钢管无损检测技术的应用和探讨

钢管无损检测技术的应用和探讨摘要：本文介绍了无损检测技术在钢管厂的应用情况，针对现场一些问题，包括检测标准，检测设备的调整，对比试样的制作等进行分析和探讨。关键词：检测标准；设备调整；对比试样根据生产方式的差异，钢管分为无缝钢管和焊接钢管。宝钢股份宝钢分公司钢管厂目前有无缝钢管厂、ERW焊管厂、UOE焊管厂，生产的产品有锅炉管、油井管、管线管等，这些产品需要进行无损检测。其中，高压锅炉管进行涡流、超声波检测；油井管进行超声波、漏磁、涡流检测，管端进行磁粉检测；管线管进行涡流和超声波检测；ERW焊管进行板材超声波检测、在线超声波检测、离线焊缝检测、管端超声波检测、超声波管体检测；UOE焊管进行超声波检测和射线检测。在钢管厂应用的几种检测方法中，超声波检测是最重要的一种，本文着重介绍超声波检测中遇到的一些问题，包括检测标准，检测设备的调整，对比试样的制作等进行分析和探讨。1.检测标准钢管厂的产品有输送管、结构管、高压锅炉管、低中压锅炉管、管线管、油井管、钻杆。高压锅炉管产品执行ASME标准的，要求按照ASTME213超声波检测；执行GB5310标准的，要求按照GB/T5777超声波检测。管线管产品执行APISPEC5L标准的，要求按照ASTME213超声波检测；管线管产品执行ISO3183-3标准的，要求按照ISO9303超声波检测纵向缺陷，按照ISO9305超声波检测横向缺陷，按照ISO10543超声波检测厚度，按照ISO10124超声波检测分层缺欠，按照ISO11496超声波检测管端分层缺欠。在以上标准中，ISO9303和ISO9305的主要内容在GB/T5777中可以找到。钢管厂接触较少的标准是ISO10543和ISO10124。ISO10543标准适用于检测外径大于和等于25.4毫米，最小壁厚2.6毫米的钢管。标准说明：测厚时，不要求管子表面100%扫查，除非产品标准有要求或用户和制造商协商；使用相同的超声波探头可以按照ISO10124检测分层缺欠。检测时，扫查螺距不应大于150毫米。自动检测系统应能区分合格和可疑管子，并有自动报警和标记系统。使用相同规格的钢管加工对比试样，壁厚公差±0.05毫米或±0.2%之间取大者。设备对壁厚的检测精度±0.1毫米或±2%之间取大者。用对比试样校验设备的间隔时间应小于4小时。检测时没有报警的管子为合格品。报警管子为可疑品，应进行标记或再次检测，还可以将报警超标部分切除。ISO10124标准适用于检测外径大于30毫米的钢管。最小壁厚没有规定，但是小于5毫米壁厚的钢管检测和确定分层尺寸会有困难。使用超声脉冲反射法检测分层缺欠，超声波束垂直钢管表面，探头最大长度30毫米，最低频率2MHz。对比试样采用平底孔、正方形、矩形刻槽校验设备，尺寸为周向宽度或直径6毫米，深度为壁厚的1/4到1/2，最大10毫米。用对比试样校验设备的间隔时间应小于4小时，或检测10支钢管后，取时间长者。检测时没有报警的管子为合格品。报警管子为可疑品，可再次检测，采用手动、半自动、自动扫查确定分层的范围，还可以将可疑部分切除。国家标准GB/T20490—2006修改采用ISO10124标准。2.检测设备无缝钢管厂有五套超声波自动检测设备，其中四套为探头旋转式检测系统，能够检测钢管纵向缺陷、横向缺陷、分层缺欠、钢管壁厚，一套为钢管旋转式检测系统，主要检测钻杆焊缝的横向缺陷。探头旋转式检测系统中，两套为德国KRAUTKRAMER公司制造的ROT180检测设备。采用探头旋转，钢管直线前进的检测方式，纵波检测钢管壁厚和分层缺欠，横波检测纵向缺陷、横向缺陷。每台ROT180检测设备有18只探头，装在四个插件中，四个插件在旋转体的一个截面上，互相呈90度布置。