無縫鋼管超聲渦流聯(lián)合探傷方法研究

廈門艾帝爾電子科技有限公司 陳金貴

冶金標(biāo)準(zhǔn)研究院 黃 穎

分析了無縫鋼管探傷的現(xiàn)狀以及各種因素對(duì)無縫鋼管探傷結(jié)果的影響，并詳細(xì)介紹了將電容耦合旋轉(zhuǎn)超聲+穿過式渦流檢測(cè)用于高要求的無縫鋼管聯(lián)合探傷的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)。

一、無縫鋼管探傷現(xiàn)狀分析

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國在“十二五”期間無縫鋼管的年需求量大幅度增加，并明顯呈現(xiàn)出高性能的發(fā)展趨勢(shì)。耐腐蝕、抗擠壓的油井管和高壓鍋爐管及高質(zhì)量的石油裂化管、石油石化輸送管線管等，將成為需求的熱點(diǎn)。由此，對(duì)無縫鋼管的無損檢測(cè)提出了新要求。

目前，我國冶金行業(yè)對(duì)高壓鍋爐用無縫鋼管的檢測(cè)主要集中應(yīng)用在φ89～159mm規(guī)格，并大多采用傳統(tǒng)的穿過式線圈的渦流探傷或者獨(dú)立水槽式超聲檢測(cè)方法。對(duì)于高質(zhì)量中口徑鋼管的探傷，一般采用漏磁法或水壓實(shí)驗(yàn)。在國內(nèi)，尚沒有鋼管漏磁探傷設(shè)備，而進(jìn)口漏磁探傷設(shè)備價(jià)格昂貴，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)難以接受；并且水壓試驗(yàn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，特別是在操作者責(zé)任心不高的情況下，水壓檢驗(yàn)形同虛設(shè)。因此，實(shí)現(xiàn)無縫鋼管的探傷已經(jīng)成為冶金鋼管行業(yè)亟待解決的課題。

二、旋轉(zhuǎn)超聲、穿過式渦流的聯(lián)合探傷原理

1.超聲檢測(cè)無縫鋼管的機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)

超聲波在被檢測(cè)材料中傳播時(shí)，材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響。通過對(duì)超聲波受影響程度和狀況的探測(cè)了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)稱為超聲檢測(cè)(見圖1)。無縫鋼管超聲檢測(cè)方法通常用脈沖反射法。整套系統(tǒng)包括檢測(cè)裝置、檢測(cè)附件兩部分，采用數(shù)字超聲分析技術(shù)、DAC曲線分析、多幅技術(shù)，實(shí)現(xiàn)缺陷自動(dòng)檢測(cè)，并輸出自動(dòng)分選信號(hào)、報(bào)警及標(biāo)記信號(hào)。

儀器產(chǎn)生的多個(gè)高壓脈沖，脈沖加到晶體通過耦合劑滲透到被檢測(cè)材料中，當(dāng)工件內(nèi)部存在缺陷、材質(zhì)不連續(xù)等情況時(shí)，將引起回波時(shí)間的變化，儀器通過對(duì)測(cè)量回波的時(shí)間和聲速進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)和位置判定。

圖1 超聲檢測(cè)原理

超聲檢測(cè)法的穿透能力較大，在鋼中的有效探測(cè)深度可達(dá)1 000mm以上，對(duì)裂紋、夾層等探傷靈敏度較高，并可測(cè)定缺陷的深度和大小，操作簡(jiǎn)單安全，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。不足之處有：要求被檢查表面有一定的粗糙度；需有耦合劑保證耦合；由于超聲發(fā)射到檢查表面，在折射的同時(shí)有部分聲源被反射回去，因此存在檢測(cè)盲區(qū)，需要其他檢測(cè)方法來彌補(bǔ)。

旋轉(zhuǎn)式超聲波檢測(cè)主要檢測(cè)橫向、縱向、分層及測(cè)厚，探頭的布局對(duì)檢測(cè)速度影響非常大，如縱向缺陷檢測(cè)速度20～40m/min，橫向缺陷檢測(cè)速度4～8m/min，為此，此法可主要針對(duì)縱向缺陷，高速高效檢測(cè)“橫向缺陷”時(shí)可采用穿過式渦流檢測(cè)。

