CN101799452A - 厚壁钢管纵向内表面缺陷的超声波探伤方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种厚壁钢管纵向内表面缺陷的超声波探伤方法，包括以下步骤：依据被探钢管规格确定探头入射角；选择同规格、同表面状态、同材质的钢管制作对比样管；用制作好的对比样管调整探伤基准灵敏度，分别记录内、外表面缺陷在示波屏时基线上的位置和基准灵敏度dB值；确定扫查范围和扫查方式；探伤中根据缺陷波在示波屏时基线上的位置，区分内、外表面缺陷；判定缺陷是否超标。本发明的有益效果是该方法能有效检测出厚壁钢管纵向内表面缺陷，且一次扫查能够实现厚壁钢管内、外表面缺陷的同时探测，保证探伤结果的准确性。根据示波屏上缺陷波的位置，很容易对内、外表面缺陷做出正确判断。本探伤方法操作简单，缺陷波重复性和稳定性好。

Description

厚壁钢管纵向内表面缺陷的超声波探伤方法

技术领域

本发明涉及一种钢管探伤工艺，特别是一种厚壁钢管纵向内表面缺陷的超声波探伤方法。

背景技术

钢管接触法横波反射法探伤原理是超声纵波倾斜入射到钢管表面时，在有机玻璃和钢管的界面上产生折射和波型转换，且折射波与入射波的方向关系符合斯奈尔定律，图1中，当入射角选择在第一临界角α_I和第二临界角α_II之间时，在钢管中只产生单一横波，即折射横波，从而实现钢管内外表面缺陷的同时探测。

在选择入射角时必须满足两个条件：①声束入射后在钢管中仅产生折射横波；②横波声束能扫查到钢管内表面，横波检测示意图如图1所示。

条件①要求：入射角大于或等于第一临界角α_I小于第二临界角α_II。由折射定律可知：

$\sin {\mathrm{\β}}_S\≥\frac{C_S}{C_L}---\left(1\right)$

条件②要求： $\sin {\mathrm{\β}}_S\≤\frac{r}{R}---\left(2\right)$

式中：β_S——横波折射角；

C_S——钢管中横波声速；

C_L——钢管中纵波声速；

——钢管内、外半径之比。

由(1)、(2)式可得： $\frac{C_S}{C_L}\≤\sin {\mathrm{\β}}_S\≤\frac{r}{R}$

即： $\frac{r}{R}\≥\frac{C_S}{C_L}$

而 $\frac{r}{R}=\frac{R-t}{R}=\frac{D-2t}{D}=1-\frac{2t}{D}$

所以， $1-\frac{2t}{D}\≥\frac{C_S}{C_L}$

钢中C_S＝3230m/s，C_L＝5900m/s

则有t/D≤0.2            (3)

所以，纯横波探测钢管时，钢管的壁厚与外径之比至少应满足(3)式的条件，即折射横波至少应和钢管内表面相切，才能保证钢管内、外表面缺陷的同时探测。然而，在探伤t/D＞0.2的厚壁钢管时，若入射角选择在第一临界角和第二临界角之间，钢管中的折射横波已经探测不到内表面缺陷了。

在钢管超声波探伤中通常称t/D＞0.2(t是钢管壁厚，D是钢管外径)的钢管为厚壁钢管，此种钢管采用常规的横波反射法已无法探测纵向内表面缺陷，需采用特殊方法进行检测。

发明内容

为解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种厚壁钢管纵向内表面缺陷的超声波探伤方法，此方法采用折射纵波检测纵向外表面缺陷、变型横波检测纵向内表面缺陷，根据被检测钢管的规格选择适合的探头入射角，实现一次扫查同时探测钢管纵向内、外表面缺陷。仪器调整方便，操作简单，缺陷波重复性和稳定性好，且无明显杂波影响，保证厚壁钢管探伤结果的准确性，完全能够满足现场探伤要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种厚壁钢管纵向内表面缺陷的超声波探伤方法，该方法包括以下步骤：

