鋼管無損檢測技術(shù)的應用和探討

1、 鋼管無損檢測技術(shù)的應用和探討摘要：本文介紹了無損檢測技術(shù)在鋼管廠的應用情況，針對現(xiàn)場一些問題，包括檢測標準，檢測設備的調(diào)整，對比試樣的制作等進行分析和探討。 關鍵詞：檢測標準；設備調(diào)整；對比試樣 根據(jù)生產(chǎn)方式的差異，鋼管分為無縫鋼管和焊接鋼管。寶鋼股份寶鋼分公司鋼管廠目前有無縫鋼管廠、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)品需要進行無損檢測。其中，高壓鍋爐管進行渦流、超聲波檢測；油井管進行超聲波、漏磁、渦流檢測，管端進行磁粉檢測；管線管進行渦流和超聲波檢測；ERW焊管進行板材超聲波檢測、在線超聲波檢測、離線焊縫檢測、管端超聲波檢測、超聲波管體檢測；UOE焊管

2、進行超聲波檢測和射線檢測。在鋼管廠應用的幾種檢測方法中，超聲波檢測是最重要的一種，本文著重介紹超聲波檢測中遇到的一些問題，包括檢測標準，檢測設備的調(diào)整，對比試樣的制作等進行分析和探討。 1. 檢測標準 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標準的，要求按照ASTM E213超聲波檢測；執(zhí)行GB5310標準的，要求按照GB/T 5777超聲波檢測。管線管產(chǎn)品執(zhí)行API SPEC 5L標準的，要求按照ASTM E213超聲波檢測；管線管產(chǎn)品執(zhí)行ISO 3183-3標準的，要求按照ISO 9303超聲波檢測縱向缺陷，按照ISO 930

3、5超聲波檢測橫向缺陷，按照ISO 10543超聲波檢測厚度，按照ISO 10124超聲波檢測分層缺欠，按照ISO 11496超聲波檢測管端分層缺欠。 在以上標準中，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準是ISO 10543和ISO 10124。 ISO 10543標準適用于檢測外徑大于和等于25.4毫米，最小壁厚2.6毫米的鋼管。標準說明：測厚時，不要求管子表面100%掃查，除非產(chǎn)品標準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檢測分層缺欠。檢測時，掃查螺距不應大于150毫米。自動檢測系統(tǒng)應能區(qū)分合格和可疑

4、管子，并有自動報警和標記系統(tǒng)。使用相同規(guī)格的鋼管加工對比試樣，壁厚公差0.05毫米或0.2%之間取大者。設備對壁厚的檢測精度0.1毫米或2%之間取大者。用對比試樣校驗設備的間隔時間應小于4小時。檢測時沒有報警的管子為合格品。報警管子為可疑品，應進行標記或再次檢測，還可以將報警超標部分切除。 ISO 10124標準適用于檢測外徑大于30毫米的鋼管。最小壁厚沒有規(guī)定，但是小于5毫米壁厚的鋼管檢測和確定分層尺寸會有困難。使用超聲脈沖反射法檢測分層缺欠，超聲波束垂直鋼管表面，探頭最大長度30毫米，最低頻率2MHz。對比試樣采用平底孔、正方形、矩形刻槽校驗設備，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。用對比試樣校驗設備的間隔時間應小于4小時，或檢測10支鋼管后，取時間長者。檢測時沒有報警的管子為合格品。報警管子為可疑品，可再次檢測，采用手動、半自動、自動掃查確定分層的范圍，還可以將可疑部分切除。國家標準GB/T 204902006修改采用ISO 10124標準。 2. 檢測設備 無縫鋼管廠有五套超聲波自動檢測設備，其中四套為探頭旋轉(zhuǎn)式檢測系統(tǒng)，能夠檢測鋼管縱向缺陷、橫向缺陷、分層缺欠、鋼管壁厚，一套為鋼管旋轉(zhuǎn)式檢測系統(tǒng)，主要檢測鉆桿焊縫的橫向缺陷。 探頭旋轉(zhuǎn)式檢測系統(tǒng)中，兩套為德國KRAUTKRAMER公司制造的ROT180檢測設備。采用探頭旋轉(zhuǎn)，鋼管直線前進的

