鋼管無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和探討

1、 鋼管無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和探討摘要：本文介紹了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在鋼管廠的應(yīng)用情況，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一些問(wèn)題，包括檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)設(shè)備的調(diào)整，對(duì)比試樣的制作等進(jìn)行分析和探討。 關(guān)鍵詞：檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)備調(diào)整；對(duì)比試樣 根據(jù)生產(chǎn)方式的差異，鋼管分為無(wú)縫鋼管和焊接鋼管。寶鋼股份寶鋼分公司鋼管廠目前有無(wú)縫鋼管廠、ERW焊管廠、UOE焊管廠，生產(chǎn)的產(chǎn)品有鍋爐管、油井管、管線管等，這些產(chǎn)品需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。其中，高壓鍋爐管進(jìn)行渦流、超聲波檢測(cè)；油井管進(jìn)行超聲波、漏磁、渦流檢測(cè)，管端進(jìn)行磁粉檢測(cè)；管線管進(jìn)行渦流和超聲波檢測(cè)；ERW焊管進(jìn)行板材超聲波檢測(cè)、在線超聲波檢測(cè)、離線焊縫檢測(cè)、管端超聲波檢測(cè)、超聲波管體檢測(cè)；UOE焊管

2、進(jìn)行超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)。在鋼管廠應(yīng)用的幾種檢測(cè)方法中，超聲波檢測(cè)是最重要的一種，本文著重介紹超聲波檢測(cè)中遇到的一些問(wèn)題，包括檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)設(shè)備的調(diào)整，對(duì)比試樣的制作等進(jìn)行分析和探討。 1. 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn) 鋼管廠的產(chǎn)品有輸送管、結(jié)構(gòu)管、高壓鍋爐管、低中壓鍋爐管、管線管、油井管、鉆桿。高壓鍋爐管產(chǎn)品執(zhí)行ASME標(biāo)準(zhǔn)的，要求按照ASTM E213超聲波檢測(cè)；執(zhí)行GB5310標(biāo)準(zhǔn)的，要求按照GB/T 5777超聲波檢測(cè)。管線管產(chǎn)品執(zhí)行API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)的，要求按照ASTM E213超聲波檢測(cè)；管線管產(chǎn)品執(zhí)行ISO 3183-3標(biāo)準(zhǔn)的，要求按照ISO 9303超聲波檢測(cè)縱向缺陷，按照ISO 930

3、5超聲波檢測(cè)橫向缺陷，按照ISO 10543超聲波檢測(cè)厚度，按照ISO 10124超聲波檢測(cè)分層缺欠，按照ISO 11496超聲波檢測(cè)管端分層缺欠。 在以上標(biāo)準(zhǔn)中，ISO 9303和ISO 9305的主要內(nèi)容在GB/T 5777中可以找到。鋼管廠接觸較少的標(biāo)準(zhǔn)是ISO 10543和ISO 10124。 ISO 10543標(biāo)準(zhǔn)適用于檢測(cè)外徑大于和等于25.4毫米，最小壁厚2.6毫米的鋼管。標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明：測(cè)厚時(shí)，不要求管子表面100%掃查，除非產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有要求或用戶和制造商協(xié)商；使用相同的超聲波探頭可以按照ISO 10124檢測(cè)分層缺欠。檢測(cè)時(shí)，掃查螺距不應(yīng)大于150毫米。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能區(qū)分合格和可疑

4、管子，并有自動(dòng)報(bào)警和標(biāo)記系統(tǒng)。使用相同規(guī)格的鋼管加工對(duì)比試樣，壁厚公差0.05毫米或0.2%之間取大者。設(shè)備對(duì)壁厚的檢測(cè)精度0.1毫米或2%之間取大者。用對(duì)比試樣校驗(yàn)設(shè)備的間隔時(shí)間應(yīng)小于4小時(shí)。檢測(cè)時(shí)沒(méi)有報(bào)警的管子為合格品。報(bào)警管子為可疑品，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記或再次檢測(cè)，還可以將報(bào)警超標(biāo)部分切除。 ISO 10124標(biāo)準(zhǔn)適用于檢測(cè)外徑大于30毫米的鋼管。最小壁厚沒(méi)有規(guī)定，但是小于5毫米壁厚的鋼管檢測(cè)和確定分層尺寸會(huì)有困難。使用超聲脈沖反射法檢測(cè)分層缺欠，超聲波束垂直鋼管表面，探頭最大長(zhǎng)度30毫米，最低頻率2MHz。對(duì)比試樣采用平底孔、正方形、矩形刻槽校驗(yàn)設(shè)備，尺寸為周向?qū)挾然蛑睆?毫米，深度為壁厚的1

