CN103808800A

CN103808800A - 一种大口径厚壁管超声组合检测方法

Info

Publication number: CN103808800A
Application number: CN201410083881.8A
Authority: CN
Inventors: 周世圆; 徐春广; 曹现东; 孙昊昱; 蔡海潮; 崔立铭
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-05-21

Abstract

本发明涉及一种大口径厚壁管超声组合检测方法，可一次性实现厚壁管内外壁横向缺陷和纵向缺陷的检测。本发明检测方法采用管件螺旋进给，组合探头固定不动，多通道超声波检测主机。利用纵波检测面积型缺陷，纯横波检测内外壁横向缺陷和外壁纵向缺陷，变型横波检测内壁纵向缺陷。本发明可以实现管件内外壁及内部100%覆盖，能一次性准确检测出1mm以下的各种缺陷，可实现缺陷精确定位定量，且提高了检测效率，减少了漏报率。

Description

一种大口径厚壁管超声组合检测方法

一、技术领域：

本发明涉及一种大口径厚壁管超声组合检测方法，可应用于厚径比为0.2-0.36的厚壁无缝钢管，如石油地质钻探用钻铤钻杆、石油化工用的裂化管、锅炉管、轴承管等的超声无损检测，能够准确检测出其内外壁及内部裂纹、分层、气泡等缺陷。

二、背景技术：

目前针对薄壁管的管材检测标准和检测技术已经较为成熟，对于厚壁管检测而言，检测标准与检测技术的发展却相对比较落后，GB/T5777-2008也仅仅在附录C中给出利用变形横波检测厚径比大于0.2小于0.3的厚壁管件内壁缺陷的简要说明。出于对保证产品质量，提高工厂生产效率，降低生产成本等因素的考虑，厚壁钢管的缺陷检测受到越来越多的重视，国内许多工厂及研究机构开展了对厚壁钢管缺陷检测方法的研究。

在国内，中国知网论文“厚壁管超声波检测技术研究”中利用水浸聚焦变形横波检测方法对φ62×22mm的厚壁管材进行了内表面纵向缺陷检测的研究，能够得到较好的检测效果，但是只研究了小口径管的检测。中国专利CN101710102“变壁、厚壁管材超声波检测方法”提出了一种变厚壁超声波探头调整方式及对称布置方法，但是对整体组合探头检测方法未作研究。论文“超厚壁钢管内壁缺陷的超声波探伤方法研究”中提出了变型横波斜入射切内壁的方法，达到了较好的检测效果，但是当管径超过200mm时，未作相应研究。论文“钻铤缺陷超声自动检测系统的设计”中针对钻铤缺陷的漏检和误判，提出了适用于大口径厚壁管材缺陷检测的方法，即多探头综合判伤法。但是其只采用了三通道探伤，检测效率较低，其工程应用的通用性较差，对于每一种规格管材都需要定制专用的组合探头。

本专利所述大口径厚壁管是指厚径比为0.2-0.36、外径为φ70mm-φ300mm的厚壁管材。本发明给出了大口径厚壁管超声组合检测方法，可一次性检测出管材各种缺陷，并规定了不同管材最佳检测参数的设计，可以极大提高厚壁管缺陷检出率与检测效率。

三、发明内容：

本发明的目的在于提供一种能够对厚径比为0.2-0.36的厚壁管材的超声组合探头的检测方法，并能够对缺陷进行定位、定量，可以实现各种缺陷的一次性检出，实现了100%的覆盖。

本发明的技术方案如下：采用管件螺旋进给，组合探头固定不动，21通道超声波检测主机，利用纯横波检测内外壁横伤和外壁纵伤以及变型横波检测内壁纵伤的水浸检测方法。所用探头分别为：面积型缺陷纵波直入射探头3个、横向缺陷纵波斜入射探头6个、近外表面纵向缺陷纵波偏心斜入射探头6个、近内表面纵向缺陷纵波偏心斜入射探头6个。其中横向缺陷检测所用纵波入射角为17°，外壁纵向缺陷所用的纵波入射角为16°；对于内壁纵向缺陷，当外径介于φ70mm-φ200mm时，采用变型横波切内壁法，当外径介于φ200mm-φ300mm时，采用变型横波端角反射法。

