鋼質(zhì)管線采用全自動(dòng)超聲波檢測(cè)橫波聲速測(cè)定方法研究

閆留青，裴 彪

（海洋石油工程股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300452）

隨著地下管道的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)（AUT）以其高效、精確、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，成為地下管道環(huán)焊縫檢測(cè)的首選方法。而鋼質(zhì)管線在制造過(guò)程中，由于各管廠的鋼材軋制和制造工藝的差異，導(dǎo)致不同管廠生產(chǎn)的管材的超聲波聲速[1]存在較大差異。如果聲速差異較大，根據(jù)Snell 定律可知，超聲波聚焦聲束將偏離工藝設(shè)計(jì)中的聚焦區(qū)域，導(dǎo)致我們無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)焊縫各個(gè)分區(qū)[2]。

為確保AUT 檢測(cè)系統(tǒng)焊縫檢測(cè)聚焦區(qū)域以及后續(xù)系統(tǒng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，需對(duì)管材的橫波聲速進(jìn)行測(cè)定并輸入AUT 系統(tǒng)開(kāi)展后續(xù)的系統(tǒng)校準(zhǔn)工作。

本文依托管徑為323.9mm，壁厚15.9mm 的鋼質(zhì)管線，加工了橫波聲速測(cè)定試塊，詳細(xì)描述了運(yùn)用AUT 檢測(cè)系統(tǒng)和橫波聲速探頭，測(cè)定管線中實(shí)際的橫波聲速的步驟和方法。

1 AUT技術(shù)簡(jiǎn)介及系統(tǒng)校準(zhǔn)概述

1.1 AUT 技術(shù)簡(jiǎn)介

全自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)（AUT）早期亦稱之為焊縫分區(qū)檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)主要是根據(jù)檢測(cè)焊縫的坡口形式、壁厚等參數(shù)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，并對(duì)AUT 檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)AUT 掃查器對(duì)焊縫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)系統(tǒng)分析軟件對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，并轉(zhuǎn)化成帶狀圖進(jìn)行顯示（如下圖1 所示），最終技術(shù)人員根據(jù)帶狀圖信號(hào)評(píng)估焊縫的焊接質(zhì)量。AUT 檢測(cè)系統(tǒng)如下圖2 所示。

圖1 AUT 帶狀圖顯示

圖2 AUT 檢測(cè)系統(tǒng)

1.2 AUT 系統(tǒng)校準(zhǔn)概述

AUT 系統(tǒng)校準(zhǔn)是將系統(tǒng)初始設(shè)置中各個(gè)通道在校準(zhǔn)試塊（如圖3 所示）與之對(duì)應(yīng)反射體上，將反射體回波調(diào)整到80%FSH基準(zhǔn)波高，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)AUT 系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，AUT 系統(tǒng)校準(zhǔn)圖如下圖4 所示。

圖3 AUT 校準(zhǔn)試塊

圖4 AUT 系統(tǒng)校準(zhǔn)圖

2 橫波聲速測(cè)定試驗(yàn)原理和試塊設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原理

鋼質(zhì)管線橫波聲速測(cè)定需依托橫波聲速測(cè)定試塊開(kāi)展。橫波聲速測(cè)定試塊需選用與管材同一管廠生產(chǎn)的、同一材質(zhì)、同一管徑、同一壁厚的材料進(jìn)行加工。使用專用橫波聲速探頭、非牛頓流體耦合劑和AUT 設(shè)備進(jìn)行測(cè)定。

橫波聲速計(jì)算方法為：V=2d/t。

其中V 為橫波聲速；d 為試塊厚度；t 為AUT 設(shè)備通過(guò)脈沖反射法測(cè)得的時(shí)間間隔。

2.2 橫波聲速試塊設(shè)計(jì)

由于管廠的鋼材軋制和制造工藝存在差異，為準(zhǔn)確測(cè)定管材橫波聲速，需至少通過(guò)3 個(gè)角度位置，即0°，20°和90°，分別測(cè)定管材橫波聲速。

為實(shí)現(xiàn)3 個(gè)角度的聲速測(cè)定，基于管徑為323.9mm，壁厚15.9mm 的管材設(shè)計(jì)加工了一個(gè)橫波聲速測(cè)定試塊（聲束試塊中3 個(gè)位置壁厚加工精度為±0.1mm），如下圖5 所示。

圖5 橫波聲速試塊

3 橫波聲速測(cè)定試驗(yàn)方法

由于管材的各項(xiàng)異性，橫波在材料各個(gè)方向上的聲速有較大區(qū)別，因此，基于2.2 節(jié)設(shè)計(jì)加工了管徑為323.9mm，壁厚15.9mm 的橫波聲速試塊，采用橫波聲速探頭與AUT 設(shè)備進(jìn)行橫波聲速測(cè)定。

首先，采用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量聲速試塊0°，20°和90°三個(gè)位置的實(shí)際壁厚，每個(gè)位置測(cè)量三次取平均值，依次將三個(gè)位置實(shí)際壁厚平均值記錄在聲速測(cè)定記錄表（如下表1）中。

將橫波聲速探頭與AUT 設(shè)備1#常規(guī)通道連接并按聲速測(cè)定要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，隨后將橫波聲速探頭依次放置0°，20°和90°三個(gè)位置（如下圖6 所示），使用非牛頓流體耦合劑（蜂蜜），并扭轉(zhuǎn)探頭，觀察雙折射回波（如下圖7 所示），將快波第一次底波和第二次底波之間的時(shí)間間隔，每個(gè)位置分別記錄3 次間隔時(shí)間并將平均值記錄在表1 中。

圖6 聲速測(cè)定位置

圖7 聲速測(cè)定雙折射回波圖

根據(jù)2.1 節(jié)所示的橫波聲速公式以及聲速試塊0°，20°和90°三個(gè)位置的實(shí)測(cè)厚度，分別計(jì)算3 個(gè)位置橫波快波聲速，并依次填入聲速測(cè)定記錄表，如下表1 所示。

表1 橫波聲速測(cè)定記錄表

根據(jù)計(jì)算所得的橫波聲速繪制橫波聲速圖，如下圖8 所示，由圖譜可以計(jì)算出超聲波任何入射角度的橫波聲速值（其中橫坐標(biāo)為橫波入射角度，縱坐標(biāo)為橫波聲速）。

圖8 橫波聲速圖

4 結(jié)論

本文基于管徑為323.9mm，壁厚15.9mm 的鋼質(zhì)管線加工了橫波聲速測(cè)定試塊，并基于該試塊詳細(xì)描述了在0°，20°和90°三個(gè)位置分別測(cè)定橫波快波第一次底波和第二次底波時(shí)間間隔，計(jì)算各個(gè)位置橫波實(shí)際聲速的試驗(yàn)方法。以便后續(xù)將實(shí)際測(cè)定的橫波聲速輸入AUT 系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)后續(xù)對(duì)AUT檢測(cè)系統(tǒng)的精確校準(zhǔn)。

同時(shí)，本文描述的橫波聲速測(cè)定方法不僅能夠確保后續(xù)AUT 檢測(cè)工藝校準(zhǔn)的精度，還對(duì)其他相控陣或常規(guī)超聲檢測(cè)聲速測(cè)定具有很好的指導(dǎo)作用。