HFW 焊管串列式超聲波自動(dòng)探傷技術(shù)

陳 鵬，周長(zhǎng)忠

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

寶山鋼鐵股份有限公司（簡(jiǎn)稱寶鋼）HFW 生產(chǎn)線生產(chǎn)的焊管產(chǎn)品外徑范圍為219.1～610 mm，壁厚范圍為4～20.6 mm［1-14］。按照API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》和ISO 3183—2019《石油和天然氣工業(yè)—管道輸送系統(tǒng)用鋼管》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)對(duì)焊縫采用超聲波探傷等方法進(jìn)行無損檢驗(yàn)。

超聲波檢測(cè)主要是基于超聲波在工件中的傳播特性，如聲波在通過材料時(shí)能量會(huì)損失，在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射。目前用的最多的是脈沖反射法，其原理為：聲源產(chǎn)生的脈沖波進(jìn)入到工件中—超聲波在工件中以一定方向和速度向前傳播—遇到兩側(cè)聲阻抗有差異的界面時(shí)部分聲波被反射—檢測(cè)設(shè)備接受和顯示—分析聲波幅度和位置等信息，評(píng)估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。兩側(cè)聲阻抗有差異的界面可能是材料中某種缺陷（不連續(xù)），如夾雜、裂紋、未焊透、氣孔、夾渣等，也可能是工件的外表面毛刺等缺陷。聲波反射的程度取決于界面兩側(cè)聲阻抗差異的大小、入射角以及界面的面積等。

對(duì)于大壁厚的HFW 高頻直縫焊管，殼牌等高端用戶提出需對(duì)壁厚大于12 mm 的HFW 高頻直縫焊管進(jìn)行串列式探傷的技術(shù)要求。其理論依據(jù)為，傳統(tǒng)超聲波探傷方式超聲波聲束有效聲束寬度為6 mm，超過12 mm 壁厚的大壁厚鋼管，中間區(qū)域存在盲區(qū)，無法檢測(cè)到，故需要通過探頭串列的方式進(jìn)行探傷，方可保證大壁厚鋼管整個(gè)壁厚范圍內(nèi)均可覆蓋。

為此，寶鋼HFW 焊管生產(chǎn)線增設(shè)了串列式超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備，為國(guó)內(nèi)第一家擁有串列式超聲波自動(dòng)探傷技術(shù)的HFW 焊管制造廠家，有效地保障了大壁厚焊管中間區(qū)域的焊縫質(zhì)量。

1 寶鋼HFW 生產(chǎn)線焊縫探傷設(shè)備介紹

寶鋼HFW 生產(chǎn)線共有焊縫探傷2 套，1 套為常規(guī)的焊縫超聲波探傷設(shè)備，1 套為串列式超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備。2 套設(shè)備均用于檢測(cè)HFW 焊管焊縫區(qū)域，常規(guī)焊縫超聲波探傷設(shè)備檢測(cè)近外表6 mm 區(qū)域缺陷及近內(nèi)表6 mm 區(qū)域缺陷，串列式超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備用于檢測(cè)焊縫中間區(qū)域缺陷。焊縫超聲波探傷設(shè)備與串列式超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備配合可對(duì)大于12 mm 壁厚的大壁厚HFW 焊管進(jìn)行全壁厚覆蓋的超聲波檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)焊縫探傷壁厚方向無盲區(qū)，滿足殼牌等高端用戶對(duì)HFW 大壁厚焊管的探傷技術(shù)要求。

2 串列式超聲波自動(dòng)探傷原理

串列式超聲波探傷：采用水膜耦合脈沖反射法對(duì)HFW 焊管焊縫進(jìn)行探傷，水層距離為0.3 mm左右。采用兩個(gè)探頭串列的方式對(duì)焊縫進(jìn)行探傷，探頭晶片為方晶片，靠近焊縫內(nèi)側(cè)的探頭為聲束發(fā)射探頭，靠近焊縫外側(cè)的探頭為聲束接收探頭。聲束在鋼管內(nèi)的折射角為45°，聲束發(fā)射探頭將聲束發(fā)射至鋼管內(nèi)部，聲束檢測(cè)到缺陷后，聲束通過在鋼管內(nèi)的反射將缺陷回波反射至聲束接收探頭，聲束接收探頭接收到缺陷信號(hào)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，缺陷信號(hào)回波在儀表屏幕上反應(yīng)出來并形成缺陷回波。串列式超聲波自動(dòng)探傷原理如圖1 所示。

