熱軋鈦合金無縫管超聲波檢測影響因素分析*

周曉鋒，侯 強，高瑞全，趙仁順

（1.天津鋼管制造有限公司，天津 300301；2.天津大學材料科學與工程學院，天津 300350）

鈦合金具有高強度、低密度、耐腐蝕、耐高溫的特點，是用于高硫化氫和二氧化碳腐蝕環(huán)境的最佳材料，天津鋼管制造有限公司（簡稱天津鋼管）研發(fā)的鈦合金油管在國際上率先實現(xiàn)了全井應用［1］。目前軍用、航空用或其他行業(yè)用鈦合金無縫管，國內外均采用熱擠壓+冷軋工藝生產(chǎn)，該工藝效率低，成本高。為了節(jié)約成本和實現(xiàn)高效批量生產(chǎn)，科研院所及企業(yè)開始摸索采用PQF 連軋工藝生產(chǎn)鈦合金無縫管［2-8］。

超聲波檢測是檢測鈦合金無縫管質量的一種重要手段，接觸法超聲波檢測采用雙向斜探頭（雙發(fā)雙收式組合探頭），即兩個探頭分別沿相反方向同時發(fā)射超聲波［9-11］。超聲波沿管壁呈鋸齒形傳播，當探頭入射角按鋼管規(guī)格正確選定后兩個探頭均可接收到對面探頭的發(fā)射波，從而得到回波信號。此信號的聲程為聲波沿鋼管圓周鋸齒形傳播所走過的路徑，也可把它看做是單探頭在鋼管半圓周處的自發(fā)自收信號，稱之為“通波”［12］。超聲波檢測時，鈦合金因顯微組織原因是一種噪聲比較高的材料，且熱軋鈦合金無縫管內外表面狀態(tài)相對較差，尤其是管體內壁存在較多的縱向分布的軋制微缺陷，這都會導致在檢測過程中出現(xiàn)雜波信號，從而引起誤報或錯判。在線自動超聲波檢測時，因聲能衰減快，雜波水平高，導致聲波信號不穩(wěn)；而采用人工手動超聲波檢測時，發(fā)現(xiàn)有時示波器無“通波”，有時雜波信號太高，有時只能檢測到缺陷的一次波或二次波，與常見的無縫鋼管探傷大有不同，所以很有必要研究鈦合金無縫管的超聲波探傷方法。

1 超聲波檢測標準

目前常用的鋼管超聲波檢測標準是GB/T 5777—2019《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動超聲檢測》，該標準規(guī)定了用于無縫鋼管和埋弧焊除外的焊接鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動超聲橫波反射法對管材進行縱、橫向缺陷檢測的要求，適用于外徑不小于6 mm 且徑壁比（外徑/壁厚）不小于5 的鋼管的超聲波檢測。

鈦合金管材的超聲波檢測標準目前僅有GB/T 12969.1—2007《鈦及鈦合金管材超聲波探傷方法》，該標準規(guī)定了以人工對比試樣的反射信號為依據(jù)，檢測鈦及鈦合金管材不連續(xù)性缺陷的超聲波檢測方法，適用于外徑為6～80 mm、壁厚為0.5～4.5 mm，壁徑比（壁厚/外徑）不大于0.2 的冷凝器和熱交換器用鈦及鈦合金無縫或焊接管材的超聲波檢測。其探傷方法是采用線聚焦探頭利用橫波水浸法進行探傷，與普通碳鋼管的探傷方法幾乎相同。樣管人工缺陷深度為被檢管材名義壁厚的12.5%或0.1 mm（選擇二者中的較大者）；探頭頻率要求在5～15 MHz，推薦晶片尺寸為8 mm×6 mm 或10 mm×8 mm 的矩形晶片。