(1)依据被探钢管规格确定超声波探伤装置所需探头的入射角，入射角依据下式确定，

式中：

——钢管内、外半径之比

C_L1——有机玻璃纵波声速

C_S2——钢管中横波声速；

(2)选择与被探钢管同规格、同表面状态、同材质的钢管制作对比样管，其人工伤为纵向矩形槽；

(3)将所述探头放置在制作好的对比样管上分别调整探伤内、外表面缺陷的基准灵敏度，调整时，将超声波探伤装置的报警阀值设定为示波屏满幅度的80％，用折射纵波检测外表面缺陷，用变型横波检测内表面缺陷，分别记录内、外表面缺陷波在示波屏时基线上的位置和基准灵敏度dB值；

(4)确定扫查范围和扫查方式，根据被探钢管规格的大小把整个圆周分为多个探测面，一般至少要探3个圆周面，以保证整支钢管整个圆周上的纵向缺陷被全部探测到；扫查时探头沿被探钢管圆周方向扫查，实际检测时，每一次扫查前，应在管端1/3圆周处做标识，每次周向扫查范围不少于钢管的1/3圆周，以此，依次扫查完成整支钢管的探伤；

(5)判定缺陷在被探钢管中的位置，实际探伤中发现缺陷后，根据缺陷波在示波屏时基线上的位置来判别内、外表面缺陷；

(6)判断缺陷是否超标，内表面缺陷以内表面缺陷基准灵敏度值判定，外表面缺陷则以外表面缺陷基准灵敏度值判定，且内、外表面缺陷波与对比样管上的人工伤波在示波屏时基线上的相应位置一致的前提下，与其对应的基准灵敏度dB值进行比较，判断缺陷是否超标。

本发明的效果是使用该方法能有效检测出厚壁钢管纵向内表面缺陷，且一次扫查能够实现厚壁钢管内、外表面缺陷的同时探测，保证探伤结果的准确性。由于内、外表面缺陷所在位置不同，对应的声程也不同，所以缺陷波在示波屏时基线上的位置也不同，操作人员根据示波屏上缺陷波的位置，很容易对内、外表面缺陷做出正确判断。本方法仪器调整方便，操作简单，缺陷波重复性和稳定性好，且无明显杂波影响，完全能够满足现场探伤要求。自2007年至今，经此方法检测合格的上万吨厚壁钢管发往国内外用户，没有发生一起质量异议。同时，该方法给其他品种的钢管探伤提供了借鉴经验，为管理层决策及合同评审提供了依据，有助于扩展公司产品范围和产品规格。

附图说明

图1为已有技术的横波检测示意图；

图2为本发明的有机玻璃/钢斜入射时的声压往复透射率；

图3为本发明的厚壁钢管变型横波检测示意图；

图4为本发明的变型横波与内表面相交示意图；

图5(a)为本发明的检测样管外表面缺陷波形图；

图5(b)为本发明的检测样管内表面缺陷波形图；

图6为本发明的钢管近内壁B粗类夹杂物局部形貌图。

具体实施方式

结合实施例对本发明的厚壁钢管纵向内表面缺陷的超声波探伤方法加以说明。

根据分析超声波倾斜入射时的反射、折射和波型转换现象可知，当入射角小于第一临界角时，进入钢管中的超声波波型为折射纵波和折射横波同时存在，折射纵波在钢管外表面上发生波型转换，产生反射横波，即变型横波投射到钢管内表面上，通过改变探头的入射角可以使变型横波与钢管内表面相切或相交，以此来检测厚壁钢管的内表面缺陷。

由超声纵波斜入射至有机玻璃/钢界面的声压往复透射率图，如图2所示，可知，当入射角α_L小于第一临界角27.6°时，入射纵波转换为折射横波的声压往复透射率T_LS很低，最高不足10％，即透射到钢管中的折射横波强度很弱，对探测厚壁钢管内表面缺陷效果极差；而入射纵波转换为折射纵波的声压往复透射率T_LL较高，最高约25％，这也说明在折射过程中大部分能量存在于折射纵波中，折射纵波在管壁内反射后产生的变型横波也具有较高的能量，所以对内表面缺陷的探伤灵敏度明显高于折射横波，所以用变型横波斜射法检测厚壁钢管内表面缺陷是一种较为理想的方法，这在实践中已得到充分证明。

