厚壁承压无缝钢管自动超声波探伤技术研究

发布时间：2021-04-29 08:49:48 丨 浏览次数：

厚壁无缝钢管通常指壁厚与外径之比(简称厚径比)大于0.2的无缝钢管。承压无缝钢管是电力、锅炉、化工、机械液压等行业的重要用材。近些年来，随着我国国民经济的快速发展，厚壁承压无缝钢管的需求不断增加。

    一直以来，承压无缝钢管的自动化超声波探伤主要局限在厚径比小于0.2的薄壁钢管的检验。薄壁无缝钢管的自动超声波探伤通常采用纯横波检测，即超声波以介于第一和第二临界角之间的角度人射于被检钢管表面，在钢管表面发生波形转换而折射生成单一的横波。在自动探伤时，探头围绕钢·管高速旋转/钢管直线前进、或探头固定/钢管螺旋前进，由此完成探头对整个钢管的扫查，实现钢管内外表面和内部缺陷的探测。然而，当钢管的厚径比大于0.2时，由于折射横波已不能投射到钢管的内表面，所以探测不到钢管内表面和近内表面中的缺陷。

1厚壁钢管超声波探伤方法

    当钢管的厚径比大于0.2时，需要采取纵、横波混用的方法对钢管进行超声波检测。其方法是利用管内的折射纵波检测钢管外壁缺陷，而利用管内折射纵波在钢管外壁上波形转换后的反射横波检测钢管内壁缺陷，如图1所示。

1.1声波入射角的选定

    当超声纵波倾斜人射到钢管表面时，声波在钢管界面上发生折射进人钢管管壁，折射波与人射波的方向符合几何光学折射定律:

    折射纵波在钢管管壁中传输探测管壁中缺陷;投射在钢管外壁上可检测钢管外壁缺陷，如图1所示。

    投射在钢管外壁上的超声纵波在钢管外壁上发生反射和波形转换，形成反射横波。根据反射定律.

    反射横波在钢管管壁中传输探测管壁中缺陷;投射在钢管内壁上可检测钢管内壁缺陷，如图1所示。

    在使用该方法进行厚壁钢管的超声波探伤时，超声波的人射角度Q不能太大，当超声波的人射角度过大时，折射纵波在钢管内外壁处的反射横波可能投射不到钢管内壁而无法探测钢管内壁缺陷同时，超声波的人射角度。不能太小，当超声波的人射角度过小时，折射纵波会直接投射在钢管内壁上而无法探测到钢管外壁缺陷。为了实现厚壁钢管内、外壁缺陷的同时检出，声波的人射角应满足下述关系:

1.2声波传播路径的选定

    在了解了超声波同时探测厚壁钢管内外表面的人射角范围之后，应该考虑选择何种超声波传播路径来获得最佳检测灵敏度.在选择最佳声波传播路径时，应考虑如下一些因素:

    (D尽量高的超声波人射强度。在采用纵波检测厚壁钢管外壁的超声波探伤中，希望人射波的折射纵波成分尽量高，而折射横波成分低，以避免同一缺陷由于多波模反射引起的误判。从图2所示的纵波人射水/钢界面的情况可见，在人射角a=15^-270时，折射率TLS较大，钢管中的折射横波成分较高，应尽量避开这一角度范围。

    (2)管壁中尽量短的声程损耗.在厚壁钢管探伤时，通过水/钢界面进人管壁的超声波可能需要传播较长的距离才能投射到钢管外壁上或探测到缺陷。由于纵波的波长较短，在钢中的传播衰减较快，会使检测灵敏度下降.更由于人射纵波还肩负着传递至钢管内表面产生反射横波的使命，而在钢外壁处的反射和波形转换还会带来进一步的能量损失，所以设法减小声波的传播损耗十分重要。在确保尽量高的超声波人射强度前提下，尽量加大折射纵波的角度，可以使其在管壁中的传播距离缩短。从而提高管内外壁缺陷的检测灵敏度。

    (3)管外壁处尽量强的反射横波强度。当人射于管壁中的纵波投射至钢管外壁时，将产生反射纵波和反射横波。在采用横波检测厚壁钢管内壁的超声波探伤中，我们希望获得较强的反射横波成分，以加大钢管内壁处缺陷的检测灵敏度。考察图3所示的反射纵波和反射横波声压的反射率曲线可知，纵波人射角aL=60^70°(在图1中为此角度以9表示)时，横波声压反射率较高，而纵波声压发射率最低，适合于厚壁钢管的内表面缺陷检测。

