CN110320270A - 一种识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法和装置：1、采用多晶片的超声波相控阵对试样进行全方位立体扫查，区分有无缺陷；2、利用探头本体上嵌设单晶片的超声波横波小探头装置对1中分辨出的有缺陷试样进行扫查，通过对夹杂物和裂纹两侧不同横波反射特征加以区分，初步识别缺陷试样中缺陷类型；缺陷为夹杂物时，试样近端二次横波反射不明显，远端反射明显；缺陷为裂纹时，横波二次波近端有反射，远端二次波反射明显；3、采用前述小探头装置对试样继续扫查，进一步验证2中对缺陷初步识别的准确度，前后移动横波探头，若发现动态移动时的横波包络线为“马鞍”形，则为母材夹杂；若横波包络线为尖锐的“山丘”形，则为裂纹。

Description

一种识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法和装置

技术领域

本发明涉及一种识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法和装置，属于纵波和横波水膜法超声波探伤技术领域，适用于10－45mm厚度氢致开裂试样的探伤。

背景技术

石油、天然气一般分为纯净度高的油气和富含有H₂S、CO₂等介质的油气。而国内外随着在陆地上和海洋中容易开采的浅层油气和纯净度高的油气越来越少，而深度深、压力高、腐蚀强的油气田则比比皆是。很多油气田中的油气都富含H₂S、CO₂等介质。这就要求在输送此类腐蚀性强的焊接钢管必须具备抗硫、抗酸等特性。通常，为了适用于国内外输送H₂S、CO₂等腐蚀介质的焊接钢管，其焊管用热轧板在化学成份的设计中就会要求低C、低S、P,合金含量高一些，一般会有Al/N、Ca/S、真空脱气要求，还要控制夹杂物、偏析、分层等，并且不得有带状组织。其目的主要是为了保证酸性服役时不会氢致开裂、硫化物应力开裂和酸性腐蚀。而最后表征其工艺是否符合双抗管用热轧板则需按照相关的国际通用的DNV-2012(挪威船级社海管标准)和API SPEC-45PSL3(美国石油协会海管和抗腐蚀管标准)进行氢致开裂试验，试验结束后对相关试样进行无损探伤，探伤目的是为了找出裂纹缺陷，并对其指示长度进行测量，最后按照上述两个标准中对氢致开裂试样中允许裂纹的长度进行对比，就能确认此试样是否符合标准要求，如果不符合要求则须重新根根取样，并对不合格的管料进行报废。由于试样中夹杂物和裂纹缺陷的超声波特征十分相近，故需要一种能快速有效的识别出试样中的夹杂物和裂纹，并对裂纹进行精确定位和测长的方法，一方面用来印证该化学成份设计和连铸连轧工艺是否具备抗硫、抗酸等效果，另一方面通过精确定性和定长，既不会造成裂纹漏检，也不会把夹杂物当成裂纹，从而明显的减少不必要的根根复样和管料报废。

目前，国内外针对识别氢致开裂试样中缺陷通常都采用超声波纵波水膜法，由于氢致开裂试样中的裂纹特征是有走向和较细小分叉的面积型缺陷。故用此类直探头虽然能探出一部份裂纹，但存在如下问题：

1)超声波纵波水膜法除了对氢致开裂试样中裂纹有明显反射外，对夹杂物缺陷也会有明显的反射波。故只用此方法无法把两者区分开来。

2)为了探测到夹杂物和裂纹常用的直探头的探头直径都在10mm-16mm，频率为5MHZ，此时会有一些较小的裂纹无法探测到且用原有方法扫除面积有限，故效率低下。

3)通过大量解剖的试验样可知常用直探头的探头直径10mm-16mm，虽然已经较小但还是在测定裂纹的指示长度时偏差明显，和小分层探头对比存在明显的指示长度过长，通常误差在2.0-4.0mm。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中超声波探伤方法无法全面有效的对氢致开裂试样中夹杂物和裂纹进行定性识别、检测效率低、易造成根根复样和管料报废等缺陷，提供一种有利于对该类缺陷进行定性判断，能够最大程度上提高检测效率，确保不会造成裂纹漏检，同时明显的减少了不必要的根根复样和管料报废的一种识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法，包括如下步骤：