圖1 串列式超聲波自動(dòng)探傷原理

3 串列式超聲波自動(dòng)探傷探頭及通道設(shè)置

串列式超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備共有兩組探頭架，每組探頭架上面有兩對(duì)探頭，每組探頭架上共有4個(gè)探頭，整個(gè)系統(tǒng)共有8 個(gè)探頭。串列式超聲波自動(dòng)探傷探頭分布如圖2 所示。

圖2 串列式超聲波自動(dòng)探傷探頭分布

當(dāng)鋼管壁厚在12～18 mm，只需使用1 組探頭架，1～4 探頭架或5～8 探頭架。探傷功能：通道1和通道4；耦合功能：通道2 和通道3。

當(dāng)鋼管壁厚在18～24 mm，則需使用2 組探頭架，1～4 探頭架和5～8 探頭架。探傷功能：通道1和通道4、通道5 和通道8；耦合功能：通道2 和通道3、通道6 和通道7。

探傷功能實(shí)現(xiàn)方法：內(nèi)側(cè)探頭為聲束發(fā)射探頭，外側(cè)探頭為聲束接收探頭，例如1、2 號(hào)探頭組合為1 號(hào)通道，2 號(hào)探頭為聲束發(fā)生探頭，1 號(hào)探頭為聲束接收探頭，兩探頭組合為一組串列探傷通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)HFW 大壁厚鋼管中間區(qū)域的串列探傷功能。

耦合監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)方法：內(nèi)側(cè)探頭為聲束發(fā)射探頭，對(duì)側(cè)外側(cè)探頭為聲束接收探頭，例如2 號(hào)探頭為聲束發(fā)射探頭，4 號(hào)探頭為聲束接收探頭，當(dāng)4 號(hào)探頭可接收到2 號(hào)發(fā)射的聲束時(shí)，則耦合良好，耦合通道顯示正常。

4 串列式超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備介紹

串列式超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備主要包括：立柱橫梁、探傷小車、串列檢測(cè)探架、焊縫識(shí)別及跟蹤機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、耦合水系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器等組成，設(shè)備布置如圖3 所示。

圖3 串列式超聲波自動(dòng)探傷設(shè)備布置示意

4.1 立柱橫梁

立柱橫梁全長(zhǎng)約23 m，一側(cè)安裝有全長(zhǎng)輥輪導(dǎo)軌，主要用于探傷小車行走。橫梁上方安裝有全長(zhǎng)齒條，鋪設(shè)有探傷車拖鏈，橫梁距離地面高度約為1 800 mm。

4.2 探傷小車

探傷小車由探傷小車平移基座及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（X向）、鋼管規(guī)格升降基座及升降機(jī)構(gòu)（Z向）、焊縫跟蹤調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（Y向）、平行四邊形焊縫調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)（Z向）、探頭架及探頭架升降機(jī)構(gòu)等組成。

探傷小車平移、焊縫跟蹤等通過伺服系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，探傷小車升降通過。小車通過導(dǎo)柱、導(dǎo)套與平行四邊形機(jī)構(gòu)的底座連接，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)的底座實(shí)現(xiàn)Y方向的焊縫跟蹤。

4.3 焊縫檢測(cè)探架

串列焊縫檢測(cè)探架可帶2 組串列檢測(cè)探頭組。單組串列探頭組由直線軸承以及作用氣缸等實(shí)現(xiàn)升降和動(dòng)態(tài)適應(yīng)。

4.4 串列探架

串列探架主要由連接板、調(diào)節(jié)安裝板、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、帶導(dǎo)桿氣缸、探頭調(diào)節(jié)座、相控陣探頭水包、耐磨塊等部件組成。