本发明的厚壁钢管纵向内表面缺陷的超声波探伤方法，该方法包括以下步骤：

(1)依据被探钢管规格确定超声波探伤装置所需探头的入射角，入射角依据下式确定，

式中：

——钢管内、外半径之比

C_L1——有机玻璃纵波声速

C_S2——钢管中横波声速；

(2)选择与被探钢管同规格、同表面状态、同材质的钢管制作对比样管，其人工伤为纵向矩形槽；

(3)将所述探头放置在制作好的对比样管上分别调整探伤内、外表面缺陷的基准灵敏度，调整时，将超声波探伤装置的报警阀值设定为示波屏满幅度的80％，用折射纵波检测外表面缺陷，用变型横波检测内表面缺陷，分别记录内、外表面缺陷波在示波屏时基线上的位置和基准灵敏度dB值；

(4)确定扫查范围和扫查方式，根据被探钢管规格的大小把整个圆周分为多个探测面，一般至少要探3个圆周面，以保证整支钢管整个圆周上的纵向缺陷被全部探测到；扫查时探头沿被探钢管圆周方向扫查，实际检测时，每一次扫查前，应在管端1/3圆周处做标识，每次周向扫查范围不少于钢管的1/3圆周，以此，依次扫查完成整支钢管的探伤；

(5)判定缺陷在被探钢管中的位置，实际探伤中发现缺陷后，根据缺陷波在示波屏时基线上的位置来判别内、外表面缺陷；

(6)判断缺陷是否超标，内表面缺陷以内表面缺陷基准灵敏度值判定，外表面缺陷则以外表面缺陷基准灵敏度值判定，且内、外表面缺陷波与对比样管上的人工伤波在示波屏时基线上的相应位置一致的前提下，与其对应的基准灵敏度dB值进行比较，判断缺陷是否超标。

本发明的技术解决方案是采用变型横波检测厚壁钢管的纵向内表面缺陷，其技术关键是探头入射角的选择。

为了能够实现厚壁钢管内表面缺陷的检测，必须减小探头的入射角，选择在小于第一临界角的范围内，使变型横波至少和钢管内表面相切，如图3所示。根据前面分析，此时的折射横波强度很弱，大部分能量集中在折射纵波中。此时：

式中：β——折射纵波产生的反射横波，即变型横波的反射角。

以Φ121mm×36mm厚壁钢管为例，此时，r＝24.5mm，R＝60.5mm，则：

由斯奈尔定律得：

对应的探头最大入射角为：

式中：C_L1——有机玻璃纵波声速，C_L1＝2730m/s，

C_L2——钢管中纵波声速，C_L2＝5900m/s。

在分析声波在厚壁钢管内传播路径的过程中，发现采用折射横波与内表面相切的方法设计的探头入射角与采用变型横波斜射法设计的探头入射角相等。如下是采用前者设计探头入射角的方法：

根据超声波探伤理论，超声波探伤钢管时要保证钢管内外表面缺陷的同时探测，所以探头入射角的范围为：

$\arcsin \frac{C_{L1}}{C_{L2}}\≤\mathrm{\α}\≤\arcsin (\frac{r}{R}\·\frac{C_{L1}}{C_{S2}})---\left(4\right)$

式中：C_S2——钢管中横波声速，C_S2＝3230m/s。(4)式说明探头入射角的上限值与钢管的规格有关，当钢管内、外半径之比r/R愈大时，入射角允许的范围也愈大。据此，可以算出探头入射角的上限值，即：

${\mathrm{\α}}_{\max }=\arcsin (\frac{r}{R}\·\frac{C_{L1}}{C_{S2}})---\left(5\right)$

同样以Φ121×36mm规格为例，可计算出最大入射角：

因此，在实际探伤中为了简便，可以依据(5)式设计探头入射角，即可采用折射横波与内表面相切的方法设计探头入射角，但不能理解为是利用折射横波检测厚壁钢管的内表面缺陷。