6、檢測方式，縱波檢測鋼管壁厚和分層缺欠，橫波檢測縱向缺陷、橫向缺陷。每臺ROT180檢測設備有18只探頭，裝在四個插件中，四個插件在旋轉(zhuǎn)體的一個截面上，互相呈90度布置。每個插件安裝兩只檢測縱向缺陷的探頭，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，每個插件上有兩只檢測橫向缺陷的探頭，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，測厚探頭有兩只，分別裝在呈180度布置的兩個插件上，另兩個插件則沒有測厚探頭。鋼管橫向檢測示意圖見圖3，鋼管縱向檢測示意圖見圖4，鋼管測厚檢測示意圖見圖5。 3. 對比試樣的制作 按照檢測標準的要求，在對比試樣鋼管上加工縱向、橫向缺陷、分層、測厚基準。

7、 縱向缺陷為平行于管軸的槽，機械加工。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，機械加工。測厚基準為管周向的圓環(huán)，機械加工。 鋼管橫向缺陷和分層缺欠的示意圖分別見圖6、圖7。在鋼管自動超聲波檢測過程中，采用的是當量比較的方法，即把缺陷回波的幅度與標準人工傷的回波幅度比較的方法來判定缺陷。如果鋼管缺陷回波幅度比標準人工傷低，則認為是合格管，如果缺陷回波幅度比標準人工傷高，則認為是有缺陷鋼管。因此對比試樣鋼管上的標準人工傷的精度將直接影響到判傷的準確性。 標準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，則會嚴重影響判傷的準確性和現(xiàn)場的調(diào)試。如果用人工刻槽兩側(cè)的回波幅度來衡量刻槽垂直度，一般要求2dB。4. 設備調(diào)整 4.1 周向靈敏度差的調(diào)整 ROT180檢測設備的主機部分由探頭旋轉(zhuǎn)體和鋼管夾緊定心裝置組成。定心裝置安裝在一個平臺上，前后一共有四組夾緊輪。更換鋼管規(guī)格時，探頭旋轉(zhuǎn)體可以移出平臺，以便根據(jù)鋼管的外徑安裝相應尺寸的水耦合板和導向襯套。圖8為檢測平臺示意圖。探頭旋轉(zhuǎn)式超聲波檢測設備工作時，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和檢測探頭的距離發(fā)生變化，聲束入射角和折

9、射角變化，探頭接收到的信號隨之變化，圓周方向上的靈敏度產(chǎn)生波動，對檢測的可靠性而言，這種波動越小越好?，F(xiàn)場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。 超聲波檢測前，需要對設備的同心度進行測試和調(diào)整，以減小周向靈敏度差。 將調(diào)試樣管放置在探頭主機和夾輪裝置中間，用超聲波測厚探頭對準調(diào)試樣管，使鋼管表面的界面反射波信號在探傷儀器上顯示出來，旋轉(zhuǎn)探頭主機，觀察界面波在儀器時間軸上的變化范圍，可以檢測探傷設備的同心度。探頭信號檢測同心度示意圖見圖9。 采用超聲脈沖回波法測量材料厚度時，厚度值（X）是聲速與超聲在材料中傳播往返時

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間，s 實例：檢測時，探頭和鋼管表面充滿水，超聲波在水中聲速是1480 m/s，當探頭處在探傷主機旋轉(zhuǎn)體的水平位置1時，一次界面波在時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間37.0s，則探頭到鋼管表面距離為1.4837.02=27.38 mm。 當探頭處在探傷主機旋轉(zhuǎn)體的水平位置2時,探頭界面反射波信號所處刻度顯示為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，同心度偏差在0.3 mm以內(nèi)，外徑50 mm 100 mm時，同心度偏差在0.4 mm以內(nèi)，外徑100 mm 200 mm時，同心度偏差在0.5 mm以內(nèi)。4.2 檢測縱向缺陷時，入射角的調(diào)整 檢測縱向缺陷時，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的偏心距，和外表缺陷反射波高最高點的偏心距并不相同，偏心距6毫米時，外表缺陷反射波高最高

