一種新型高精度鋼板超聲檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用*

魏克同， 龔 健， 蘇 志， 汪 超， 王 俊

（1. 渤海裝備江蘇鋼管公司， 南京210061； 2. 武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司， 武漢430070）

隨著管道建設(shè)行業(yè)的復(fù)蘇， 制管企業(yè)又迎來了大發(fā)展時(shí)期， 為契合管道全生命周期質(zhì)量管理的理念， 各鋼管廠對(duì)自身裝備自動(dòng)化、 信息化的實(shí)施投入較大， 實(shí)現(xiàn)了MES、 物聯(lián)識(shí)別、自動(dòng)噴標(biāo)及自動(dòng)測(cè)量等信息化管理， 但在母材缺陷檢出方面還存在較大的技術(shù)和裝備短板。在當(dāng)前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下， 客戶對(duì)質(zhì)量控制的要求往往超越了項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)， 符合標(biāo)準(zhǔn)更應(yīng)符合業(yè)主要求的質(zhì)量控制理念被一再提起， 鋼管的原材料質(zhì)量過硬愈發(fā)成為當(dāng)前制管企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)和關(guān)鍵。 在鋼管制造新檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中， 為了嚴(yán)格控制鋼管原材料的質(zhì)量， 要求對(duì)鋼板進(jìn)行100%母材分層和鋼板板邊非分層檢測(cè)[1]， 因此設(shè)計(jì)了一種新型高精度鋼板超聲檢測(cè)系統(tǒng)， 本研究主要從以下3 個(gè)方面進(jìn)行描述： 一是對(duì)鋼板100%覆蓋分層缺陷檢測(cè)， 并保證上、 下表面檢測(cè)盲區(qū)≤1.5 mm；二是對(duì)鋼板邊緣檢測(cè)盲區(qū)≤5 mm， 并保證板頭和板尾檢測(cè)盲區(qū)≤20 mm； 三是對(duì)鋼板板邊50 mm范圍內(nèi)100%覆蓋非分層縱向、 橫向缺陷檢測(cè)。該檢測(cè)系統(tǒng)通過以上3 個(gè)方面的實(shí)際運(yùn)用， 確保了鋼板內(nèi)部分層缺陷和非分層缺陷的100%檢出。

1 鋼板分層檢測(cè)

1.1 探頭整體布置

鋼板分層檢測(cè)是對(duì)鋼板100%覆蓋分層缺陷檢測(cè)[2-4]， 并保證檢測(cè)上、 下表面盲區(qū)≤1.5 mm。為了保證4 500 mm 板寬的鋼板100%覆蓋， 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為每4 個(gè)通道1 個(gè)模塊， 總通道數(shù)為232（2 個(gè)通道備用）， 保證每個(gè)接收探頭晶片對(duì)應(yīng)的儀器通道為真實(shí)的物理通道， 參數(shù)可獨(dú)立設(shè)置， 具體通道分布及數(shù)量見表1。

表1 超聲檢測(cè)系統(tǒng)通道分布及數(shù)量

同時(shí)為了每個(gè)通道的耦合監(jiān)視， 在原有物理通道中虛擬出232 個(gè)耦合監(jiān)視通道， 耦合監(jiān)控通道獨(dú)立， 范圍靈敏度報(bào)警閘門與探傷靈敏度分開調(diào)整， 保證耦合監(jiān)視符合-6 dB 波動(dòng)要求[4]，鋼板檢測(cè)探頭組分布如圖1 所示。

圖1 鋼板檢測(cè)探頭組分布示意圖

圖1 中B1 為板邊分層檢測(cè)探頭組； B2 為板邊橫向檢測(cè)探頭組， 探頭為前后雙向檢測(cè)組合探頭； B3 為板邊縱向檢測(cè)探頭組， 探頭為左右雙向檢測(cè)組合探頭[5-6]。

1.2 中部探頭組布置

中部?jī)膳盘筋^分布如圖2 所示。 中部探頭組呈兩排分布在兩個(gè)橫梁上， 第一排含96 個(gè)探 頭， 24 個(gè) 模 塊 ； 第 二 排 含100 個(gè) 探 頭 ， 25個(gè)模塊。 兩排探頭橫向偏移22.3 mm， 中部探頭距離板邊65 mm， 且每組探頭組由4 個(gè)1T1R 雙晶探頭組成， 其中第一排與第二排每個(gè)探頭的重疊量為3.75 mm。 依照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A435， 在保證100%探傷的前提下， 對(duì)每個(gè)探頭的有效探傷區(qū)域均至少有15%的覆蓋， 能滿足100%探傷覆蓋要求[5-6]。

