超厚壁無(wú)縫鋼管縱向缺陷超聲波檢測(cè)探討

高 翔，彭 俊，李冬華，胡才望

（大冶特殊鋼有限公司，湖北 黃石 435001）

眾所周知，當(dāng)無(wú)縫鋼管的厚徑比t/D≤0.23[1]，可以利用純橫波方法探測(cè)整個(gè)鋼管截面（含內(nèi)、外壁）中的縱向缺陷，這部分鋼管一般稱(chēng)為薄壁鋼管；當(dāng)鋼管的厚徑比0.23 t/D≤0.26，可以利用折射純橫波探測(cè)鋼管外壁縱向缺陷，而利用折射縱波經(jīng)鋼管外壁產(chǎn)生的反射橫波（亦稱(chēng)變型橫波）探測(cè)鋼管內(nèi)壁縱向缺陷，這部分鋼管一般稱(chēng)為厚壁鋼管[2-12]。目前，純橫波法與變型橫波法是保證薄壁鋼管和厚壁鋼管質(zhì)量的主要超聲波探傷方法。

隨著各行業(yè)對(duì)降本增效要求的提高，一些原本采用圓鋼車(chē)削或鍛壓成型的機(jī)械部件、石油鉆鋌和工具接頭等，如今使用無(wú)縫鋼管作為原材料，由此使得鋼管的壁厚越來(lái)越厚。目前，厚徑比t/D 0.26 的鋼管已不鮮見(jiàn)，這部分鋼管可以稱(chēng)為超厚壁鋼管。對(duì)于超厚壁鋼管，即使采用變型橫波法也無(wú)法探測(cè)到鋼管內(nèi)壁的縱向缺陷，這給使用橫波進(jìn)行的鋼管超聲波探傷帶來(lái)較大困難。本文介紹采用小角度折射縱波與折射純橫波相結(jié)合的方法檢測(cè)超厚壁鋼管縱向缺陷的超聲波探傷技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用效果。

1 超厚壁鋼管的接觸法檢測(cè)

當(dāng)厚徑比t/D 0.26，遇到的最大困難是變型橫波法的外壁反射橫波無(wú)法投射到鋼管的內(nèi)壁表面。此時(shí)，只能選擇入射角小于第一臨界角的折射縱波（可稱(chēng)小角度折射縱波）對(duì)超厚壁鋼管內(nèi)壁及其路徑區(qū)域上的縱向缺陷進(jìn)行檢測(cè)[13]，如圖1 所示。

圖1 折射縱波探測(cè)鋼管內(nèi)壁

如果使折射縱波探測(cè)到鋼管內(nèi)壁缺陷，就要使縱波與鋼管內(nèi)壁相切，此時(shí)入射聲波在鋼管中的折射角β 為：

式中 r —— 鋼管內(nèi)半徑，mm；

R —— 鋼管外半徑，mm。

它對(duì)應(yīng)的接觸法探頭的入射角α為：

式中 CL1—— 有機(jī)玻璃中縱波聲速，m/s；

CL2—— 鋼中縱波聲速，m/s。

在公式（2）中，CL1為2 700 m/s，CL2為5 900 m/s。以Φ165 mm×51 mm 鋼管為例，其厚徑比為0.31，應(yīng)采用小角度折射縱波法檢測(cè)鋼管內(nèi)壁，按公式（2）計(jì)算，入射角α=8°。如果采用2.5P/14 mm×16 mm/K0.75（α=30°）斜探頭進(jìn)行改制，則需要將探頭的有機(jī)玻璃楔塊磨去30°-8°=22°。改制的斜探頭如圖2 所示。

圖2 改制的斜探頭示意

Φ165 mm×51 mm 規(guī)格鋼管內(nèi)壁刻槽的縱波檢測(cè)波形（接觸法）如圖3 所示，鋼管外壁刻槽的橫波檢測(cè)波形（接觸法）如圖4 所示。圖3 所示是采用2.5P/14 mm×16 mm/K0.75 改制后探頭探測(cè)Φ165 mm×51 mm 規(guī)格鋼管內(nèi)壁縱向刻槽的波形顯示，刻槽深度是1.5 mm。由于折射縱波不適宜檢測(cè)鋼管外壁缺陷，特別是縱波對(duì)外表面縱向刻槽的角反射率幾乎為0，所以需要使用另外一只未經(jīng)改制的2.5P/14 mm×16 mm/K0.75 探頭，利用折射的純橫波檢測(cè)鋼管外壁缺陷。圖4 所示為獲得的檢測(cè)波形，外表面刻槽深度是1.5 mm。

圖3 Φ165 mm×51 mm 規(guī)格鋼管內(nèi)壁刻槽的縱波檢測(cè)波形（接觸法）

圖4 Φ165 mm×51 mm 規(guī)格鋼管外壁刻槽的橫波檢測(cè)波形（接觸法）

由圖3 和圖4 可以看出，采用小角度折射縱波和折射純橫波分別對(duì)Φ165 mm×51 mm 規(guī)格超厚壁鋼管的內(nèi)壁和外壁進(jìn)行檢測(cè)，鋼管外壁刻槽的檢測(cè)信噪比很高，而鋼管內(nèi)壁刻槽的波幅雖然較高，但檢測(cè)波形中存在20%的噪聲，對(duì)檢測(cè)信噪比產(chǎn)生一定的影響。

2 超厚壁鋼管的水浸法檢測(cè)

對(duì)于水浸法的超厚壁鋼管超聲波檢測(cè)，要實(shí)現(xiàn)公式（1）的縱波折射角，其探頭的入射角仍可按公式（2）計(jì)算，只是其中的CL1變?yōu)樗锌v波聲速，為1 470 m/s。仍以Φ165 mm×51 mm 規(guī)格鋼管為例，入射角α=4.3°。