依前所述，厚壁钢管规格所共有的特点是t/D＞0.2，且不同的规格t/D＞0.2的程度不同，所以不同的规格应采用不同入射角的探头，对此，计算出所探t/D＞0.2的钢管允许的最大入射角，有针对性地设计专用探头实际主要是指探头的入射角。

采用变型横波斜射法探测厚壁钢管的波形显示明显区别于常规的横波反射法的波形显示，其波形显示最大的特点是外表面缺陷在前，内表面缺陷在后，其中的前后是相对始脉冲而言的，靠近始脉冲为前，远离始脉冲为后，而常规的横波反射法的波形显示是内表面缺陷在前，外表面缺陷在后。实际检测时，为了使变型横波能在管壁内锯齿形传播，通常入射角应选择略小于允许的最大入射角，使变型横波与内表面相交。如图4所示，例如Φ121mm×36mm规格所允许的最大入射角为20.02°，实际检测时选择探头的入射角为18°。下面以18°入射角探测Φ121mm×36mm规格为例，分析利用变型横波斜射法检测时，内、外表面缺陷波在示波屏上的位置。

已知α＝18°，r＝24.5mm，R＝60.5mm，

由斯奈尔定律

得：

在ΔAOB中，由余弦定理得：

W₁＝2Rcos β＝2×60.5×cos41.9°＝90mm。

如图5(a)所示，若把外表面缺陷回波调整在示波屏3格的位置，则仪器水平线性比例为30mm/格。

在ΔBOC中求W₂，由斯奈尔定律

得：

由正弦定理

得：γ＝115.5°，所以θ＝43°。

同样由正弦定理

得：W₂＝24.5×sin43°/sin21.5°＝45.8mm。

把变型横波声程折合成纵波声程：W_2L＝45.8×5900/3230≈84mm。

计算内表面缺陷回波在示波屏上出现的位置：

χ＝3+84/30＝5.8格。

实际的内表面缺陷波出现在示波屏6.1格的位置，如图5(b)所示，与计算出现的位置很接近，这完全可以说明内表面缺陷是由变型横波检测到的。

图5是对Φ121mm×36mm的样管调整内、外表面缺陷时的探伤波形图，其中图5(a)是外表面缺陷波形图，图5(b)是变型横波检测到的内表面缺陷波形图。图中F是缺陷波。

从以上检测结果可以看出，采用上述探伤方法能够有效地检测出厚壁钢管中纵向内、外表面缺陷。

实施例：本实施方式是对一炉Φ121mm×36mm 45MnCrMo的钻铤管进行检测，检测过程如下：

(1)选择探头入射角。依据前面(5)式的计算，此规格允许的最大入射角为20.02°，为了实现变型横波在钢管内锯齿形传播，应使变型横波与钢管内壁相交，故选择略小于最大入射角的18°入射角，探头频率为2.5MHz，晶片尺寸14×14mm双晶，并将探头的有机玻璃楔块磨制成与钢管外径相吻合的圆弧，保证探头圆弧与钢管表面的良好耦合。

(2)从被探钢管上截取260mm长制作对比样管。按照用户的要求，钢管的探伤级别为L2，即人工刻槽的深度为钢管公称壁厚的5％，因此，按GB/T5777-2008标准要求对比样管上内、外表面的纵向矩形槽的尺寸为：长40mm，宽1mm，深最大为1.5mm。

(3)调整探伤基准灵敏度。调节仪器深度范围旋钮和水平移位旋钮，将始波调至示波屏水平刻度的0格位置，将通波即双发双收式探测法调至示波屏水平刻度的10格位置。探头放置在对比样管上，使探头主声束对准槽口的主反射面，移动探头找出缺陷的最高反射回波，调节到80％满屏高，记录下回波在示波屏时基线上的位置，此时探伤仪上衰减器的读数即为探伤基准灵敏度，内、外表面缺陷应按上述方法分别调整。此规格调整后的基准灵敏度值为：外表面缺陷3格32dB，内表面缺陷6格28dB。实际探伤时，为了便于探测缺陷，可以在基准灵敏度的基础上提高6～10dB作为搜索灵敏度，发现缺陷后，再把衰减器旋钮旋回基准灵敏度的读数上比较。