圖2 中部探頭組分布示意圖 （單位：mm）

1.3 中部探頭邊緣處的設(shè)計(jì)

由于考慮鋼板板邊可能發(fā)生左右偏移， 因此， 邊部探頭雖覆蓋了板邊100 mm 的范圍， 但中間陣列還是要進(jìn)行邊緣覆蓋。

鋼板左 （右） 邊緣向左 （右） 偏移， 距離最大值35 mm， 此時(shí)邊部探頭向左 （右） 進(jìn)行跟蹤， 如果中部陣列沒有與邊探進(jìn)行重復(fù)覆蓋， 那么就會(huì)在邊緣處出現(xiàn)覆蓋空白。 因此，需要中部陣列延伸到邊緣處， 但不能覆蓋到鋼板板邊， 如果覆蓋到鋼板板邊， 將會(huì)發(fā)生鋼板板邊偏移的誤報(bào)。 鋼板板邊需要預(yù)留一定的空位， 此時(shí)， 由于邊部探頭的覆蓋長(zhǎng)度， 即使板向左發(fā)生偏移， 只要距離在35 mm 以內(nèi)， 本系統(tǒng)即可保證無縫覆蓋[7-10]。 如果板向右 （左） 橫移， 橫移量在35 mm 以內(nèi)， 邊部探頭與中部陣列探頭的最邊緣部分會(huì)發(fā)生重疊， 但中部陣列的邊緣探頭不會(huì)超出板邊， 中部探頭和邊緣探頭的分布如圖3 所示。

圖3 中部探頭和邊緣探頭分布示意圖 （單位：mm）

1.4 縱波探頭選用

縱波檢測(cè)采用專用鋼板檢測(cè)探頭， 特別對(duì)于靠近探頭的區(qū)域靈敏度極高， 整體高靈敏度是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及采用復(fù)合換能器取得， 即一個(gè)探頭殼內(nèi)有一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收換能器 （T1R1）[2-3]?？v波探頭額定頻率要求為2.25～10 MHz， 能有效探測(cè)鋼板表面1.5 mm 以下至底面1.5 mm 以上區(qū)域內(nèi)的有效聲束寬度為22.3 mm （縱波晶片尺寸為29.8 mm×8 mm×2 mm）， 縱波檢測(cè)時(shí)最佳水膜間隙設(shè)定為0.35～0.05 mm。 每組探頭套采用不銹鋼材料， 在兩側(cè)增加耐磨條， 最大限度減少磨損， 同時(shí)耐磨條為探頭耦合提供基準(zhǔn)面。 中部縱波探頭組實(shí)物照片如圖4 所示， 中部縱波探頭結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖4 中部縱波探頭組實(shí)物照片

圖5 中部縱波探頭結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 分層缺陷檢測(cè)靈敏度要求

對(duì)于鋼板分層檢測(cè)， CDP-S-NGP-PL-013標(biāo)準(zhǔn)要求采用對(duì)比試塊人工缺陷尺寸為[11]平底孔直徑 （60+0.35） mm， 平底孔深度包括t/2、 t/4和3t/4； 條形刻槽寬度6+00.35mm， 深度包括t/2、 t/4和3t/4。 靜態(tài)校準(zhǔn)要求以對(duì)比試塊上的平底孔產(chǎn)生信號(hào)100%幅度作為設(shè)定設(shè)備的觸發(fā)/報(bào)警界限[11-14]，通過標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行校驗(yàn)， 取得了良好的效果。

2 鋼板邊緣分層缺陷檢測(cè)

鋼板邊緣檢測(cè)要求檢測(cè)盲區(qū)≤5 mm， 并保證板頭和板尾檢測(cè)盲區(qū)≤20 mm。

鋼板縱邊部100 mm 范圍內(nèi)縱波檢測(cè)探頭采用每組由5 個(gè)1T1R 探頭組成， 中部探頭采用29.8 mm×8 mm×2 mm 晶片， 其有效寬度尺寸為22.5 mm； 最外側(cè)探頭采用15 mm×8 mm×2 mm晶片， 其有效寬度為11 mm， 通過優(yōu)化最外側(cè)探頭的晶片尺寸[9-10]， 從而確保鋼板邊緣盲區(qū)≤5 mm。 中部探頭組每組由4 個(gè)1T1R 雙晶探頭組成， 其中第一排與第二排每個(gè)探頭的重疊為3.75 mm， 邊部探頭布置如圖6 所示。

圖6 鋼板邊部探頭布置示意圖 （單位：mm）

3 鋼板邊部非分層缺陷檢測(cè)

