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厚壁承壓無縫鋼管自動超聲波探傷技術研究

發(fā)布時間：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、機械液壓等行業(yè)的重要用材。近些年來，隨著我國國民經濟的快速發(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。薄壁無縫鋼管的自動超聲波探傷通常采用純橫波檢測，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)生波形轉換而折射生成單一的橫波。在自動探傷時，探頭圍繞鋼·管高速旋轉/鋼管直線前進、或探頭固定/鋼管螺旋前進，由此完成探頭對整個鋼管的掃查，實現(xiàn)鋼管內外表面和內部缺陷的探測。然而，當鋼管的厚徑比大于0.2時，由于折射橫波已不能投射到鋼管的內表面，所以探測不到鋼管內表面和近內表面中的缺陷。

1厚壁鋼管超聲波探傷方法

    當鋼管的厚徑比大于0.2時，需要采取縱、橫波混用的方法對鋼管進行超聲波檢測。其方法是利用管內的折射縱波檢測鋼管外壁缺陷，而利用管內折射縱波在鋼管外壁上波形轉換后的反射橫波檢測鋼管內壁缺陷，如圖1所示。

1.1聲波入射角的選定

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

    折射縱波在鋼管管壁中傳輸探測管壁中缺陷;投射在鋼管外壁上可檢測鋼管外壁缺陷，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)生反射和波形轉換，形成反射橫波。根據反射定律.

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

    在使用該方法進行厚壁鋼管的超聲波探傷時，超聲波的人射角度Q不能太大，當超聲波的人射角度過大時，折射縱波在鋼管內外壁處的反射橫波可能投射不到鋼管內壁而無法探測鋼管內壁缺陷同時，超聲波的人射角度。不能太小，當超聲波的人射角度過小時，折射縱波會直接投射在鋼管內壁上而無法探測到鋼管外壁缺陷。為了實現(xiàn)厚壁鋼管內、外壁缺陷的同時檢出，聲波的人射角應滿足下述關系:

1.2聲波傳播路徑的選定

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

    (D盡量高的超聲波人射強度。在采用縱波檢測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，折射率TLS較大，鋼管中的折射橫波成分較高，應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，通過水/鋼界面進人管壁的超聲波可能需要傳播較長的距離才能投射到鋼管外壁上或探測到缺陷。由于縱波的波長較短，在鋼中的傳播衰減較快，會使檢測靈敏度下降.更由于人射縱波還肩負著傳遞至鋼管內表面產生反射橫波的使命，而在鋼外壁處的反射和波形轉換還會帶來進一步的能量損失，所以設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。從而提高管內外壁缺陷的檢測靈敏度。

    (3)管外壁處盡量強的反射橫波強度。當人射于管壁中的縱波投射至鋼管外壁時，將產生反射縱波和反射橫波。在采用橫波檢測厚壁鋼管內壁的超聲波探傷中，我們希望獲得較強的反射橫波成分，以加大鋼管內壁處缺陷的檢測靈敏度?？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，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表面缺陷檢測。

    (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中，通常以鋼管內外表面上的人工軸向槽傷作為校準和考核的對象.鋼管內外壁上軸向槽傷的超聲波探測類似于在工件的兩個平面構成的直角內的反射。在用折射縱波檢測鋼管外壁槽傷時，由于縱波在管壁和槽傷組成的直角邊上兩次反射會分離出很強的橫波而不能從人射方向返回，所以縱波在很大范圍內的缺陷反射率較低，如圖4所示。在用反射橫波檢測鋼管內壁槽傷時，考察傾斜投射于鋼管內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表面缺陷檢測靈敏度。

    在厚壁無縫鋼管的超聲波檢測中，最佳聲波傳播路徑的選擇比較復雜，需要考慮的因素較多。只有綜合考慮和權衡各因素的影響，選擇一個能兼顧管內外壁檢測的路徑方案，才能獲得好的檢測結果。

2鋼管自動超聲波探傷的掃查設計

    鋼管在進行自動超聲波探傷時，探頭相對于鋼管作螺旋掃描運動。為了保證超聲波探傷不漏檢，自動探傷中掃查螺距的設定十分重要.設L為缺陷長度，b為聲束在鋼管軸線上的有效寬度(可簡化認為探頭寬度).當L》b時，超聲波探傷的最大掃查螺距為:

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

    為了滿足冶金企業(yè)大批量鋼管檢驗的需要，鋼管的自動化超聲波探傷一般采用多通道進行.如果在一個鋼管自動超聲波探傷設備中使用k個超聲波探頭，探頭相對于鋼管的轉速為n，則鋼管的自動化檢測速度為:

    上式表明，要實現(xiàn)快速自動化探傷，對于短缺陷(如夾雜等)應選用寬度盡量大的超聲波探頭;而對于長缺陷(如標準人工槽傷)應選用寬度盡量小的超聲波探頭。

3厚壁鋼管自動超聲探傷實驗

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

    提高回波信號的信噪比是實現(xiàn)厚壁鋼管超聲波探傷的另一重要措施。只有當具有較高的信噪比時，才能大幅度提高儀器放大電路的增益，實現(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，還要盡量減小信號中的噪聲水平.在冶金企業(yè)的鋼管自動超聲波探傷中，檢測噪聲除了來自鋼管本身外，還可能有探傷設備中變頻調速裝置的電磁輻射干擾，車間中電網的波動、天車的運行、電焊機的焊接，以及熱處理爐、切管機、矯直機和磨床等大功耗設備的啟動干擾等。這些干擾同屬于電磁干擾。自動超聲探傷設備需要采取屏蔽、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，對于厚壁無縫鋼管的超聲波探傷獲得了很好的檢測效果，如圖6所示。目前，對于厚徑比達到0.28,壁厚為180 mm的承壓無縫鋼管的超聲波檢測可以達到:信噪比＞2 dB,管內外壁靈敏度差≤4 dB，周向靈敏度波動≤2 dB,系統(tǒng)穩(wěn)定性(波動值)≤1dB。這些指標完全滿足YB/T4082-2000規(guī)定的對無縫鋼管超聲波探傷的要求。

4結語

    在冶金鋼管生產企業(yè)中，承壓無縫鋼管的生產制造以每天數(shù)百噸計。如何實現(xiàn)厚壁無縫鋼管的快速自動化超聲波探傷，確保承壓鋼管的產品質量，為冶金無損檢測專業(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超聲波探傷方法和設備成功地解決了這一難題，并將這項技術應用于以北方重工鑄鍛有限公司為代表的一批鋼管生產企業(yè).這些企業(yè)的應用實踐表明，該厚壁鋼管的超聲波檢驗方法和設備的探傷靈敏度高、可靠性好，完全滿足鋼管產品檢驗的需要。