CN108414620A - 小径深比异型管道内壁周向裂纹表面波检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了小径深比异型管道内壁周向裂纹表面波检测方法，属于超声无损检测领域。创新性地将表面波传感器沿异型管道端部径向配置，利用表面波在端部内棱处的反射和透射特性，合理选择检测频率，利用透射到管道内壁传播的轴向表面波对异型管道内壁周向裂纹进行检测。在该检测方法中，传感器与管道端部的接触面为平面，两者的耦合状况与异型管道的内壁曲率无关，很大程度上提高了表面波传感器的适用性，能够实现快速、高效检测。本发明实现了对小径深比异型管道内壁不同尺寸周向刻槽的检测，证明了该检测方法的有效性。

Description

小径深比异型管道内壁周向裂纹表面波检测方法
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，具体涉及一种基于表面波检测技术的适用于小径深比异型管道内壁周向裂纹的检测方法。
背景技术
套管头四通及油管头四通等小(直)径深(度)比异型管道，是石油开采设备中的重要连接件，支撑采油装置中其他部件的重量并承受一定的内压，其健康状况直接影响着石油生产的安全可靠运行。这些异型管道的生产过程通常包含锻造环节，在此过程中锻件内部存在较大的应力，容易产生缺陷，经机械加工形成内孔后，异型管道内壁可能会存在周向裂纹。如果这些裂纹的深度超过后续生产环节的加工余量，则要及时进行报废处理，以免给管道生产企业带来更大的经济损失。进而，如果异型管道成品带有内壁周向裂纹并安装在采油设施中，在恶劣的服役环境中裂纹不断扩展，将造成严重的安全事故和经济损失。因此，在异型管道的生产过程中对其内壁周向裂纹进行有效检测，是十分必要的。
当前，在相关生产企业中，仍大量采用常规超声对产品质量进行控制。常规超声检测的优点是操作方便、价格低廉、检测灵敏度高，并可对锻件内部体积型缺陷进行有效检测，但其检测效率低、且对表面裂纹不敏感。其他检测手段诸如磁粉检测、渗透检测等，虽然对表面开口裂纹比较敏感，但针对这类径深比较小的异型管道，目视检查相对困难，限制了这些检测方法的应用。为了快速有效的检测小径深比异型管道的内壁周向裂纹，有必要探讨其他检测方案。
表面波是一种特殊的超声导波，其能量主要集中在试件表面下一个波长的深度，因此对表面及近表面裂纹十分敏感。表面波在传播过程中衰减较小，可在试件表面传播较远距离，并且可沿试件的弯曲表面传播，是一种高效的检测手段。将表面波传感器放置在管道内壁，可产生沿管道轴向或周向传播的表面波。但对于小径深比异型管道而言，其内壁曲率较大，对不同尺寸的异型管道进行检测时，需调整传感器与管道的接触面以获得良好的耦合状况，这导致了单个传感器的适用性不强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于表面波检测技术的适用于小径深比异型管道内壁周向裂纹的检测方法，可在不调整表面波传感器与管道接触面的情况下，实现不同内径的小径深比异型管道内壁轴向表面波的激励与接收，并对异型管道内壁周向表面裂纹进行快速、高效检测，提高传感器的检测适用性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种小径深比异型管道内壁周向裂纹表面波检测方法，该方法利用径向配置在小径深比异型管道端部的表面波传感器，实现对异型管道内壁周向裂纹的检测，其特征在于包括以下步骤：
1)将表面波传感器沿小径深比异型管道端部径向配置，表面波传感器工作在自激励自接收模式，产生沿异型管道端部径向传播的表面波；
2)根据表面波在端面内棱处的反射和透射特性，合理选择检测频率，使得透射到管道内壁并沿管道内壁轴向传播的表面波能量最强；