1)、采用具有多晶片的超声波相控阵对试样进行全方位立体扫查，区分无缺陷试样和有缺陷试样；

2)、利用探头本体上嵌设有单晶片的超声波横波小探头装置对步骤1)中分辨出的有缺陷试样进行扫查，通过对夹杂物和裂纹两侧不同的横波反射特征加以区分，以初步识别缺陷试样中的缺陷是夹杂物还是裂纹；该超声波横波小探头装置的探头晶片尺寸为5-8mm；

其中：所述缺陷为夹杂物时，试样近端一次横波反射明显，远端反射不明显，近端二次横波反射不明显，远端横波二次波反射明显；所述缺陷为裂纹时，试样近端一次横波有反射，远端反射明显，横波二次波近端有反射，远端二次波反射明显；

3)、采用所述超声波横波小探头装置对试样继续扫查，以进一步验证步骤2)对缺陷初步识别的准确度，其中：

若前后移动横波探头，发现动态移动时的横波包络线为一“马鞍”形时，判定为母材夹杂；若前后移动横波探头，发现动态移动时的横波包络线为一尖锐的“山丘”形时，判定为试样中的裂纹。

作为本技术方案的进一步改进，步骤1)中的全方位立体扫查包括调整相控阵仪器使仪器的显示为A扫描和B扫描，把相控阵探头紧贴在有涂满薄薄机油的氢致腐蚀试样上，前后移动探头，判断A扫描和B扫描反射波的步骤。

也作为本技术方案的进一步改进，该方法还包括如下步骤：

运用分层纵波小探头置于缺陷为裂纹时裂纹所处的位置略作左右移动，通过半波法测定裂纹的指示长度。

作为本发明的进一步改进，所述纵波小探头的阻尼为40-50Ω，增益为40dB，晶片尺寸为5-8mm，有效检测范围是6-10mm宽，厚10-20mm；检测中心频率为20-30MHZ。(小探头优选的阻尼为50Ω，增益为40dB，晶片尺寸为5mm，有效检测范围是8mm宽，厚10mm；检测中心频率为20MHZ。)

作为本发明的优选实施例之一，所述超声波横波小探头装置的探头频率为10MHZ。

作为本发明的另一优选实施例，步骤2)中单晶片的晶片尺寸为5mm，横波小探头角度为60度。

还作为本技术方案的进一步改进，步骤2)中夹杂物或裂纹的初步识别包括如下具体步骤：

a、若试样厚度的下半部分近侧端部有一次回波，远侧同一端部无明显回波时，则缺陷初步判定为近探头侧夹杂物；

b、若试样厚度的下半部分有近侧一次回波，远侧也有明显一次回波时，则缺陷判定为裂纹；

c、若试样厚度的上半部分有近侧二次回波，远侧二次无明显回波时，则缺陷判定为夹杂物；

d、若试样厚度的上半部分有近侧二次回波，远侧也有明显二次回波时，则缺陷判定为裂纹。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种前述探伤方法的超声波横波小探头装置，其特点为，该超声波横波小探头装置具有一至少可将包括探头晶片的装置本体佩戴于操作者手指上的可穿戴结构。