(4)对被探钢管进行扫查。调整好探伤灵敏度后，对钢管进行周向扫查，虽然被探管的外径不是很大，但考虑到钢管壁厚较厚，超声波在钢管内传播时衰减增大，且锯齿形传播时的跨距较大，导致钢管圆周方向的锯齿漏点面大。为了保证声波能够对钢管内的缺陷100％扫查，至少要探3个圆周面，且每个圆周面上探头沿钢管圆周方向移动的范围也应尽量大，这样才能够保证整支钢管整个圆周上的纵向缺陷被全部探测到。实际检测时，每一次扫查前，应在管端1/3圆周处做好标识，每次扫查范围不少于钢管的1/3圆周，扫查速度不大于150mm/s。

(5)判断缺陷在钢管中的位置。实际探伤中整支钢管若没有超标缺陷回波，则判定此支钢管合格；当发现缺陷时，根据缺陷波在示波屏时基线上的位置来判别内、外表面缺陷，此种探伤方法波形显示的最大特点是：外伤在前、内伤在后。前后是相对始脉冲而言的，靠近始脉冲为前、远离始脉冲为后。若缺陷波在6格出现即判定此缺陷为内表面缺陷，若缺陷波在3格出现则为外表面缺陷。

(6)判断缺陷是否超标。内表面缺陷以内表面缺陷基准灵敏度值判定，外表面缺陷则以外表面缺陷基准灵敏度值判定。实际探伤中，在示波屏6格的位置出现缺陷波，当波高达到基准波高满幅的80％时，衰减器读数为36dB，比基准灵敏度高了8dB，此缺陷应判定超标。

重复以上(4)、(5)、(6)步骤，完成整炉钢管的检测。检测结果是：此炉钢管共检测115支，探伤合格31支，纵向内伤超标废84支，废品率达73.04％。为了确定缺陷的性质及产生原因，对内表面缺陷取样进行缺陷分析，结果为超长B粗类链条状夹杂物，证实了此探伤方法的有效性。同时，缺陷分析结果也给改进炼钢工艺提供了理论依据，通过在生产中采取有效措施，避免了批量废品的产生。图6是钢管近内壁B粗类夹杂物放大100倍后的局部形貌。

上述探伤过程针对的是Φ121mm×36mm的规格，经实践证明，只要是t/D＞0.2的厚壁钢管均可以实现本发明的目的，所以均应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种厚壁钢管纵向内表面缺陷的超声波探伤方法，该方法包括以下步骤：

(1)依据被探钢管规格确定超声波探伤装置所需探头的入射角，入射角依据下式确定，

式中：——钢管内、外半径之比

C_L1——有机玻璃纵波声速

C_S2——钢管中横波声速；

(2)选择与被探钢管同规格、同表面状态、同材质的钢管制作对比样管，其人工伤为纵向矩形槽；

(3)将所述探头放置在制作好的对比样管上分别调整探伤内、外表面缺陷的基准灵敏度，调整时，将超声波探伤装置的报警阀值设定为示波屏满幅度的80％，用折射纵波检测外表面缺陷，用变型横波检测内表面缺陷，分别记录内、外表面缺陷波在示波屏时基线上的位置和基准灵敏度dB值；

(4)确定扫查范围和扫查方式，根据被探钢管规格的大小把整个圆周分为多个探测面，一般至少要探3个圆周面，以保证整支钢管整个圆周上的纵向缺陷被全部探测到；扫查时探头沿被探钢管圆周方向扫查，实际检测时，每一次扫查前，应在管端1/3圆周处做标识，每次周向扫查范围不少于钢管的1/3圆周，以此，依次扫查完成整支钢管的探伤；

(5)判定缺陷在被探钢管中的位置，实际探伤中发现缺陷后，根据缺陷波在示波屏时基线上的位置来判别内、外表面缺陷；

(6)判断缺陷是否超标，内表面缺陷以内表面缺陷基准灵敏度值判定，外表面缺陷则以外表面缺陷基准灵敏度值判定，且内、外表面缺陷回波与对比样管上的人工伤回波在示波屏时基线上的相应位置一致的前提下，与其对应的基准灵敏度dB值进行比较，判断缺陷是否超标。

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