GB/T 12969.1—2007 標準適用的產(chǎn)品均為小直徑、薄壁管材。目前，鈦合金管材的制造工藝已經(jīng)較為成熟。鈦合金管坯制造工藝主要有鉆孔擠壓和斜軋穿孔，再通過軋制、拉拔、旋壓等方法制備出不同規(guī)格和用途的成品管材［13］。天津鋼管采用PQF連軋管機組，通過穿孔、軋管和定（減）徑工序的工業(yè)化流水線式連軋工藝，生產(chǎn)的Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油管規(guī)格超出了相關標準檢測范圍，特別是人工缺陷深度相差較大。目前抗腐蝕管材通常執(zhí)行GB/T 5777—2019 標準U2 探傷等級，即人工缺陷深度為管材名義壁厚的5%，該等級遠高于GB/T 12969.1—2007 標準要求。由于目前國內外還沒有檢測石油行業(yè)用鈦合金無縫管的相應標準，通過與油田用戶協(xié)商，鈦合金無縫管的超聲波檢測方法及等級可參考GB/T 12969.1—2007 標準，執(zhí)行U2 探傷等級。

鈦合金產(chǎn)品由于其材質的特殊性和使用的嚴格性，一般對探頭頻率要求較高，在5～15 MHz，這是基于鈦合金產(chǎn)品表面狀態(tài)較好、顯微組織較均勻的情況。而熱軋鈦合金無縫管表面狀態(tài)較差、顯微組織變化較大，選擇高頻率的探頭必然影響探傷效果，通過1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz 等一系列探頭的對比試驗，發(fā)現(xiàn)2.5 MHz 頻率的探頭比較適合熱軋鈦合金無縫管探傷，晶片尺寸為12 mm×10 mm。

2 表面狀態(tài)對超聲波檢測結果的影響

鈦合金材料具有導熱性差、粘性大、金屬流動性差，最佳熱塑性區(qū)間較窄等特點，故在熱軋過程中容易在表面產(chǎn)生微缺陷，尤其是在張力減徑環(huán)節(jié)，由于變形量較大、溫度較低，軋制完的成品管表面狀態(tài)相對較差，特別是管體內壁有大量縱向分布的擠壓溝槽缺陷，如圖1 所示。通過解剖、取樣分析發(fā)現(xiàn)，管體內壁溝槽缺陷深度在0.05～0.20 mm，呈類似鋸齒狀，熱軋鈦合金無縫管試樣橫截面局部形貌如圖2 所示。

圖1 熱軋鈦合金無縫管表面狀態(tài)

圖2 熱軋鈦合金無縫管橫截面局部形貌

通過對熱軋鈦合金無縫管進行力學性能、H2S應力腐蝕等相關評價試驗，鈦合金無縫管的表面狀態(tài)不影響使用，但嚴重影響超聲波檢測，容易出現(xiàn)誤報和漏報的情況。在A 型脈沖顯示反射式超聲波檢測中，示波屏上顯示的雜波［14］主要與以下三個方面有關：來自超聲波儀器和探頭本身的電噪聲，超聲波在工件入射面（反射面）上因工件表面粗糙度引起聲波在界面上漫散射的“表面噪聲”，與材料顯微組織有關的噪聲（本體噪聲）。

2.1 軋態(tài)料在線自動超聲波檢測試驗

取Φ88.90 mm×7.34 mm 規(guī)格熱軋鈦合金無縫管，參照相關標準在管體上加工縱向和橫向人工缺陷，執(zhí)行U2 探傷驗收等級。調試樣管過程中發(fā)現(xiàn)縱向和橫向人工缺陷不穩(wěn)定，不是每個通道均能穩(wěn)定連續(xù)檢測出人工缺陷，校驗完樣管后，探傷過程中出現(xiàn)通體報警現(xiàn)象（縱向外傷），成品鈦合金無縫管自動線探傷波形如圖3 所示。通過90°、180°圓周方向旋轉管體，以及改變鈦合金管頭尾的前進方向，降低前進速度等措施，雜波信號通體報警沒有得到明顯改進。在鈦合金管頭尾兩端分別四象限取樣，拋光后在顯微鏡下觀察并未發(fā)現(xiàn)超出標準的缺陷（深度小于0.36 mm），往復多次試驗，探傷結果相似，初步分析認為該情況與管體內外表面狀態(tài)有關，特別是內壁溝槽缺陷的反射波導致雜波水平高，或引起波的疊加而導致報警。