作为该技术方案的进一步改进，所述可穿戴结构包括一皮带和皮带扣，所述皮带经铆钉铆接于所述装置本体上。

作为本发明的优选实施例之一，所述超声波横波小探头装置的探头晶片为单晶片，晶片尺寸为5*5mm，频率为10MHZ，穿戴式横波小探头角度为60度。

作为本技术方案的更进一步改进，所述单晶片为压电复合材料晶片。

采用上述技术方案的识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法及装置主要存在以下优点：

由于能精确的识别出夹杂物和裂纹，以及裂纹的指示长度，故可以挽救大量原本需要降级的管料。例如在试验过程中执行的某双抗管项目中，通过UOE钢管MES系统的“取样委托管理”和“委托试验结果查询”可以查出在有效分辨了夹杂物和裂纹缺陷后挽救的管料计有191根之多，按双抗管项目914.4×19.8管料的重量平均值计：191根×5.24吨/根＝1000.8吨，若按双抗合格管和降级管料的差额为2000元/吨计算，则总节约费用有1000.8吨×2000元/吨＝200.16万元。

并且，本技术方案在现场实施后，可以解决对该类缺陷的定性能力，从而明显减少了需要降级的管料。该方法可以快速又简便的分辨出氢致开裂试样中夹杂物和裂纹缺陷，并对裂纹进行精确测长，既不会造成裂纹漏检，也不会把夹杂物当成裂纹，从而能明显的减少不必要的根根复样和管料报废。

附图说明

图1为本发明穿戴式超声波横波小探头装置结构示意图；

图2为本发明相控阵探头校验用标准试样图；

图3为本发明刻槽缺陷的A/B扫描显示图；

图4为本发明夹杂物一次反射回波(探头在左侧)示意，其中图4a为扫查示意图，图4b为波形图；

图5为本发明夹杂物一次反射回波(探头在右侧)示意，其中图5a为扫查示意图，图5b为波形图；

图6为本发明夹杂物二次反射回波(探头在左侧)示意，其中图6a为扫查示意图，图6b为波形图；

图7为本发明夹杂物二次反射回波(探头在右侧)示意，其中图7a为扫查示意图，图7b为波形图；

图8为本发明裂纹一次反射回波(探头在左侧)示意，其中图8a为扫查示意图，图8b为波形图；

图9为本发明裂纹一次反射回波(探头在右侧)示意，其中图9a为扫查示意图，图9b为波形图；

图10为本发明裂纹二次反射回波(探头在左侧)示意，其中图10a为扫查示意图，图10b为波形图；

图11为本发明裂纹二次反射回波(探头在右侧)示意，其中图11a为扫查示意图，图11b为波形图；

图12为母材夹杂物的金相图；

图13为夹杂物所对应的动态包络线反射回拨图；

图14为母材裂纹的金相图；

图15为裂纹所对应的动态包络线反射回拨图；

图16为本发明识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的总步骤图；

图中：1——探头本体 2——电缆线接口 3——探头晶片 4——铆钉 5——皮带6——皮带扣

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细说明。

本发明提供了一种识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法及装置，是一种专门针对超声波纵波水膜法无法全面的、有效的识别氢致开裂试样中裂纹和母材夹杂，并效率低下，重复取样、重复解剖，定位/测长误差大等问题，有针对性的提出一种改进措施，该措施是通过对有缺陷的氢致开裂试样大量进行金相解剖，了解了试样中裂纹和夹杂的形貌、特征后再通过对超声波探伤理论的理解的基础上，针对反射波波形、位置采用高频纵波线阵相控阵探头、电子扫描、线性手动扫查方式加以初步筛选,并用一种特制的高精度横波手指探头进行最终定性。最后用特制的纵波探头进行精确测量指示长度。这就能够最大程度上提高检测效率，确保不会造成裂纹漏检，同时明显的减少了不必要的根根复样和管料报废。

具体技术方案及步骤如下：

第一步：

利用超声波相控阵具有多晶片同时扫查的特性，对该试样进行全方位立体扫查，快速的筛选出缺陷(裂纹和夹杂)试样。通过超声波相控阵全方位立体扫查整个长方形试样，以便区分无缺陷试样和有缺陷试样。参考图2和图3所示，调整相控阵仪器使仪器的显示为A扫描和B扫描，把相控阵探头紧贴在有涂满薄薄机油的氢致腐蚀试样上，前后移动探头，若无缺陷则A扫描和B扫描无明显反射波，若有缺陷则会产生如图3所示的左边的A扫描图中有超过闸门的脉冲波时右边就会显示出和图2不同深度4个刻槽对应的不同深度的4个缺陷截面图。这样就能快速筛选出有缺陷的试样。