12、，偏心距5毫米時，內(nèi)表缺陷反射波高最高。根據(jù)聲波斜入射時的聲壓往復透射率曲線分析，當縱波傾斜入射到水鋼界面，入射角為14.527.2時，鋼中只有折射橫波，在折射角3570時，其聲壓往復透射率較高。 作圖分析可以發(fā)現(xiàn)，當人工缺陷為矩形刻槽時，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?，F(xiàn)象，可以用兩個報警閘門分別調(diào)試內(nèi)外缺陷，數(shù)字式儀器還可以用DAC補償，使儀器顯示的內(nèi)外缺陷一樣高。 4.3 檢測橫向缺陷 慢慢移動對比試樣，觀察界面波，當外傷到達探頭入射點時，有時界面波反射

13、信號會提高，實際上是縱波直接打到外表橫傷的反射信號，為入射點。繼續(xù)移動對比試樣，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，報警閘門高度和寬度。開動旋轉(zhuǎn)探頭和輸送輥道，按照檢測速度動態(tài)調(diào)試內(nèi)、外傷，使內(nèi)、外傷報警。4.4 檢測厚度 將對比試樣定徑段移至測厚探頭處，打開界面觸發(fā)開關進行界面觸發(fā)，顯示測厚功能閘門，使界面波落入閘門范圍內(nèi)。調(diào)整檢測壁厚閘門及報警電平，顯示壁厚數(shù)值應與定徑段的實際厚度一致。根據(jù)標準及用戶需要，設定壁厚的上、下限，使數(shù)據(jù)存入計算機。4.5 檢測分層缺欠 慢慢移動對比試樣，觀察界面波，和測厚一樣，將紅色閘門包含界面波，當分層到達探頭時，界面波和底波之間出現(xiàn)分層信號

14、，將紫色閘門調(diào)到分層，調(diào)節(jié)靈敏度，使報警。對比試樣移動到正常壁厚，紫色閘門不能碰到界面波和底波。動態(tài)走樣管，使LAM走到分層處報警，分選打開，生產(chǎn)。4.6 管端檢測 精整無損檢測工序負責高壓鍋爐管及部分油井管的質(zhì)量檢測工作。該工序現(xiàn)有檢測方法為渦流檢測及超聲波檢測，均屬于在線自動檢測機組，對管體縱向或者橫向缺陷的探測及管體超聲波測厚。由于在線檢測機組設備功能上的限制，管料頭尾均有一部分無法檢測，形成管料的頭尾不可探測區(qū)。鋼管檢測標準及設備綜合性能測試方法，均描述不可探測區(qū)的存在，標準規(guī)定其長度不大于200mm。但大部分用戶對無損檢測后管料的不可探測區(qū)要求去除。因此，鋼管廠在油井管檢驗線設置了管

15、料頭尾管端的磁粉檢測裝置，用于檢測管料端部缺陷。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，而小口徑鋼管無法進行內(nèi)壁的磁粉檢測，因此磁粉探傷不能適應精整鍋爐管線管料的檢測。為此，我廠在鍋爐管線生產(chǎn)上安裝管端超聲波檢測裝置，用以檢測管端缺陷。 管端檢測設備由超聲波檢測裝置、步進梁方式的中間橫向輸送設備和回轉(zhuǎn)輥組成。當鋼管被送到回轉(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，超聲波檢測裝置被液壓缸頂上貼近被檢鋼管端部，回轉(zhuǎn)輥帶動鋼管轉(zhuǎn)動，探頭檢測完端部后，再由電機推動沿鋼管軸向移動，繼續(xù)檢測，在移動50mm250mm后，液壓缸帶動探頭回到原位、壓輥上升復位，回轉(zhuǎn)輥停轉(zhuǎn)，步進梁將鋼管橫向輸送到下一個工位。5 結(jié)論 （1）探頭旋轉(zhuǎn)式檢測系統(tǒng)，能夠檢測鋼管縱向缺陷、橫向缺陷、分層缺欠、鋼管壁厚，滿足高壓鍋爐管、管線管、油井管的檢測要求。 （2）對比試樣鋼管上的標準人工