每个插件安装两只检测纵向缺陷的探头，两只探头发射的声束从管子圆周上相反方向入射到钢管内部，每个插件上有两只检测横向缺陷的探头，两只探头发射的声束沿管子轴线上相反方向入射到钢管内部，测厚探头有两只，分别装在呈180度布置的两个插件上，另两个插件则没有测厚探头。钢管横向检测示意图见图3，钢管纵向检测示意图见图4，钢管测厚检测示意图见图5。3.对比试样的制作按照检测标准的要求，在对比试样钢管上加工纵向、横向缺陷、分层、测厚基准。纵向缺陷为平行于管轴的槽，机械加工。横向缺陷为垂直于管轴的槽，电蚀加工。分层缺欠为平行于管轴的槽，机械加工。测厚基准为管周向的圆环，机械加工。钢管横向缺陷和分层缺欠的示意图分别见图6、图7。在钢管自动超声波检测过程中，采用的是当量比较的方法，即把缺陷回波的幅度与标准人工伤的回波幅度比较的方法来判定缺陷。如果钢管缺陷回波幅度比标准人工伤低，则认为是合格管，如果缺陷回波幅度比标准人工伤高，则认为是有缺陷钢管。因此对比试样钢管上的标准人工伤的精度将直接影响到判伤的准确性。标准人工伤的刻槽方式有两种，一种是锯片刻槽，矩形槽的底面是平的，另一种刻槽方式为电蚀加工，槽是U形的，底面有一定圆弧。无论采用哪一种方式，都要求槽的中心线与管材中心线要尽量重合。如果不重合或刻槽发生偏斜，则会严重影响判伤的准确性和现场的调试。如果用人工刻槽两侧的回波幅度来衡量刻槽垂直度，一般要求≤2dB。4.设备调整4.1周向灵敏度差的调整ROT180检测设备的主机部分由探头旋转体和钢管夹紧定心装置组成。定心装置安装在一个平台上，前后一共有四组夹紧轮。更换钢管规格时，探头旋转体可以移出平台，以便根据钢管的外径安装相应尺寸的水耦合板和导向衬套。图8为检测平台示意图。探头旋转式超声波检测设备工作时，探头旋转轨迹的圆心和钢管的圆心存在偏差，即同心度偏差，造成钢管圆周方向上各点和检测探头的距离发生变化，声束入射角和折射角变化，探头接收到的信号随之变化，圆周方向上的灵敏度产生波动，对检测的可靠性而言，这种波动越小越好。现场造成同心度偏差的原因主要有：旋转体前后定心轮之间同心度偏差，定心轮和旋转探头之间的同心度偏差，钢管弯曲引起同心度偏差。超声波检测前，需要对设备的同心度进行测试和调整，以减小周向灵敏度差。将调试样管放置在探头主机和夹轮装置中间，用超声波测厚探头对准调试样管，使钢管表面的界面反射波信号在探伤仪器上显示出来，旋转探头主机，观察界面波在仪器时间轴上的变化范围，可以检测探伤设备的同心度。探头信号检测同心度示意图见图9。采用超声脉冲回波法测量材料厚度时，厚度值（X）是声速与超声在材料中传播往返时间一半的乘积。X=（C×t）÷2式中：X—材料厚度，mmC—声速，mm/st—声波在材料中往返一次的传播时间，s实例：检测时，探头和钢管表面充满水，超声波在水中声速是1480m/s，当探头处在探伤主机旋转体的水平位置1时，一次界面波在时间轴上所处刻度显示为37.0µs，超声波在水中往返一次的传播时间37.0µs，则探头到钢管表面距离为1.48×37.0÷2=27.38mm。当探头处在探伤主机旋转体的水平位置2时,探头界面反射波信号所处刻度显示为38.5µs,，则探头到钢管表面距离为1.48×38.5÷2=28.49mm。则同心度偏差为(28.49mm-27.38mm)÷2=0.56mm。根据仪器显示的数值，可以调整设备的同心度，直至合格。根据我厂情况，要使周向灵敏度差小于4分贝，钢管外径20mm~50mm时，同心度偏差在0.3mm以内，外径50mm~100mm时，同心度偏差在0.4mm以内，外径100mm~200mm时，同心度偏差在0.5mm以内。