導(dǎo)電滑環(huán)屬于電接觸滑動(dòng)連接應(yīng)用范疇，特別適合應(yīng)用于無限制的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又需要從固定位置到旋轉(zhuǎn)位置傳送功率或數(shù)據(jù)的場(chǎng)所，采用非接觸式可以提高旋轉(zhuǎn)速度與信號(hào)的除數(shù)的穩(wěn)定性。

2.穿過式渦流檢測(cè)的機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近導(dǎo)電試件時(shí)，試件中會(huì)產(chǎn)生渦流，渦流的大小、相位及流動(dòng)形式受到試件導(dǎo)電性能的影響。渦流也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)反過來又會(huì)使檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生變化。因此，通過測(cè)定檢測(cè)線圈阻抗的變化，就可以判斷出被測(cè)試件的性能及缺陷。常規(guī)探頭有點(diǎn)式、平面式(見圖2)、穿過式、組合式等。

圖2 平面線圈渦流檢測(cè)原理

渦流探傷法對(duì)于鋼管的橫向缺陷或者孔狀缺陷的檢測(cè)靈敏度很高，對(duì)沿鋼管軸向分布的裂紋和折疊缺陷的檢測(cè)靈敏度不高，因此采用“穿過式”主要針對(duì)橫向缺陷。

3.組合方法的優(yōu)勢(shì)

電容耦合旋轉(zhuǎn)超聲(見圖3)與穿過式渦流組合檢測(cè)，可有效檢測(cè)無縫鋼管的“橫向/縱向缺陷”，并能夠?qū)崿F(xiàn)高效的特點(diǎn)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，并可解決檢測(cè)盲區(qū)、檢測(cè)深度的問題。

三、無縫鋼管自動(dòng)探傷探頭定位機(jī)械結(jié)構(gòu)

在自動(dòng)探傷中，效應(yīng)和耦合層穩(wěn)定性差是漏檢和誤報(bào)的主要原因。長(zhǎng)期以來，由于提離波動(dòng)及耦合層厚度變化引起檢測(cè)可靠性下降問題成為自動(dòng)探傷技術(shù)應(yīng)用的瓶頸。

圖3 電容耦合旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)

解決提離效應(yīng)的辦法主要有探頭的機(jī)械跟蹤法、探頭線圈的橋式接法、改變檢測(cè)線圈LC回路的電容值和使用多頻檢測(cè)技術(shù)等。除機(jī)械跟蹤法外，其他的幾種解決辦法都是通過改進(jìn)探頭和儀器來實(shí)現(xiàn)的。機(jī)械跟蹤只改進(jìn)探頭架，防止提離間隙的變化，最常用的探頭機(jī)械跟蹤模式有兩種：一是采用輥輪限位與氣缸或彈簧頂推相結(jié)合的方法，使檢測(cè)探頭與被檢工件表面之間保持恒定距離，雖然這種方法對(duì)抑制提離效應(yīng)能起到較好的作用，但同時(shí)會(huì)使振動(dòng)噪聲加大；另一種采用探頭機(jī)械跟蹤，利用測(cè)距探頭即時(shí)測(cè)出探頭提離間隙的波動(dòng)情況，并用測(cè)距信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)檢測(cè)探頭動(dòng)作，保證探頭與被檢工件之間的間隙恒定。這種方法適用于板材或坯材等平面掃查探傷，缺點(diǎn)是反應(yīng)速度慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

如果將探頭裝入一個(gè)模塊中，采用二級(jí)彈簧頂推使檢測(cè)探頭與工件表面距離保持恒定，提高了探頭隨動(dòng)性，探傷效果也得到保證。

四、實(shí)際應(yīng)用

無縫鋼管分為無縫鋼管(冷撥、熱扎)、波紋管、螺旋焊管等。以石油套管為例，應(yīng)用渦流+超聲自動(dòng)探傷檢測(cè)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 穿過式渦流+旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)鋼管

機(jī)械傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了高性能無縫鋼管的自動(dòng)檢測(cè)，能夠滿足GB/T7735-2004和GB/T5777-2008標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)踐應(yīng)用表明，它完全能夠解決無縫鋼管表面和內(nèi)部檢測(cè)的難題。