5、/4到1/2，最大10毫米。用對(duì)比試樣校驗(yàn)設(shè)備的間隔時(shí)間應(yīng)小于4小時(shí)，或檢測(cè)10支鋼管后，取時(shí)間長(zhǎng)者。檢測(cè)時(shí)沒(méi)有報(bào)警的管子為合格品。報(bào)警管子為可疑品，可再次檢測(cè)，采用手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)掃查確定分層的范圍，還可以將可疑部分切除。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 204902006修改采用ISO 10124標(biāo)準(zhǔn)。 2. 檢測(cè)設(shè)備 無(wú)縫鋼管廠有五套超聲波自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，其中四套為探頭旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)鋼管縱向缺陷、橫向缺陷、分層缺欠、鋼管壁厚，一套為鋼管旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)系統(tǒng)，主要檢測(cè)鉆桿焊縫的橫向缺陷。 探頭旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)系統(tǒng)中，兩套為德國(guó)KRAUTKRAMER公司制造的ROT180檢測(cè)設(shè)備。采用探頭旋轉(zhuǎn)，鋼管直線前進(jìn)的

6、檢測(cè)方式，縱波檢測(cè)鋼管壁厚和分層缺欠，橫波檢測(cè)縱向缺陷、橫向缺陷。每臺(tái)ROT180檢測(cè)設(shè)備有18只探頭，裝在四個(gè)插件中，四個(gè)插件在旋轉(zhuǎn)體的一個(gè)截面上，互相呈90度布置。每個(gè)插件安裝兩只檢測(cè)縱向缺陷的探頭，兩只探頭發(fā)射的聲束從管子圓周上相反方向入射到鋼管內(nèi)部，每個(gè)插件上有兩只檢測(cè)橫向缺陷的探頭，兩只探頭發(fā)射的聲束沿管子軸線上相反方向入射到鋼管內(nèi)部，測(cè)厚探頭有兩只，分別裝在呈180度布置的兩個(gè)插件上，另兩個(gè)插件則沒(méi)有測(cè)厚探頭。鋼管橫向檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖3，鋼管縱向檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖4，鋼管測(cè)厚檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖5。 3. 對(duì)比試樣的制作 按照檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在對(duì)比試樣鋼管上加工縱向、橫向缺陷、分層、測(cè)厚基準(zhǔn)。

7、 縱向缺陷為平行于管軸的槽，機(jī)械加工。橫向缺陷為垂直于管軸的槽，電蝕加工。分層缺欠為平行于管軸的槽，機(jī)械加工。測(cè)厚基準(zhǔn)為管周向的圓環(huán)，機(jī)械加工。 鋼管橫向缺陷和分層缺欠的示意圖分別見(jiàn)圖6、圖7。在鋼管自動(dòng)超聲波檢測(cè)過(guò)程中，采用的是當(dāng)量比較的方法，即把缺陷回波的幅度與標(biāo)準(zhǔn)人工傷的回波幅度比較的方法來(lái)判定缺陷。如果鋼管缺陷回波幅度比標(biāo)準(zhǔn)人工傷低，則認(rèn)為是合格管，如果缺陷回波幅度比標(biāo)準(zhǔn)人工傷高，則認(rèn)為是有缺陷鋼管。因此對(duì)比試樣鋼管上的標(biāo)準(zhǔn)人工傷的精度將直接影響到判傷的準(zhǔn)確性。 標(biāo)準(zhǔn)人工傷的刻槽方式有兩種，一種是鋸片刻槽，矩形槽的底面是平的，另一種刻槽方式為電蝕加工，槽是U形的，底面有一定圓弧。無(wú)論采

8、用哪一種方式，都要求槽的中心線與管材中心線要盡量重合。如果不重合或刻槽發(fā)生偏斜，則會(huì)嚴(yán)重影響判傷的準(zhǔn)確性和現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試。如果用人工刻槽兩側(cè)的回波幅度來(lái)衡量刻槽垂直度，一般要求2dB。4. 設(shè)備調(diào)整 4.1 周向靈敏度差的調(diào)整 ROT180檢測(cè)設(shè)備的主機(jī)部分由探頭旋轉(zhuǎn)體和鋼管夾緊定心裝置組成。定心裝置安裝在一個(gè)平臺(tái)上，前后一共有四組夾緊輪。更換鋼管規(guī)格時(shí)，探頭旋轉(zhuǎn)體可以移出平臺(tái)，以便根據(jù)鋼管的外徑安裝相應(yīng)尺寸的水耦合板和導(dǎo)向襯套。圖8為檢測(cè)平臺(tái)示意圖。探頭旋轉(zhuǎn)式超聲波檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)，探頭旋轉(zhuǎn)軌跡的圓心和鋼管的圓心存在偏差，即同心度偏差，造成鋼管圓周方向上各點(diǎn)和檢測(cè)探頭的距離發(fā)生變化，聲束入射角和折