本发明每一种缺陷都是由单一波型来检测，其缺陷定位方法采用基于有效缺陷声时的定位方法，并布置对称方向的组合探头，不但可以实现缺陷的双向检测，而且可以对缺陷进行重复定位，提高了缺陷的检出率与定位精度。

本发明的缺陷定量方法为：根据不同缺陷不同型号的管材，分别制作不同的缺陷对比试块，即制作不同当量尺寸的矩形槽或平底孔，通过实验绘制出不同缺陷当量尺寸幅值图。当发现缺陷后，根据缺陷幅值与声程找出相同或相近的对比试块进行比较，可以准确实现缺陷定量。

四、附图说明：

附图1为组合探头装置布置方法示意图；

附图2为面积型缺陷检测示意图；

附图3为横伤检测示意图；

附图4为近外壁纵伤检测示意图；

附图5为近内壁纵伤检测示意图。

五、具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

附图1为组合探头装置布置方法示意图，主要包含探头架（12）、前室（13）和后室（11）。其中前室（13）主要有面积型缺陷检测探头（1）、近内壁纵向缺陷检测探头（6）（7）、丝杠丝母（8）；后室主要有横向缺陷检测探头（2）（3）、近外壁纵向缺陷检测探头（4）（5）、丝杠丝母（9）、蜗轮蜗杆（10）。本发明组合探头分为7组，每组3个探头，一共是21个探头，所以本发明采用21通道检测主机。近内壁纵向缺陷检测的两组探头的入射点与管件轴线对称，其超声波入射后的传播方法相反，可以实现缺陷的双向检测，这极大降低了缺陷的漏检率，同时可以通过正反方向的两组探头对缺陷进行重复定位，提高了缺陷的定位精度。假设探头尺寸为20mm×12mm，则组合探头可以满足螺距小于60mm的检测系统。

本发明各种缺陷的检测参数如水程、偏心距、缺陷定位算法等，因不同缺陷的检测方法而有所不同。水程厚度选择的原则是：使缺陷位于水-钢界面的一次回波与二次回波之间。

附图2为面积型缺陷检测示意图，其水程由下式确定：

\frac{2 H}{C_{1 L}} > \frac{2 T}{C_{2 L}}

其中，H为水程，T为被测管壁厚，C_1L为水中纵波声速（约为1473m/s），C_2L为钢中纵波声速（约为5900m/s）。

缺陷定位方法采用基于有效声时法的定位方法，有效声时法是指根据管件表面一次回波声时、缺陷声时、底面回波声时之间的关系来对缺陷进行快速定位的一种算法。

记面积型缺陷的定位深度为d，即缺陷距离水-钢界面的垂直距离，缺陷回波声时为t_F，表面回波声时为t_U，底面回波声时为t_B。对于小缺陷，d的计算公式为：

d = \frac{t_{F} - t_{U}}{t_{B} - t_{U}} (R - r)

当缺陷面积超过探头声束发射面积时，其深度计算公式为：

d = \frac{1}{2} (t_{F} - t_{U}) C_{2 L}

附图3为横伤检测示意图，纵波沿轴向斜入射，其入射角α_L＝17°，水程由下式确定：

H > \frac{2 T C_{1 L} \cos α_{L}}{C_{2 S} \cos (\arcsin \frac{C_{2 S} \sin α_{L}}{C_{1 L}})}