2.2 表面狀態(tài)對比試驗

為了分析熱軋鈦合金無縫管表面狀態(tài)對超聲波檢測結果的影響，分別對鈦合金無縫管進行了在線自動超聲波檢測與手動超聲波檢測對比試驗。

（1）半成品鈦合金無縫管自動超聲波檢測。

對定徑前的半成品Φ178.00 mm×8.00 mm 鈦合金無縫管進行在線檢測，自動線探傷波形如圖4 所示。由于沒有經(jīng)過定徑環(huán)節(jié)，該半成品鈦合金無縫管的表面狀態(tài)較好，內壁無縱向軋制缺陷，超聲波檢測合格，而且沒有出現(xiàn)大量噪聲報警現(xiàn)象，重復探傷6 遍，穩(wěn)定性很好。

圖4 半成品鈦合金無縫管自動線探傷波形

（2）對成品鈦合金管進行表面處理對比試驗。

我相信很多人小的時候也曾百無聊賴地捏死過一只只的螞蟻，當別的小朋友搶走手中的玩具的時候，也曾憤怒地大哭，并且用并沒有殺傷力的小手狠狠地打他，完全忘記了老師曾經(jīng)教過的“分享”啊，“友愛”啊等等。

取一段規(guī)格為Φ88.90 mm×7.34 mm 鈦合金無縫管，分為4 段，分別進行不同的修磨處理：1 段內壁、2 段內外壁、3 段外壁分別修磨掉0.2 mm，內壁軋制微缺陷幾乎全部去除；4 段內壁修磨掉0.1 mm，內壁軸向有多個條帶的微缺陷未去除，外壁保留原始狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 鈦合金無縫管的表面處理狀態(tài)

對比分析手動接觸法雙向斜探頭檢測到的“通波”，探頭頻率為2.5 MHz，晶片尺寸為12 mm×10 mm。將每種狀態(tài)的“通波”分別調至滿屏的80%，其他參數(shù)不變，在樣管同一軸向移動，發(fā)現(xiàn)鈦合金無縫管不同表面狀態(tài)時超聲波檢測波形的增益相差較大，試驗結果見表1。其中，2 段與3 段的增益差值最大，達到15 dB，這可能還與耦合因素、管壁不均等有關，但主要影響因素是鈦合金無縫管的內表面狀態(tài)。鈦合金無縫管不同表面狀態(tài)時的超聲波檢測“通波”波形如圖6 所示。

表1 鈦合金無縫管不同表面狀態(tài)對“通波”的影響

圖6 鈦合金無縫管不同表面狀態(tài)時的超聲波檢測“通波”波形

由于鈦合金無縫管表面狀態(tài)差引起聲束散射和衰減，從而導致調試樣管或動態(tài)探傷過程中，靈敏度余量減??；由于熱軋鈦合金無縫管內壁的溝槽缺陷沿軸向或周向分布都不均勻，或深或淺、或寬或窄、或密集或稀疏，這就導致探頭掃查不同部位時示波屏上顯示的雜波波幅、缺陷波幅、“通波”波幅各有不同，探傷穩(wěn)定性相對較差。

從上述分析可知，熱軋鈦合金無縫管的表面狀態(tài)，特別是內壁軋制溝槽缺陷對超聲波檢測結果的影響比較大。由于鈦合金的特性決定了管材生產(chǎn)過程中，其表面狀態(tài)不可控制，內壁存在大量未超出標準要求的軋制微缺陷，導致雜波水平高、靈敏度余量降低、雜波與缺陷波無法識別、誤報率高等問題，自動超聲波檢測設備甚至無法檢測。熱軋鈦合金無縫管外表面的軋制缺陷深度一般不超過0.1 mm，而內表面的軋制缺陷相對于外表面的要深，且密集，所以內壁狀態(tài)對超聲波檢測結果的影響大。

3 顯微組織對超聲波檢測結果的影響

鈦合金產(chǎn)品的顯微組織與其力學性能有直接關系，其微觀組織形態(tài)與熱加工工藝（如管坯加熱溫度、保溫時間和升溫速度、變形速度與變形量、冷卻速度以及熱處理工藝等）有密切關系。常見的鈦合金顯微組織有片層組織、等軸組織、網(wǎng)籃狀組織、雙態(tài)組織（等軸α+β 轉變組織）和魏氏組織等類型。由于網(wǎng)籃狀組織是在特定的溫度變形才可以形成，熱軋鈦合金無縫管過程中不產(chǎn)生網(wǎng)籃狀組織，同時熱處理過程中通過工藝控制不產(chǎn)生魏氏組織，故筆者暫不研究網(wǎng)籃狀組織和魏氏組織對超聲波橫波探傷的影響。熱軋鈦合金無縫管在不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織如圖7 所示，軋態(tài)料頭部與尾部的組織形貌如圖8 所示。