4.2检测纵向缺陷时，入射角的调整检测纵向缺陷时，探头发射的超声波主声束是倾斜入射到钢管内部的，由于偏心距的不同，仪器显示的外表缺陷和内表缺陷的反射波高随之产生变化，以规格38×5的钢管为例，内表缺陷反射波高最高点的偏心距，和外表缺陷反射波高最高点的偏心距并不相同，偏心距6毫米时，外表缺陷反射波高最高，偏心距5毫米时，内表缺陷反射波高最高。根据声波斜入射时的声压往复透射率曲线分析，当纵波倾斜入射到水钢界面，入射角为14.5°～27.2°时，钢中只有折射横波，在折射角35°～70°时，其声压往复透射率较高。作图分析可以发现，当人工缺陷为矩形刻槽时，内表缺陷的横波入射角始终大于外表缺陷的横波折射角。结合声压往复透射率曲线分析，38×5毫米的钢管，在较佳的信躁比情况下，内表缺陷反射波高比外表缺陷反射波高低2～4分贝是正常现象，可以用两个报警闸门分别调试内外缺陷，数字式仪器还可以用DAC补偿，使仪器显示的内外缺陷一样高。4.3检测横向缺陷慢慢移动对比试样，观察界面波，当外伤到达探头入射点时，有时界面波反射信号会提高，实际上是纵波直接打到外表横伤的反射信号，为入射点。继续移动对比试样，使内、外表横向缺陷的反射波显示，调整内、外伤灵敏度，报警闸门高度和宽度。开动旋转探头和输送辊道，按照检测速度动态调试内、外伤，使内、外伤报警。4.4检测厚度将对比试样定径段移至测厚探头处，打开界面触发开关进行界面触发，显示测厚功能闸门，使界面波落入闸门范围内。调整检测壁厚闸门及报警电平，显示壁厚数值应与定径段的实际厚度一致。根据标准及用户需要，设定壁厚的上、下限，使数据存入计算机。4.5检测分层缺欠慢慢移动对比试样，观察界面波，和测厚一样，将红色闸门包含界面波，当分层到达探头时，界面波和底波之间出现分层信号，将紫色闸门调到分层，调节灵敏度，使报警。对比试样移动到正常壁厚，紫色闸门不能碰到界面波和底波。动态走样管，使LAM走到分层处报警，分选打开，生产。4.6管端检测精整无损检测工序负责高压锅炉管及部分油井管的质量检测工作。该工序现有检测方法为涡流检测及超声波检测，均属于在线自动检测机组，对管体纵向或者横向缺陷的探测及管体超声波测厚。由于在线检测机组设备功能上的限制，管料头尾均有一部分无法检测，形成管料的头尾不可探测区。钢管检测标准及设备综合性能测试方法，均描述不可探测区的存在，标准规定其长度不大于200mm。但大部分用户对无损检测后管料的不可探测区要求去除。因此，钢管厂在油井管检验线设置了管料头尾管端的磁粉检测装置，用于检测管料端部缺陷。精整锅炉管线生产的钢管主要是高压锅炉管，钢管规格以小口径为主，而小口径钢管无法进行内壁的磁粉检测，因此磁粉探伤不能适应精整锅炉管线管料的检测。为此，我厂在锅炉管线生产上安装管端超声波检测装置，用以检测管端缺陷。管端检测设备由超声波检测装置、步进梁方式的中间横向输送设备和回转辊组成。当钢管被送到回转辊工位后，压辊下降将钢管稳定夹住，密封装置由液压缸顶出，超声波检测装置被液压缸顶上贴近被检钢管端部，回转辊带动钢管转动，探头检测完端部后，再由电机推动沿钢管轴向移动，继续检测，在移动50mm～250mm后，液压缸带动探头回到原位、压辊上升复位，回转辊停转，步进梁将钢管横向输送到下一个工位。5．结论（1）探头旋转式检测系统，能够检测钢管纵向缺陷、横向缺陷、分层缺欠、钢管壁厚，满足高压锅炉管、管线管、油井管的检测要求。（2）对比试样钢管上的标准人工伤的精度将直接影响到判伤的准确性，应精细加工和检测，保证探伤的可靠性。（3）设备同心度偏差对周向灵敏度差的影响很大，可通过专门方法进行测试和调整，以减小周向灵敏度差。（4）安装管端超声波检测装置，以检测管端缺陷。参考文献：⑴贾慧明，张广纯。金属材料无损检测方法标准汇编。中国标准出版社。246~250⑵ISO9303:1989(E)，ISO9305:1989(E)，ISO10543:1993(E)，ISO10124:1994(E)，ISO11496:1993(E)。