3)沿异型管道内壁轴向传播的表面波遇到内壁周向裂纹，发生反射，反射回波沿原路径返回，在管道内棱再次发生透射，透射波被置于管道端部的表面波传感器接收；
4)表面波传感器接收到的表面波信号即为缺陷回波信号，根据该信号能实现对小径深比异型管道内壁周向裂纹的有效检测。
本发明具有的有益技术效果：在该检测方法中，传感器与管道端部的接触面为平面，两者的耦合状况与异型管道的内壁曲率无关，很大程度上提高了表面波传感器的适用性，能够实现小径深比异型管道内壁周向裂纹的快速、高效检测。
附图说明
图1为本发明中表面波传感器在小径深比异型管道上的配置方式。
图2为本发明中的典型检测系统结构图。
图3为表面波在异型管道端部内棱处的反射和透射系数与表面波波长的关系曲线。
图4为表面波反射和透射系数与异型管道端部内棱倒角尺寸的关系曲线。
图5为典型检测过程中传感器的放置位置和缺陷位置示意图。
图6为典型的检测系统的原始接收信号图。
图中：1、表面波传感器；2、小径深比异型管道；3、异型管道端部内棱；4、异型管道端部外棱；5、内壁周向刻槽；6、缺陷检测时的表面波传播路径。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本发明为基于表面波检测技术，考虑表面波在异型管道端部内棱处的反射和透射特性，利用透射到管道内壁的轴向表面波，实现小径深比异型管道内壁周向裂纹的检测。
本发明中的表面波传感器1在小径深比异型管道2上的配置形式如图1所示，表面波传感器1放置在小径深比异型管道2的端部，具体位于异型管道端部内棱3和异型管道端部外棱4之间，并且表面波传感器1沿小径深比异型管道2的径向配置。
如图2所示为本发明中的典型检测系统，检测系统由信号激励接收装置、示波器和表面波传感器1组成。采用自激励自接收模式，信号激励接收装置与表面波传感器1相连，信号激励接收装置产生窄频调制信号并接收表面波传感器1检测到的信号，表面波传感器1在小径深比异型管道2的端部激励并接收表面波，示波器与信号激励接收装置相连，用于观察激励信号和接收信号的波形。
本发明中典型检测系统的表面波传感器1激发出的表面波，沿异型管道端部径向垂直入射到异型管道端部内棱3上，在异型管道端部内棱3处发生反射和透射，反射的表面波沿原路径返回，透射波转换为沿小径深比异型管道2内壁轴向传播的表面波。当异型管道端部内棱3无倒角时，表面波在异型管道端部内棱3处的反射和透射系数(以振幅度量)与表面波波长的关系曲线如图3所示，由图可知，表面波的反射和透射系数随波长变化不显著，并且反射系数约为35％，透射系数约为70％。也即表面波在异型管道端部内棱3发生一次透射，其幅值衰减约30％；表面波在异型管道端部内棱3发生两次透射，其幅值衰减约50％，说明采用该方法得到的管道内壁轴向表面波可用于小径深比异型管道2的内壁周向缺陷检测。
本发明中的小径深比异型管道2的端部内棱3有倒角时，需根据表面波在端部内棱3处的反射和透射特性，合理选择检测频率。所述的选择依据如图4所示，为表面波反射和透射系数与异型管道端部内棱3倒角尺寸的关系曲线。由图4可知，当倒角尺寸与表面波波长相等时，表面波在异型管道端部内棱3处的透射系数达到最大值，约为78％。那么表面波在异型管道端部内棱3发生两次透射，其幅值只衰减了约40％，衰减幅度小于端部内棱无倒角的情况。因此异型管道端部内棱3有倒角时，应选择波长与倒角尺寸相同的表面波，使表面波发生透射时的幅值衰减最小，以达到更好的检测效果。