式中C_2S为钢中横波声速。

横伤检测时，经过波型转换，射入工件内部的是纯横波，工件中缺陷的位置由缺陷的水平和垂直方向投影位置来确定。附图3左侧为一次波探伤示意图，右侧为二次波探伤示意图。

一次波和二次波探伤的水平位置和深度位置计算公式分别为：

一次波探伤：

L_{1} = \frac{1}{2} C_{2 S} (t_{F 1} - t_{U 1}) \sin β_{S}

d_{1} = \frac{1}{2} C_{2 S} (t_{F 1} - t_{U 1}) \cos β_{S}

二次波探伤：

L_{2} = \frac{1}{2} C_{2 S} (t_{F 2} - t_{U 2}) \sin β_{S}

式中β_S为横波折射角。

附图4为近外壁纵伤检测示意图。检测时，经过波型转换，射入工件内部的是纯横波。纵波入射角α_L＝16°，偏心距计算公式：

X＝Rsinα_L

水程计算公式：

H > \frac{C_{1 L}}{C_{2 S}} 2 Rocs β_{S}

其缺陷的定位主要由缺陷离表面的深度d和和缺陷离纵波入射点的弧长

来确定，计算公式为：

d = R - \sqrt{R^{2} + \frac{1}{4} {C_{2 S}}^{2} {(t_{F} - t_{U})}^{2} - {RC}_{2 S} (t_{F} - t_{U}) \cos β_{S}}

附图5为近内壁纵伤检测示意图。当外径小于200mm时，采用变型横波切内壁方法；大于200mm时，采用变型横波端角反射法。其入射角由下式确定：

α_{L} = \arcsin \frac{C_{1 L} r \sin α_{S}}{C_{2 S} R}

偏心距计算公式：

X = \frac{C_{1 L} r \sin α_{S}}{C_{2 S}}

水程计算公式：

H_{0} > \frac{C_{1 L}}{C_{2 L}} 2 R \cos (\arcsin \frac{C_{2 L} r \sin α_{S}}{C_{2 S} R}) + \frac{C_{1 L}}{C_{2 S}} R \frac{\sin (α_{S} - \arcsin \frac{r \sin α_{S}}{R})}{\sin α_{S}}

其缺陷定位深度和弧长计算公式分别为：

缺陷定量方法为：根据不同缺陷不同型号的管材，分别制作不同的缺陷对比试块，通过实验测得不同缺陷当量尺寸幅值图。当发现缺陷后，根据缺陷幅值与声程找出相同或相近的对比试块进行比较，可以准确实现缺陷定量。

Claims

1.一种大口径厚壁管超声组合检测方法，其特征在于：利用纵波检测面积型缺陷，纯横波检测内外壁横向缺陷和外壁纵向缺陷，变型横波检测内壁纵向缺陷。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：各种缺陷所用探头组的布置方法为，面积型缺陷纵波直入射探头组（1）、前向横向缺陷纵波斜入射探头组（2）、后向横向缺陷纵波斜入射探头组（3）、近外表面左侧纵向缺陷纵波斜入射探头组（4）、近外表面右侧纵向缺陷纵波斜入射探头（5）、近内表面左侧纵向缺陷纵波斜入射探头组（6）、近内表面右侧纵向缺陷纵波斜入射探头组（7）。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：横向缺陷检测所用纵波入射角为17°，纵波入射方式为轴向斜入射；近外壁纵向缺陷所用的纵波入射角为16°，纵波入射方式为偏心斜入射。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：变型横波检测近内壁纵向缺陷的方法可分为变型横波切内壁和变型横波45°端角反射法；对于外径小于200mm的厚壁管采用变型横波切内壁法，对于外径大于200mm厚壁管采用变型横波端角反射法，两种方法纵波入射方式均为偏心斜入射。

5.根据权利要求3所述方法，其特征在于：检测不同尺寸管件的近外壁纵向缺陷时，偏心距的调整只与管材外径有关。

6.根据权利要求4所述方法，其特征在于：检测不同尺寸管件的近内壁纵向缺陷时，偏心距的调整只与管材内径有关。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于：可分别对各种缺陷进行缺陷定位和定量，缺陷定位方法采用基于有效声时法的定位方法，缺陷定量方法采用对比试块的定量方法。