗(yàn)檢測(cè)靈敏度和設(shè)置閘門起點(diǎn)和終點(diǎn)。所有人工缺陷必須保持一定間距，不同人工缺陷不會(huì)受相鄰人工缺陷超聲波干擾。設(shè)計(jì)的無縫鋼管對(duì)比樣管人工缺陷分布如圖11所示［15］。其中，①②⑥⑦為內(nèi)外表面縱向刻槽，③④⑧⑨為內(nèi)外表面橫向刻槽，尺寸均為50.0 mm×1.0 mm×nt mm（長(zhǎng)度×寬度×深度），與內(nèi)外表面垂直，深度為nt（最小為0.5 mm），長(zhǎng)度50.0 mm（一般探頭寬度1.5倍），n一般取5%、8%或10%，t為鋼管壁厚；⑤為Φ1.6 mm豎通孔；⑩11○12○為內(nèi)側(cè)平底孔，孔徑為6.0 mm，埋深分別為壁厚的25%、50%和 75%［12-14］。

圖11 設(shè)計(jì)的對(duì)比樣管人工缺陷分布示意

對(duì)比樣管及其使用要求：①對(duì)比樣管應(yīng)與被檢測(cè)無縫鋼管具有相同的公稱尺寸，相同或相近的表面狀態(tài)和聲學(xué)特性；②加工對(duì)比樣管之前需要對(duì)制作樣管的管材進(jìn)行無損檢測(cè)，保證其內(nèi)部沒有超過Φ2.0 mm平底孔的缺陷；③對(duì)比樣管中的人工缺陷必須由計(jì)量部門校準(zhǔn)，合格后方可使用。

5 檢測(cè)結(jié)果顯示

由于無縫鋼管自動(dòng)超聲波檢測(cè)的速度快、自動(dòng)化程度高，要求每一根無縫鋼管在進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)后，應(yīng)能同步顯示檢測(cè)波形和檢測(cè)數(shù)據(jù)，這樣才能保證檢測(cè)結(jié)果永久保存和質(zhì)量追溯性。因此，要求檢測(cè)結(jié)果應(yīng)自動(dòng)顯示每個(gè)通道缺陷位置、缺陷分布等信息。

試驗(yàn)用無縫鋼管規(guī)格為Ф73 mm×9.19 mm，檢測(cè)縱向缺陷采用2組6個(gè)晶片組成的陣列式組合探頭（如L11-L21-L31-L41-L51-L61和 L12-L22-L32-L42-L52-L62），檢測(cè)橫向缺陷采用2組6個(gè)晶片組成的陣列式組合探頭（如T11-T21-T31-T41-T51-T61和T12-T22-T32-T42-T52-T62），檢測(cè)分層缺陷（或厚度檢測(cè)）采用1組6個(gè)晶片組成的陣列式組合探頭（如WT1-WT2-WT3-WT4-WT5-WT6），試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)顯示。

可以看出：無縫鋼管檢測(cè)顯示圖顯示出了每個(gè)通道人工缺陷位置與分布。設(shè)計(jì)的對(duì)比樣管中縱向、橫向和分層缺陷在掃描圖中均顯示出來，這就證明了對(duì)無縫鋼管自動(dòng)超聲波檢測(cè)方法研究結(jié)果是正確的、可靠的。

6 結(jié) 語(yǔ)

無縫鋼管超聲波檢測(cè)技術(shù)是一種常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)，但無損鋼管自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)和常規(guī)無縫鋼管超聲波檢測(cè)技術(shù)還是有很大的區(qū)別，必須從檢測(cè)方法、探頭排列、檢測(cè)閘門設(shè)置、對(duì)比樣管設(shè)計(jì)和檢測(cè)結(jié)果顯示等方面研究，才能有效地檢測(cè)無縫鋼管的各種缺陷。通過對(duì)無縫鋼管自動(dòng)超聲波檢測(cè)方法進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）保證了無縫鋼管中各個(gè)方向的缺陷（縱向、橫向和分層）100%檢測(cè)；

（2）實(shí)時(shí)顯示了鋼管中缺陷在每個(gè)檢測(cè)通道中位置和分布情況；

（3）檢測(cè)結(jié)果永久性記錄形式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)超聲波檢測(cè)結(jié)果長(zhǎng)久保存和可追溯要求。