如图5所示为一组典型的检测过程，利用配置在小径深比异型管道2端部的表面波传感器对小径深比异型管道内壁周向刻槽5进行检测。本实例中的小径深比异型管道2内径为196mm，长度为605mm，材料为钢；异型管道端部内棱3的倒角尺寸为2mm，因此检测中的表面波波长选择2mm；对应地，根据钢中表面波的波速3000m/s，表面波传感器1的中心频率为1.5MHz；信号激励接收装置产生频率为1.5MHz的6周期的ToneBurst信号，一路经衰减后输出到示波器的通道1，作为示波器的触发信号并用于观察激励信号的波形，一路输入表面波传感器1；在激励信号的作用下，表面波传感器1激发出沿小径深比异型管道2端部径向传播的表面波，在异型管道端部内棱3处发生透射后，转换为沿管道内壁轴向传播的表面波，遇到管道内壁周向刻槽5发生反射，反射回波沿原路径返回，并被表面波传感器1接收，即为完整的缺陷检测时的表面波传播路径6；表面波传感器1接收到的信号传递到信号激励接收装置，经放大、滤波后输入到示波器的通道2，显示检测信号波形。
本实例中的小径深比异型管道内壁周向刻槽5有两个：1#刻槽的尺寸为长×宽×深＝30×2×1.5mm，与异型管道端部内棱3距离为350mm；2#刻槽的尺寸为长×宽×深＝35×1.5×3mm，与异型管道端部内棱3距离为400mm。本实例中对异型管道内壁周向刻槽5的典型检测结果如图6，图中所示均为示波器中的原始信号图。接收信号中到达时间在0.05ms以内的第1个和第2个波包分别为异型管道端部内棱3和异型管道端部外棱4的反射回波；到达时间分别在0.25ms和0.31ms的波包则对应为1#刻槽和2#刻槽的反射回波，证明了本发明的可行性。

Claims (5)

1.小径深比异型管道内壁周向裂纹表面波检测方法，该方法利用径向配置在小径深比异型管道(2)端部的表面波传感器(1)，实现对异型管道内壁周向裂纹的检测，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将表面波传感器(1)沿小径深比异型管道(2)的端部径向配置，表面波传感器(1)工作在自激励自接收模式，产生沿小径深比异型管道(2)端部径向传播的表面波；
2)根据表面波在异型管道端部内棱(3)处的反射和透射特性，合理选择检测频率，使得透射到管道内壁并沿内壁轴向传播的表面波的能量最强；
3)沿异型管道内壁轴向传播的表面波遇到内壁周向裂纹，发生反射，反射回波沿原路径返回，在异型管道端部内棱(3)再次发生透射，透射波被置于管道端部的表面波传感器(1)接收；
4)表面波传感器(1)接收到的表面波信号即为缺陷回波信号，根据该缺陷回波信号实现对小径深比异型管道(2)内壁周向裂纹的有效检测和准确定位。
2.根据权利要求1所述的小径深比异型管道内壁周向裂纹表面波检测方法，其特征在于，表面波传感器(1)放置在小径深比异型管道(2)的端部，具体位于异型管道端部内棱(3)和异型管道端部外棱(4)之间，并且表面波传感器(1)沿小径深比异型管道(2)的径向配置。
3.根据权利要求1所述的小径深比异型管道内壁周向裂纹表面波检测方法，其特征在于，小径深比异型管道(2)的端部内棱(3)无倒角时，表面波在异型管道端部内棱(3)处的反射和透射系数(以振幅度量)随波长变化不显著，并且反射系数为35％，透射系数为70％，应根据小径深比异型管道(2)的表面状况合理选择检测频率。
4.根据权利要求1所述的小径深比异型管道内壁周向裂纹表面波检测方法，其特征在于，小径深比异型管道(2)的端部内棱(3)有倒角时，需根据表面波在异型管道端部内棱(3)处的反射和透射特性，即为表面波反射和透射系数与异型管道端部内棱(3)倒角尺寸的关系曲线，合理选择检测频率。
5.根据权利要求4所述的小径深比异型管道内壁周向裂纹表面波检测方法，其特征在于，检测频率选择依据中，当倒角尺寸与表面波波长相等时，表面波在异型管道端部内棱(3)处的透射系数达到最大值，为78％，大于异型管道端部内棱(3)无倒角时的表面波透射系数，选择波长与异型管道端部内棱(3)倒角尺寸相同的表面波，使表面波发生透射时的幅值衰减最小，以达到更好的检测效果。
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