超厚壁鋼管的水浸法探傷除了采用小角度折射縱波檢測(cè)內(nèi)壁缺陷外，同樣需要采用折射純橫波檢測(cè)外壁缺陷，而外壁缺陷的檢測(cè)信噪比很高。相比較而言，利用小角度折射縱波檢測(cè)內(nèi)壁缺陷的信噪比遠(yuǎn)不及純橫波檢測(cè)，而且會(huì)在顯示屏上出現(xiàn)等距離的波幅噪聲，靜態(tài)調(diào)試時(shí)噪聲波幅可達(dá)20%左右，動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)噪聲波有較大跳動(dòng)，波幅甚至達(dá)到40%。Φ165 mm×51 mm 規(guī)格鋼管內(nèi)壁刻槽的縱波檢測(cè)波形（水浸法）如圖5 所示，是鋼管內(nèi)壁1.5 mm深刻槽的檢測(cè)波形，從圖5 中可以清楚地看到等距離的波幅噪聲。

圖5 Φ165 mm×51 mm 規(guī)格鋼管內(nèi)壁刻槽的縱波檢測(cè)波形（水浸法）

分析等距離波幅噪聲的來(lái)源，在使用小于第一臨界角入射的超聲波探傷時(shí)，會(huì)伴有折射橫波，而橫波的折射角度一定小于縱波的折射角度，折射橫波會(huì)投射到鋼管內(nèi)壁上。投射在內(nèi)壁上的橫波在鋼管內(nèi)表面發(fā)生散射，一部分沿原路返回探頭，并依此發(fā)生多次反射，由此造成固定的波幅噪聲。在動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，由于探頭與鋼管做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)入射角可能發(fā)生波動(dòng)，使橫波在鋼管內(nèi)壁的散射更嚴(yán)重，因此噪聲波幅增大，檢測(cè)信噪比更低[14]。

盡管采用小角度折射縱波檢測(cè)超厚壁鋼管內(nèi)壁時(shí)的信噪比不高，但仍能有效探測(cè)出鋼管中較明顯的自然缺陷。利用水浸法從Φ176 mm×54 mm 規(guī)格鋼管檢測(cè)到的內(nèi)壁缺陷如圖6 所示，經(jīng)解剖后的金相測(cè)量缺陷深度為0.5 mm，如圖7 所示。

圖6 Φ176 mm×54 mm 規(guī)格鋼管內(nèi)壁縱波檢測(cè)波形

圖7 Φ176 mm×54 mm 規(guī)格鋼管內(nèi)壁缺陷金相

3 超厚壁鋼管檢測(cè)的聲束覆蓋區(qū)域

小角度折射縱波和折射純橫波的聲束覆蓋區(qū)域如圖8 所示，當(dāng)采用“小角度折射縱波+折射純橫波”檢測(cè)超厚壁鋼管的縱向缺陷，隨著探頭對(duì)鋼管作相對(duì)周向掃查，與鋼管內(nèi)壁相切的折射縱波可以覆蓋整個(gè)鋼管截面[15]；而以第一臨界角入射的折射橫波（這是采用純橫波檢測(cè)管壁的入射最小角度）的覆蓋檢測(cè)區(qū)域半徑x 為：

圖8 小角度折射縱波和折射純橫波的聲束覆蓋區(qū)域

式中 CS2——鋼中橫波聲速，m/s。

將CS2為3 200 m/s，CL2為5 900 m/s，代入公式（3），可得x≥0.5R。由此可知，在用折射純橫波對(duì)超厚壁鋼管作周向掃查時(shí)，所能檢測(cè)到的區(qū)域是0.5R～R 的圓周范圍（圖8 所示陰影部分），因?yàn)榭v波亦可到達(dá)此區(qū)域，所以是橫波+縱波檢測(cè)。而在鋼管內(nèi)徑r～0.5R 范圍，折射純橫波無(wú)法到達(dá)，所以?xún)H為縱波檢測(cè)。

當(dāng)要求對(duì)超厚壁鋼管的縱向缺陷進(jìn)行聲束雙向入射的自動(dòng)超聲波探傷，設(shè)備應(yīng)配備4 只探頭進(jìn)行檢測(cè)，其中2 只探頭以對(duì)稱(chēng)角度檢測(cè)內(nèi)壁缺陷，另外2 只探頭以對(duì)稱(chēng)角度檢測(cè)外壁缺陷。如果自動(dòng)探傷設(shè)備僅具有2 只聲束單向入射的探頭檢測(cè)縱向缺陷，則這種設(shè)備需要在對(duì)鋼管檢測(cè)一次之后，再將鋼管掉頭檢測(cè)一次。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于厚徑比t/D 0.26 的超厚壁無(wú)縫鋼管，由于純橫波法和變型橫波法均無(wú)法探測(cè)鋼管內(nèi)壁缺陷，所以不得不采用小角度折射縱波和折射純橫波分別對(duì)鋼管進(jìn)行超聲波檢測(cè)。這種采用雙探頭的探傷，實(shí)際上對(duì)鋼管截面的內(nèi)圓（r～0.5R）部分實(shí)施的是縱波檢測(cè)，而對(duì)外圓（0.5R～R）部分實(shí)施的是橫波+縱波檢測(cè)。試驗(yàn)表明，無(wú)論接觸法還是水浸法，小角度折射縱波檢測(cè)縱向缺陷的信噪比較低，且伴有固定的內(nèi)壁橫波散射干擾，但對(duì)于具有一定當(dāng)量尺寸的自然缺陷仍具有較好的檢出效果。