4.5 噴標(biāo)裝置

噴標(biāo)機(jī)構(gòu)主要是由供氣電磁閥、噴槍、料罐、位置編碼器等構(gòu)成。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果中存在檢測(cè)缺陷，該缺陷到達(dá)噴槍位置時(shí)進(jìn)行噴標(biāo)作業(yè)。

4.6 水循環(huán)系統(tǒng)

供水系統(tǒng)主要包括袋卷筒紙過濾機(jī)的不銹鋼低位水箱、增壓泵、水閥、管路、止回閥、消泡器、排污泵、集水過濾池等，主要功能是提供探傷時(shí)耦合水的供給。

4.7 焊縫跟蹤系統(tǒng)

焊縫跟蹤系統(tǒng)利用導(dǎo)向線通過圖像識(shí)別的方式對(duì)焊縫進(jìn)行跟蹤。焊縫位置通過焊縫圖像識(shí)別跟蹤系統(tǒng)識(shí)別后，由探傷小車上的焊縫跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)施，實(shí)現(xiàn)焊縫檢測(cè)時(shí)的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤。

4.8 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)具有緊急停車控制、安全保護(hù)控制，可通過人機(jī)界面顯示系統(tǒng)故障信息及報(bào)警。

4.9 儀器及軟件系統(tǒng)

軟件功能及特點(diǎn)：

（1）單個(gè)通道絕對(duì)獨(dú)立，獨(dú)立擁有自身通道的發(fā)射接收及信號(hào)處理系統(tǒng)；探傷參數(shù)能獨(dú)立可調(diào)和統(tǒng)一調(diào)整，探傷工藝參數(shù)允許單獨(dú)保存和調(diào)用，每個(gè)通道有3 個(gè)探傷閘門，每個(gè)閘門可獨(dú)立調(diào)節(jié)，以適用于不同功能的檢測(cè)；

（2）探傷軟件有耦合監(jiān)控功能，包括界面波、底波耦合監(jiān)控等；

（3）各通道實(shí)時(shí)顯示，通道波形顯示區(qū)域可單個(gè)通道放大顯示，亦可同時(shí)顯示特定的通道，顯示序列可自行定義；

（4）檢測(cè)過程中，多重檢測(cè)圖像單獨(dú)或并行顯示，顯示方式為A 掃波形、帶狀圖等，對(duì)報(bào)警（超標(biāo)）的缺陷峰值數(shù)字化顯示；

（5）軟件須具有較強(qiáng)智能辨?zhèn)喂δ埽缢s波，突發(fā)的尖脈沖。報(bào)警閘門應(yīng)隨底波的移動(dòng)而移動(dòng)，避免底波前沿進(jìn)入閘門而造成的誤報(bào)問題；

（6）軟件的完備性和可靠性方面，解決軟件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行出現(xiàn)死機(jī)，閘門內(nèi)有傷波不報(bào)警等問題，防止系統(tǒng)錯(cuò)誤，軟件破壞，數(shù)據(jù)丟失；

（7）探傷軟件能在操作界面上設(shè)置底波與傷波比較條件；

（8）底波失波報(bào)警、傷波報(bào)警、耦合報(bào)警，在聲、光報(bào)警的同時(shí)，在界面上顯示，并表明報(bào)警通道和性質(zhì)；自動(dòng)聲光報(bào)警及噴標(biāo)輸出；

（9）結(jié)合電氣控制，可以完成自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)缺陷波捕捉和自動(dòng)存儲(chǔ)記錄，存儲(chǔ)的記錄需在缺陷波位置處（或耦合不良處）顯示該缺陷波（或耦合不良處）在鋼管上的位置信息，每根被檢測(cè)鋼管記錄一個(gè)文件，文件名支持自定義。焊縫與母材探傷結(jié)果對(duì)應(yīng)一根鋼管整合為一個(gè)鋼管缺陷圖形顯示畫面，在畫面上手探人員能準(zhǔn)確查看焊縫及母材缺陷位置，方便手探崗位人員有針對(duì)性復(fù)查；