9、射角變化，探頭接收到的信號(hào)隨之變化，圓周方向上的靈敏度產(chǎn)生波動(dòng)，對(duì)檢測(cè)的可靠性而言，這種波動(dòng)越小越好?，F(xiàn)場(chǎng)造成同心度偏差的原因主要有：旋轉(zhuǎn)體前后定心輪之間同心度偏差，定心輪和旋轉(zhuǎn)探頭之間的同心度偏差，鋼管彎曲引起同心度偏差。 超聲波檢測(cè)前，需要對(duì)設(shè)備的同心度進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，以減小周向靈敏度差。 將調(diào)試樣管放置在探頭主機(jī)和夾輪裝置中間，用超聲波測(cè)厚探頭對(duì)準(zhǔn)調(diào)試樣管，使鋼管表面的界面反射波信號(hào)在探傷儀器上顯示出來(lái)，旋轉(zhuǎn)探頭主機(jī)，觀察界面波在儀器時(shí)間軸上的變化范圍，可以檢測(cè)探傷設(shè)備的同心度。探頭信號(hào)檢測(cè)同心度示意圖見(jiàn)圖9。 采用超聲脈沖回波法測(cè)量材料厚度時(shí)，厚度值（X）是聲速與超聲在材料中傳播往返時(shí)

10、間一半的乘積。 X =（Ct）2 式中：X材料厚度，mm C 聲速，mm/s t 聲波在材料中往返一次的傳播時(shí)間，s 實(shí)例：檢測(cè)時(shí)，探頭和鋼管表面充滿水，超聲波在水中聲速是1480 m/s，當(dāng)探頭處在探傷主機(jī)旋轉(zhuǎn)體的水平位置1時(shí)，一次界面波在時(shí)間軸上所處刻度顯示為37.0s，超聲波在水中往返一次的傳播時(shí)間37.0s，則探頭到鋼管表面距離為1.4837.02=27.38 mm。 當(dāng)探頭處在探傷主機(jī)旋轉(zhuǎn)體的水平位置2時(shí),探頭界面反射波信號(hào)所處刻度顯示為38.5s,，則探頭到鋼管表面距離為1.4838.52=28.49 mm。 則同心度偏差為(28.49 mm - 27.38 mm)2 = 0.56

11、 mm。 根據(jù)儀器顯示的數(shù)值，可以調(diào)整設(shè)備的同心度，直至合格。 根據(jù)我廠情況，要使周向靈敏度差小于4分貝，鋼管外徑20 mm 50 mm時(shí)，同心度偏差在0.3 mm以內(nèi)，外徑50 mm 100 mm時(shí)，同心度偏差在0.4 mm以內(nèi)，外徑100 mm 200 mm時(shí)，同心度偏差在0.5 mm以內(nèi)。4.2 檢測(cè)縱向缺陷時(shí)，入射角的調(diào)整 檢測(cè)縱向缺陷時(shí)，探頭發(fā)射的超聲波主聲束是傾斜入射到鋼管內(nèi)部的，由于偏心距的不同，儀器顯示的外表缺陷和內(nèi)表缺陷的反射波高隨之產(chǎn)生變化，以規(guī)格385的鋼管為例，內(nèi)表缺陷反射波高最高點(diǎn)的偏心距，和外表缺陷反射波高最高點(diǎn)的偏心距并不相同，偏心距6毫米時(shí)，外表缺陷反射波高最高

12、，偏心距5毫米時(shí)，內(nèi)表缺陷反射波高最高。根據(jù)聲波斜入射時(shí)的聲壓往復(fù)透射率曲線分析，當(dāng)縱波傾斜入射到水鋼界面，入射角為14.527.2時(shí)，鋼中只有折射橫波，在折射角3570時(shí)，其聲壓往復(fù)透射率較高。 作圖分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人工缺陷為矩形刻槽時(shí)，內(nèi)表缺陷的橫波入射角始終大于外表缺陷的橫波折射角。結(jié)合聲壓往復(fù)透射率曲線分析，385毫米的鋼管，在較佳的信躁比情況下，內(nèi)表缺陷反射波高比外表缺陷反射波高低24分貝是正常現(xiàn)象，可以用兩個(gè)報(bào)警閘門分別調(diào)試內(nèi)外缺陷，數(shù)字式儀器還可以用DAC補(bǔ)償，使儀器顯示的內(nèi)外缺陷一樣高。 4.3 檢測(cè)橫向缺陷 慢慢移動(dòng)對(duì)比試樣，觀察界面波，當(dāng)外傷到達(dá)探頭入射點(diǎn)時(shí)，有時(shí)界面波反射

