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]。
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。
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
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
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
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。
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
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
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
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。
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。
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
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
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。
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。
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。