圖7 熱軋鈦合金無縫管在不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織

圖8 熱軋態(tài)鈦合金無縫管的組織形貌

前人研究鈦合金顯微組織與超聲波雜波水平的關系，主要集中在鈦合金棒材或鍛件方面［14-16］，主要研究縱波檢測時微觀組織與雜波的關系，用平底孔來衡量雜波水平。而熱軋鈦合金無縫管的超聲波檢測使用橫波檢測，目前研究橫波檢測時鈦合金無縫管的顯微組織與雜波水平的關系很少。

為了分析熱軋鈦合金無縫管不同的顯微組織對超聲波檢測結果的影響，進行系列試驗。試驗樣管規(guī)格為Φ88.90 mm×7.34 mm，探頭用頻率為2.5 MHz，晶片尺寸為12 mm×10 mm 的雙向斜探頭。為了避免樣管表面狀態(tài)因素對超聲波檢測結果的影響，故先將試驗樣管內外壁進行扒皮處理，將軋制微缺陷清除掉，同時保證試驗樣管的橢圓度和壁厚不均度一致，加工后的待檢試樣規(guī)格為Φ88.00 mm×6.00 mm；然后，對樣管進行不同工藝的熱處理，以得到相應的顯微組織，最后對各種顯微組織的鈦合金管進行縱向超聲波檢測。

由于橫波在管壁內呈“鋸齒形”傳播，故用“通波”或雜波的波幅來衡量顯微組織對超聲波檢測結果的影響。鈦合金無縫管不同顯微組織時的超聲波檢測“通波”波形如圖9 所示，不同組織對橫波檢測的影響見表2。

表2 鈦合金無縫管不同組織對橫波檢測的影響

圖9 鈦合金無縫管不同顯微組織時的超聲波檢測“通波”波形

通過上述分析可以看出，等軸組織與雙態(tài)組織對超聲波檢測結果的影響相對較小，聲能衰減少，雜波波幅低，該組織均勻無變形，有利于聲波的傳播；而軋態(tài)片層組織由于片層明顯，取向不定，α相被拉長，故雜波水平相對較高，聲能衰減相對較大。因此，對于橫波探傷熱軋鈦合金無縫管，其雜波水平或“通波”波幅是評價顯微組織形態(tài)及均勻性的一個重要參數(shù)。

4 結論

（1）熱軋鈦合金無縫管的超聲波檢測原理與常規(guī)碳鋼無縫管的相同，不同的是熱軋鈦合金無縫管的表面狀態(tài)和微觀組織對超聲波檢測結果有較大影響。因此，采用超聲波檢測熱軋鈦合金無縫管時，對比樣管應與被檢管的熱處理狀態(tài)完全相同。

（2）熱軋鈦合金無縫管的表面狀態(tài)是影響超聲波檢測結果的主要因素，特別是內壁軋制溝槽缺陷對超聲波檢測結果的影響比較大，會導致雜波水平高、靈敏度余量降低、雜波與缺陷波無法識別、誤報率提高等問題，甚至引起自動超聲波檢測設備無法實現(xiàn)檢測，此時可采用接觸法手動超聲波檢測。

（3）熱軋鈦合金無縫管的顯微組織是影響超聲波檢測的另一主要因素，等軸組織和雙態(tài)組織對超聲波檢測結果的影響相對較小，而超聲波檢測軋態(tài)片層組織的鈦合金無縫鋼管時，雜波水平相對較高、聲能衰減相對較大。因此，對于橫波探傷熱軋鈦合金無縫管，可以根據(jù)雜波水平或“通波”波幅粗略評價顯微組織形態(tài)及均勻性。

（4）用熱連軋工藝生產(chǎn)鈦合金無縫管時，需要著重解決管材內壁軋制溝槽缺陷問題，軋態(tài)鈦合金無縫管再經(jīng)過熱處理得到等軸組織或雙態(tài)組織，才能更有利于進行超聲波檢測。