第二步：

通过用如图1所示的一种穿戴式超声波横波小探头装置(一种捆绑在手指上的探头装置)该装置的探头晶片尺寸为5*5mm，探头频率为10MHZ，探头晶片由压电复合材料制成，其特征是晶片尺寸小，其近场长度小，信噪比和分辨率高，能较好的对缺陷试样中夹杂物和裂纹反射回波的不同静态反射特征和动态波形的进行识别。

如图4a所示，先把穿戴式超声波横波小探头装置到左侧并紧贴在涂满薄薄机油的试样上，若发现试样厚度的下半部分近侧(靠近探头侧)端部有一次回波(参照图4b)，即一次横波反射明显；再按图5a所示把横波探头放置到右侧，发现远侧同一端部无明显回波(参照图5b)，近侧的当量一般低于20×1×1mm(长×宽×深)刻槽2－4dB，缺陷波为2－3根回波，此时可初步判定为近探头侧夹杂物。

如图8所示，相对应的若发现试样厚度的下半部分有近侧一次回波(参照图8b)，再如图9a所示，把横波探头放置到远侧，发现远侧也有明显一次回波(参照图9b)；近侧的当量一般高出20×1×1mm(长×宽×深)刻槽8－10dB，远侧高出6－8dB，缺陷波为单根回波，由于裂纹的特征是有走向和较细小分叉，故远离探头侧也会和反射波形成接近90°夹角，此时可初步断定该回波为裂纹。

再如图6a所示，把一种穿戴式超声波横波小探头装置紧贴在涂满薄薄机油的试样上的左侧，发现试样厚度的上半部分有近侧二次回波(参照图6b)，反射明显；再把探头按图7a放置到右侧，发现远侧二次无明显回波(参照图7b)，近侧的当量一般低于20×1×1mm(长×宽×深)刻槽0－2dB，缺陷波为2－3根回波，此时可断定该回波为夹杂物。

相对应的，如图10所示，若发现试样厚度的上半部分有近侧二次回波(参照图10b)，再按图11a所示把横波探头放置到远侧，发现远侧也有明显二次回波(参照图11b)，即缺陷回波近侧的当量一般高出20×1×1mm(长×宽×深)刻槽8－10dB，远侧高出6－8dB，由于裂纹的特征是有走向和较细小分叉，故远离探头侧也会和反射波形成接近90°夹角，此时初步断定为该回波为裂纹。

第三步：

为了进一步印证夹杂物还是裂纹还需用该穿戴式超声波横波小探头装置紧贴在涂满薄薄机油的试样上扫查，前后移动横波探头，如果发现动态移动时的横波包络线为一“马鞍”形(参照图13所示)。这是因为夹杂物中含有其它杂质，其声速不同，故动态反射波当量时高时低，此时，可进一步判定为母材夹杂(母材夹杂物的金相图可参照图12)。

如果用该穿戴式超声波横波小探头装置紧贴在涂满薄薄机油的试样上扫查，前后移动横波探头，若发现动态移动时的横波包络线为一尖锐的“山丘”形(参照图15所示)，此时，可进一步判定为试样中的裂纹(母材裂纹的金相图可参照图14)。