對(duì)鋼板板邊50 mm 范圍內(nèi)的非分層縱向和橫向缺陷的檢測(cè)， 主要是檢測(cè)鋼板內(nèi)部的夾雜物、裂紋及重皮等， 避免對(duì)鋼管的焊接質(zhì)量造成影響。

3.1 鋼板板邊橫波縱向檢測(cè)

對(duì)于鋼板邊緣的縱向非分層缺陷的檢測(cè)， 由4個(gè)組合探頭 （共16 個(gè)通道） 分別從左右檢測(cè)縱向缺陷。 每個(gè)探頭都需采用1 次、 2 次、 3 次波檢測(cè)縱向缺陷。 橫波縱向檢測(cè)探頭分布如圖7 所示。

圖7 橫波縱向檢測(cè)探頭分布示意圖

3.2 鋼板板邊橫波橫向檢測(cè)

對(duì)于鋼板邊緣的橫向非分層缺陷的檢測(cè)， 單邊有1 組探架， 每個(gè)探架上有2 個(gè)組合探頭， 分別檢測(cè)向前、 向后的橫向缺陷[15-16]。 橫波橫向檢測(cè)探頭分布如圖8 所示。

圖8 橫波橫向檢測(cè)探頭分布示意圖

3.3 橫波探頭選用

設(shè)備橫波檢測(cè)采用專用鋼板的檢測(cè)探頭，橫波探頭的額定頻率要求為2.25～10 MHz， 有效聲束的寬度為9 mm （橫波晶片尺寸為13 mm×13 mm）， 縱波檢測(cè)時(shí)最佳水膜間隙應(yīng)設(shè)定為0.35～0.05 mm。 每組探頭套均采用不銹鋼材料， 同時(shí)在兩側(cè)增加耐磨條， 以最大限度減少磨損， 同時(shí)耐磨條為探頭耦合提供基準(zhǔn)面[2-3]。橫波縱向和橫向檢測(cè)探頭位置布置示意如圖9所示。

圖9 橫波縱向和橫向檢測(cè)探頭位置布置示意圖

3.4 非分層缺陷檢測(cè)靈敏度要求

依據(jù)NB/T 47013 標(biāo)準(zhǔn)要求， 對(duì)鋼板以60°的V 形槽、 槽深為鋼板厚度的3%作為校驗(yàn)對(duì)比試塊[15-16]， 以波高100%作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)， 取得了良好的效果。

4 應(yīng)用效果及系統(tǒng)先進(jìn)性

4.1 應(yīng)用效果

該新型鋼板超聲檢測(cè)系統(tǒng)能夠安全、 可靠、 有效地檢測(cè)出鋼板內(nèi)部分層、 夾雜物、 裂紋等缺陷。 鋼板內(nèi)部檢出缺陷金相組織如圖10所示。

圖10 鋼板內(nèi)部檢出缺陷金相圖

4.2 檢測(cè)系統(tǒng)的先進(jìn)性

該檢測(cè)系統(tǒng)的先進(jìn)性在于： ①利用4 組24個(gè)通道的斜探頭對(duì)鋼板左右兩邊各50 mm 范圍內(nèi)進(jìn)行100%橫波非分層檢測(cè)， 完全可以保證鋼板左右兩邊各50 mm 范圍內(nèi)裂紋、 收縮孔隙和超標(biāo)的夾雜物等缺陷100%檢測(cè)； ②利用2 組五合一探頭10 個(gè)通道對(duì)鋼板左右兩邊100 mm范圍內(nèi)進(jìn)行100%縱波檢測(cè)， 對(duì)鋼板左右兩邊100 mm 范圍內(nèi)超標(biāo)的母材分層缺陷100% 檢測(cè)； ③鋼板中部利用49 組196 個(gè)通道的縱波檢測(cè)， 在保證最大板寬為4 500 mm 的100%探傷的前提下， 對(duì)每個(gè)探頭探傷的有效區(qū)域均有至少15%的覆蓋， 有效保證鋼板中部超標(biāo)的母材分層100%的檢測(cè)。

該探傷系統(tǒng)采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備， 模塊化設(shè)計(jì)、 平行線掃查 （梳狀掃查） 工藝， 探架固定（每個(gè)探架單獨(dú)起落） 及鋼板縱進(jìn)縱出的檢測(cè)方式， 保證了該系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型高精度鋼板超聲檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及性能指標(biāo)均符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及部頒標(biāo)準(zhǔn)， 設(shè)備結(jié)構(gòu)合理， 性能安全可靠， 操作方便。 該系統(tǒng)的成功應(yīng)用， 大大提高了鋼管生產(chǎn)效率和鋼板質(zhì)量控制， 在鋼板軋制質(zhì)量分析上也具有良好的實(shí)用價(jià)值， 同時(shí)降低了鋼管的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。