13、信號(hào)會(huì)提高，實(shí)際上是縱波直接打到外表橫傷的反射信號(hào)，為入射點(diǎn)。繼續(xù)移動(dòng)對(duì)比試樣，使內(nèi)、外表橫向缺陷的反射波顯示，調(diào)整內(nèi)、外傷靈敏度，報(bào)警閘門高度和寬度。開動(dòng)旋轉(zhuǎn)探頭和輸送輥道，按照檢測(cè)速度動(dòng)態(tài)調(diào)試內(nèi)、外傷，使內(nèi)、外傷報(bào)警。4.4 檢測(cè)厚度 將對(duì)比試樣定徑段移至測(cè)厚探頭處，打開界面觸發(fā)開關(guān)進(jìn)行界面觸發(fā)，顯示測(cè)厚功能閘門，使界面波落入閘門范圍內(nèi)。調(diào)整檢測(cè)壁厚閘門及報(bào)警電平，顯示壁厚數(shù)值應(yīng)與定徑段的實(shí)際厚度一致。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及用戶需要，設(shè)定壁厚的上、下限，使數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)。4.5 檢測(cè)分層缺欠 慢慢移動(dòng)對(duì)比試樣，觀察界面波，和測(cè)厚一樣，將紅色閘門包含界面波，當(dāng)分層到達(dá)探頭時(shí)，界面波和底波之間出現(xiàn)分層信號(hào)

14、，將紫色閘門調(diào)到分層，調(diào)節(jié)靈敏度，使報(bào)警。對(duì)比試樣移動(dòng)到正常壁厚，紫色閘門不能碰到界面波和底波。動(dòng)態(tài)走樣管，使LAM走到分層處報(bào)警，分選打開，生產(chǎn)。4.6 管端檢測(cè) 精整無(wú)損檢測(cè)工序負(fù)責(zé)高壓鍋爐管及部分油井管的質(zhì)量檢測(cè)工作。該工序現(xiàn)有檢測(cè)方法為渦流檢測(cè)及超聲波檢測(cè)，均屬于在線自動(dòng)檢測(cè)機(jī)組，對(duì)管體縱向或者橫向缺陷的探測(cè)及管體超聲波測(cè)厚。由于在線檢測(cè)機(jī)組設(shè)備功能上的限制，管料頭尾均有一部分無(wú)法檢測(cè)，形成管料的頭尾不可探測(cè)區(qū)。鋼管檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備綜合性能測(cè)試方法，均描述不可探測(cè)區(qū)的存在，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其長(zhǎng)度不大于200mm。但大部分用戶對(duì)無(wú)損檢測(cè)后管料的不可探測(cè)區(qū)要求去除。因此，鋼管廠在油井管檢驗(yàn)線設(shè)置了管

15、料頭尾管端的磁粉檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)管料端部缺陷。精整鍋爐管線生產(chǎn)的鋼管主要是高壓鍋爐管，鋼管規(guī)格以小口徑為主，而小口徑鋼管無(wú)法進(jìn)行內(nèi)壁的磁粉檢測(cè)，因此磁粉探傷不能適應(yīng)精整鍋爐管線管料的檢測(cè)。為此，我廠在鍋爐管線生產(chǎn)上安裝管端超聲波檢測(cè)裝置，用以檢測(cè)管端缺陷。 管端檢測(cè)設(shè)備由超聲波檢測(cè)裝置、步進(jìn)梁方式的中間橫向輸送設(shè)備和回轉(zhuǎn)輥組成。當(dāng)鋼管被送到回轉(zhuǎn)輥工位后，壓輥下降將鋼管穩(wěn)定夾住，密封裝置由液壓缸頂出，超聲波檢測(cè)裝置被液壓缸頂上貼近被檢鋼管端部，回轉(zhuǎn)輥帶動(dòng)鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)，探頭檢測(cè)完端部后，再由電機(jī)推動(dòng)沿鋼管軸向移動(dòng)，繼續(xù)檢測(cè)，在移動(dòng)50mm250mm后，液壓缸帶動(dòng)探頭回到原位、壓輥上升復(fù)位，回轉(zhuǎn)輥停轉(zhuǎn)，步進(jìn)梁將鋼管橫向輸送到下一個(gè)工位。5 結(jié)論 （1）探頭旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)系統(tǒng)，能夠檢測(cè)鋼管縱向缺陷、橫向缺陷、分層缺欠、鋼管壁厚，滿足高壓鍋爐管、管線管、油井管的檢測(cè)要求。 （2）對(duì)比試樣鋼管上的標(biāo)準(zhǔn)人工