第四步：最终通过分层纵波小探头判定裂纹的指示长度。

虽然按前面两种方法可以有效的识别出裂纹，但由于相控阵探头的探头有效晶片较大，则测定缺陷的有效长度的精确度有所欠缺，而该穿戴式超声波横波小探头装置由于是通过折射后才能扫查到裂纹，故其尺寸精确度同样有所欠缺。所以，又运用分层纵波小探头进一步判断。该探头是专门针对氢致开裂试样的裂纹测长而制作的(这里的专门指参数上的特别设计)，其参数为：阻尼为40-50Ω，增益为40dB，晶片尺寸为5-8mm，有效检测范围是6-10mm宽，厚10-20mm；检测中心频率为20-30MHZ。(参数优选值：阻尼为50Ω，增益为40dB，晶片尺寸为5mm，有效检测范围是8mm宽，厚10mm；检测中心频率为20MHZ。)

晶片由压电复合材料制成。由于晶片尺寸小，其近场长度小，信噪比和分辨率高，同时其中心频率很高，能量集中，故能对母材裂纹进行精确测定指示长度。

若用常规的纵波探头，其晶片尺寸为10mm以上，频率一般低于或等于5MHZ，由于能量相对低，晶片尺寸大故其信噪比和分辨率差，故测定指示长度的准确性较差。由于该类小探头直径只有5mm左右，手握时比较费劲，移动时一次扫查面积很小，左右来回扫查时间过长后会造成探伤人员手势变形，则会最终漏检，同时效率很低，而且只用此类纵波探头当探测到母材缺陷时，无法识别是夹杂物还是裂纹，于是我们设计了前面两个步骤，通过前面第一步可以筛选出有缺陷试样，第二步可以分辨出裂纹和标记相应的裂纹位置，此时把我们分层纵波小探头放在目标位置上略作左右移动通过半波法就能准确的测定裂纹的指示长度，最终起到了事半功倍的效果。

本发明所提供的方法和装置，其具体实施过程如下：

按附图1，对该穿戴式超声波横波小探头装置进行安装：首先，将探头晶片3嵌入探头本体1，并使探头电缆线接口2连接电缆线，然后把皮带扣6穿在扣在手指上的皮带5上，之后用固定皮带的铆钉4铆在探头本体1上，并用扣在手指上的皮带5的一端绕过手指并穿过皮带扣6使其紧扣手指。

探伤作业开始前：

1、按附图2，根据在和相同材质、壁厚的标准样块上调整相控阵仪器的深度1：1扫描线性，并调整特制手指式横波探头和纵波小探头的深度1：1扫描线性。

2、按照附图2和3、使用样块上20×1×1mm(长×宽×深)刻槽调整相控阵探头和特制手指式横波探头以及纵波小探头的当量，并根据试样和标准样块的表面耦合差异进行一定的补偿。

探伤作业开始后：

3、用相控阵对试样进行整体扫查。

4、使用单面双测法(缺陷左侧和右侧)对试样同一位置的母材缺陷进行初步识别。

5、探测到母材缺陷后仔细观察反射波的动态波形，由于夹杂物的动态包络线为“马鞍”形而裂纹的动态包络线为尖锐的“山丘”形。此时可有效识别出裂纹

6、在上述步骤4和5的基础上把纵波小探头放在目标位置上左右移动，利用半波法测定出该母材裂纹的指示长度，此时可精确的测出此裂纹的指示长度。

如图16为本发明方法的总步骤图，本发明通过夹杂物和裂纹的不同波形、不同当量、焊缝两侧不同特征等实现的，该方法最大好处是挽救了大量原本需要降级的管料。

本发明首先通过超声波相控阵具有多晶片同时扫查的功能对该试样进行全方位立体扫查，并快速的筛选出缺陷(裂纹和夹杂)试样。

再通过用穿戴式横波小探头对夹杂物和裂纹两侧不同的横波反射特征加以区分。夹杂物近端二次横波反射不明显，远端横波二次波反射明显。而裂纹由于在形貌上都是有分叉的故横波二次波近端有反射，远端二次波反射也会由于裂纹的分叉造成反射角度大而十分明显。同时分析夹杂物和裂纹动态横波反射回波可发现夹杂物动态包络线回波为“马鞍”形。而裂纹的动态包络线回波为一尖锐的“山丘”形。这样就能进一步识别出缺陷试样中的裂纹缺陷。

