無縫鋼管超聲渦流聯合探傷方法研究

廈門艾帝爾電子科技有限公司 陳金貴

冶金標準研究院 黃 穎

分析了無縫鋼管探傷的現狀以及各種因素對無縫鋼管探傷結果的影響，并詳細介紹了將電容耦合旋轉超聲+穿過式渦流檢測用于高要求的無縫鋼管聯合探傷的特點和設計。

一、無縫鋼管探傷現狀分析

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

目前，我國冶金行業對高壓鍋爐用無縫鋼管的檢測主要集中應用在φ89～159mm規格，并大多采用傳統的穿過式線圈的渦流探傷或者獨立水槽式超聲檢測方法。對于高質量中口徑鋼管的探傷，一般采用漏磁法或水壓實驗。在國內，尚沒有鋼管漏磁探傷設備，而進口漏磁探傷設備價格昂貴，國內大多數企業難以接受；并且水壓試驗效率低、勞動強度大，特別是在操作者責任心不高的情況下，水壓檢驗形同虛設。因此，實現無縫鋼管的探傷已經成為冶金鋼管行業亟待解決的課題。

二、旋轉超聲、穿過式渦流的聯合探傷原理

1.超聲檢測無縫鋼管的機理及優缺點

超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學特性和內部組織的變化對超聲波的傳播產生一定的影響。通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結構變化的技術稱為超聲檢測(見圖1)。無縫鋼管超聲檢測方法通常用脈沖反射法。整套系統包括檢測裝置、檢測附件兩部分，采用數字超聲分析技術、DAC曲線分析、多幅技術，實現缺陷自動檢測，并輸出自動分選信號、報警及標記信號。

儀器產生的多個高壓脈沖，脈沖加到晶體通過耦合劑滲透到被檢測材料中，當工件內部存在缺陷、材質不連續等情況時，將引起回波時間的變化，儀器通過對測量回波的時間和聲速進行處理，實現缺陷檢測和位置判定。

圖1 超聲檢測原理

超聲檢測法的穿透能力較大，在鋼中的有效探測深度可達1 000mm以上，對裂紋、夾層等探傷靈敏度較高，并可測定缺陷的深度和大小，操作簡單安全，易于實現自動化。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；由于超聲發射到檢查表面，在折射的同時有部分聲源被反射回去，因此存在檢測盲區，需要其他檢測方法來彌補。

旋轉式超聲波檢測主要檢測橫向、縱向、分層及測厚，探頭的布局對檢測速度影響非常大，如縱向缺陷檢測速度20～40m/min，橫向缺陷檢測速度4～8m/min，為此，此法可主要針對縱向缺陷，高速高效檢測“橫向缺陷”時可采用穿過式渦流檢測。

導電滑環屬于電接觸滑動連接應用范疇，特別適合應用于無限制的連續旋轉，同時又需要從固定位置到旋轉位置傳送功率或數據的場所，采用非接觸式可以提高旋轉速度與信號的除數的穩定性。

2.穿過式渦流檢測的機理和優缺點

當載有交變電流的檢測線圈靠近導電試件時，試件中會產生渦流，渦流的大小、相位及流動形式受到試件導電性能的影響。渦流也會產生一個磁場，這個磁場反過來又會使檢測線圈的阻抗發生變化。因此，通過測定檢測線圈阻抗的變化，就可以判斷出被測試件的性能及缺陷。常規探頭有點式、平面式(見圖2)、穿過式、組合式等。

圖2 平面線圈渦流檢測原理

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

3.組合方法的優勢

電容耦合旋轉超聲(見圖3)與穿過式渦流組合檢測，可有效檢測無縫鋼管的“橫向/縱向缺陷”，并能夠實現高效的特點，充分發揮各自的優點，并可解決檢測盲區、檢測深度的問題。

三、無縫鋼管自動探傷探頭定位機械結構

在自動探傷中，效應和耦合層穩定性差是漏檢和誤報的主要原因。長期以來，由于提離波動及耦合層厚度變化引起檢測可靠性下降問題成為自動探傷技術應用的瓶頸。

圖3 電容耦合旋轉超聲檢測

解決提離效應的辦法主要有探頭的機械跟蹤法、探頭線圈的橋式接法、改變檢測線圈LC回路的電容值和使用多頻檢測技術等。除機械跟蹤法外，其他的幾種解決辦法都是通過改進探頭和儀器來實現的。機械跟蹤只改進探頭架，防止提離間隙的變化，最常用的探頭機械跟蹤模式有兩種：一是采用輥輪限位與氣缸或彈簧頂推相結合的方法，使檢測探頭與被檢工件表面之間保持恒定距離，雖然這種方法對抑制提離效應能起到較好的作用，但同時會使振動噪聲加大；另一種采用探頭機械跟蹤，利用測距探頭即時測出探頭提離間隙的波動情況，并用測距信號來控制步進電機帶動檢測探頭動作，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，缺點是反應速度慢、結構復雜。

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

四、實際應用

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，應用渦流+超聲自動探傷檢測的結構如圖4所示。

圖4 穿過式渦流+旋轉超聲檢測鋼管

機械傳動裝置實現了高性能無縫鋼管的自動檢測，能夠滿足GB/T7735-2004和GB/T5777-2008標準要求。實踐應用表明，它完全能夠解決無縫鋼管表面和內部檢測的難題。