    (4)声波投射于缺陷的最佳角度。在承压厚壁钢管的超声波检测中，通常以钢管内外表面上的人工轴向槽伤作为校准和考核的对象.钢管内外壁上轴向槽伤的超声波探测类似于在工件的两个平面构成的直角内的反射。在用折射纵波检测钢管外壁槽伤时，由于纵波在管壁和槽伤组成的直角边上两次反射会分离出很强的横波而不能从人射方向返回，所以纵波在很大范围内的缺陷反射率较低，如图4所示。在用反射横波检测钢管内壁槽伤时，考察倾斜投射于钢管内壁和槽伤组成的直角边上的横波(图5)，选择。s=35^-55°入射角，声波的反射率最高，可以获得较好的管内表面缺陷检测灵敏度。

    在厚壁无缝钢管的超声波检测中，最佳声波传播路径的选择比较复杂，需要考虑的因素较多。只有综合考虑和权衡各因素的影响，选择一个能兼顾管内外壁检测的路径方案，才能获得好的检测结果。

2钢管自动超声波探伤的扫查设计

    钢管在进行自动超声波探伤时，探头相对于钢管作螺旋扫描运动。为了保证超声波探伤不漏检，自动探伤中扫查螺距的设定十分重要.设L为缺陷长度，b为声束在钢管轴线上的有效宽度(可简化认为探头宽度).当L》b时，超声波探伤的最大扫查螺距为:

    例如，钢管超声波探伤标准GB/T5777规定的标准人工槽伤的长度为20^-40 mm，它一般大于探头的宽度，此时应按照(5)式给出的螺距对钢管进行扫描检查.在实际探伤中，缺陷的尺寸往往较小.当L时，则超声波探伤的最大扫查螺距为:

    为了满足冶金企业大批量钢管检验的需要，钢管的自动化超声波探伤一般采用多通道进行.如果在一个钢管自动超声波探伤设备中使用k个超声波探头，探头相对于钢管的转速为n，则钢管的自动化检测速度为:

    上式表明，要实现快速自动化探伤，对于短缺陷(如夹杂等)应选用宽度尽量大的超声波探头;而对于长缺陷(如标准人工槽伤)应选用宽度尽量小的超声波探头。

3厚壁钢管自动超声探伤实验

    厚壁钢管在进行超声波探伤时，由于声波在管壁中传播路程较长，所以需要尽量加大超声波的发射功率。

    提高回波信号的信噪比是实现厚壁钢管超声波探伤的另一重要措施。只有当具有较高的信噪比时，才能大幅度提高仪器放大电路的增益，实现小缺陷的检出。提高信噪比的途径除需加大超声波发射功率外，还要尽量减小信号中的噪声水平.在冶金企业的钢管自动超声波探伤中，检测噪声除了来自钢管本身外，还可能有探伤设备中变频调速装置的电磁辐射干扰，车间中电网的波动、天车的运行、电焊机的焊接，以及热处理炉、切管机、矫直机和磨床等大功耗设备的启动干扰等。这些干扰同属于电磁干扰。自动超声探伤设备需要采取屏蔽、接地、隔离和滤波等措施抑制这些电磁干扰，最大限度地提高信噪比。

    在正确选用探伤方法和采取一系列诸如加大发射功率、提高信噪比的措施后，对于厚壁无缝钢管的超声波探伤获得了很好的检测效果，如图6所示。目前，对于厚径比达到0.28,壁厚为180 mm的承压无缝钢管的超声波检测可以达到:信噪比＞2 dB,管内外壁灵敏度差≤4 dB，周向灵敏度波动≤2 dB,系统稳定性(波动值)≤1dB。这些指标完全满足YB/T4082-2000规定的对无缝钢管超声波探伤的要求。

4结语

    在冶金钢管生产企业中，承压无缝钢管的生产制造以每天数百吨计。如何实现厚壁无缝钢管的快速自动化超声波探伤，确保承压钢管的产品质量，为冶金无损检测专业提出新的课题.由钢铁研究总院研制的厚壁承压无缝钢管自动超声波探伤方法和设备成功地解决了这一难题，并将这项技术应用于以北方重工铸锻有限公司为代表的一批钢管生产企业.这些企业的应用实践表明，该厚壁钢管的超声波检验方法和设备的探伤灵敏度高、可靠性好，完全满足钢管产品检验的需要。