最终运用纵波分层小探头对母材裂纹进行指示长度的测定。

该技术方案具有探伤效率高、探伤操作方便、环保的优点。

Claims (10)

1.一种识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、采用具有多晶片的超声波相控阵对试样进行全方位立体扫查，区分无缺陷试样和有缺陷试样；

2)、利用探头本体上嵌设有单晶片的超声波横波小探头装置对步骤1)中分辨出的有缺陷试样进行扫查，通过对夹杂物和裂纹两侧不同的横波反射特征加以区分，以初步识别缺陷试样中的缺陷是夹杂物还是裂纹；该超声波横波小探头装置的探头晶片尺寸为5-8mm；

其中：所述缺陷为夹杂物时，试样近端一次横波反射明显，远端反射不明显，近端二次横波反射不明显，远端横波二次波反射明显；所述缺陷为裂纹时，试样近端一次横波有反射，远端反射明显，横波二次波近端有反射，远端二次波反射明显；

3)、采用所述超声波横波小探头装置对试样继续扫查，以进一步验证步骤2)对缺陷初步识别的准确度，其中：

若前后移动横波探头，发现动态移动时的横波包络线为一“马鞍”形时，判定为母材夹杂；若前后移动横波探头，发现动态移动时的横波包络线为一尖锐的“山丘”形时，判定为试样中的裂纹。

2.根据权利要求1所述的识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法，其特征在于，步骤1)中的全方位立体扫查包括调整相控阵仪器使仪器的显示为A扫描和B扫描，把相控阵探头紧贴在有涂满薄薄机油的氢致腐蚀试样上，前后移动探头，判断A扫描和B扫描反射波的步骤。

3.根据权利要求1所述的识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：

运用分层纵波小探头置于缺陷为裂纹时裂纹所处的位置略作左右移动，通过半波法测定裂纹的指示长度。

4.根据权利要求3所述的识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法，其特征在于，所述纵波小探头的阻尼为40-50Ω，增益为40dB，晶片尺寸为5-8mm，有效检测范围是6-10mm宽，厚10-20mm；检测中心频率为20-30MHZ。

5.根据权利要求1所述的识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法，其特征在于，所述超声波横波小探头装置的探头频率为10MHZ。

6.根据权利要求1所述的识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法，其特征在于，步骤2)中单晶片的晶片尺寸为5mm，横波小探头角度为60度。

7.根据权利要求1所述的识别氢致开裂试样中夹杂物和裂纹的探伤方法，其特征在于，步骤2)中夹杂物或裂纹的初步识别包括如下具体步骤：

a、若试样厚度的下半部分近侧端部有一次回波，远侧同一端部无明显回波时，则缺陷初步判定为近探头侧夹杂物；

b、若试样厚度的下半部分有近侧一次回波，远侧也有明显一次回波时，则缺陷判定为裂纹；

c、若试样厚度的上半部分有近侧二次回波，远侧二次无明显回波时，则缺陷判定为夹杂物；

d、若试样厚度的上半部分有近侧二次回波，远侧也有明显二次回波时，则缺陷判定为裂纹。

8.一种用于权利要求1-7中任一权利要求所述探伤方法的超声波横波小探头装置，其特征在于，该超声波横波小探头装置具有一至少可将包括探头晶片的装置本体佩戴于操作者手指上的可穿戴结构。

9.根据权利要求8所述的超声波横波小探头装置，其特征在于，所述可穿戴结构包括一皮带和皮带扣，所述皮带经铆钉铆接于所述装置本体上。

10.根据权利要求8所述的超声波横波小探头装置，其特征在于，所述超声波横波小探头装置的探头晶片为单晶片，晶片尺寸为5*5mm，频率为10MHZ，穿戴式横波小探头角度为60度；所述单晶片为压电复合材料晶片。