（10）樣管校驗(yàn)后可自動(dòng)生成校驗(yàn)報(bào)告；

（11）檢測(cè)過程全信息記錄，按管號(hào)保存文件，可自定義保存路徑，探傷過程結(jié)束自動(dòng)保存，保存的文件可分別按工程、日期、班別、管號(hào)等信息進(jìn)行檢索（檢索完畢，可進(jìn)行質(zhì)量分析，生成缺陷率，不同類型缺陷比例等信息），并可通過脫機(jī)分析軟件進(jìn)行回放便于后期處理；

（12）可實(shí)現(xiàn)探傷工藝參數(shù)的批量復(fù)制、導(dǎo)出另存、工藝導(dǎo)入等，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)員動(dòng)態(tài)管理，檢測(cè)員可隨時(shí)進(jìn)行添加、刪除和更改等；

（13）探傷記錄報(bào)告和探傷統(tǒng)計(jì)報(bào)表輸出，且修正方便，操作簡(jiǎn)單；

（14）檢驗(yàn)記錄按生產(chǎn)班形成探傷報(bào)告，探傷報(bào)告符合API 標(biāo)準(zhǔn)要求；樣管校驗(yàn)記錄、鋼管探傷記錄、探傷報(bào)告上傳互制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES），便于專業(yè)技術(shù)人員查閱及統(tǒng)計(jì)分析。

5 串列式超聲波自動(dòng)探傷樣管圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求

對(duì)于12～17.9 mm 壁厚HFW 高頻焊管壁厚樣管設(shè)計(jì)要求，人工缺陷平底孔需刻在50%壁厚處，平底孔底部必須為平底且必須垂直于焊縫，底部必須在焊縫上。

對(duì)于18～20.6 mm 壁厚HFW 高頻焊管壁厚樣管設(shè)計(jì)要求，人工缺陷平底孔需刻在40%及60%壁厚處，平底孔底部必須為平底且必須垂直于焊縫，底部必須在焊縫上。

6 串列式超聲波自動(dòng)探傷樣管校驗(yàn)樣張

Φ244.48 mm×12 mm 規(guī)格HFW 焊管樣管的串列式探傷校驗(yàn)樣張如圖4 所示。5 號(hào)及8 號(hào)通道為缺陷檢測(cè)通道，顯示的回波為需檢測(cè)平底孔的回波反射波形；6 號(hào)及7 號(hào)通道為耦合監(jiān)控通道，監(jiān)控耦合是否正常。

圖4 Φ244.48 mm×12 mm 規(guī)格HFW 焊管探傷檢驗(yàn)樣張

Φ406.4 mm×18.03 mm 規(guī)格HFW 焊管樣管的串列式探傷校驗(yàn)樣張如圖5 所示。1 號(hào)、4 號(hào)、5號(hào)、8 號(hào)通道為缺陷檢測(cè)通道，顯示的回波為需檢測(cè)的平底孔的缺陷回波；2 號(hào)、3 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)通道為耦合監(jiān)控通道，監(jiān)控耦合是否正常。

目前，該串列式探傷設(shè)備已廣泛應(yīng)用于HFW產(chǎn)品的檢測(cè)作業(yè)，如Φ273 mm×14.3 mm、Φ323.9 mm×15.9 mm、Φ355.6 mm×14.3 mm、Φ355.6 mm×15.9 mm、Φ457 mm×15.9 mm、Φ457 mm×17.5 mm、Φ406.4 mm ×14.3 mm、Φ406.4 mm ×18.03 mm、Φ457 mm×20.6 mm 等規(guī)格海管產(chǎn)品及管線管項(xiàng)目。

7 結(jié)語

通過探頭串列組合的形式形成串列式探頭探傷組合，可對(duì)大壁厚鋼管中間區(qū)域進(jìn)行探傷檢測(cè)，有效地保障了大壁厚HFW 焊管中間區(qū)域的焊縫質(zhì)量。寶鋼已成為國(guó)內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)HFW 焊管產(chǎn)品串列式超聲波自動(dòng)探傷的廠家，滿足殼牌等高端用戶對(duì)HFW 焊管大壁厚鋼管的檢測(cè)要求。