熱軋板HIC試樣缺陷的超聲判定技術(shù)

董 斌，徐振亞

（寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海201900）

熱軋板HIC試樣缺陷的超聲判定技術(shù)

董 斌，徐振亞

（寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海201900）

為了快速檢測出熱軋板HIC試樣中的夾雜和裂紋，并對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位、定性和測長，首先采用60°斜探頭對夾雜和裂紋進(jìn)行定位和定性，再用直探頭檢測出缺陷的長度，最后給出了夾雜和裂紋的靜態(tài)和動態(tài)反射波形。該超聲波判定技術(shù)可以用來確認(rèn)試樣是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并進(jìn)一步判定相應(yīng)產(chǎn)品是否合格。與傳統(tǒng)檢測方法相比，該技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地定位和定性缺陷，并且定量精度由原來的2 mm提高至0.5 mm，能夠滿足API SPEC 5L的相關(guān)要求。

檢測；超聲波；HIC;夾雜；缺陷

Abstract:In order to quickly inspect the slag and crack in HIC specimen of hot rolled plate,and conduct accurate positioning,qualitative and length measurement for defects,firstly,it adopted 60°oblique sensor to carry out positioning and qualitative,and then used straight probe to detect defect length,finally gave the static and dynamic state reflection waveform of the slag and crack.The ultrasonic technology can be used to confirm the sample whether accord with standard requirements,and further determine the corresponding product is qualified.Compared with the traditional detection method,the technology can rapidly and accurately positioning and qualitative defects,and the quantitative accuracy was increased from 2 mm to 0.5 mm,can meet the requirements of the relevant API SPEC 5L.

Key words:detection;ultrasonic;HIC;inclusion;defect

隨著國內(nèi)外在陸地上和海洋中容易開采的淺層油氣和純凈度高的油氣資源不斷減少，深度大、壓力高、腐蝕強(qiáng)的油氣田開采越來越多，油氣中大都富含H2S、CO2等介質(zhì)，要求輸送此類油氣資源的焊接鋼管必須具備抗硫、抗酸等特性[1-3]。因此，用于制管的熱軋板也必須具備抗硫和抗酸特性。寶鋼集團(tuán)公司生產(chǎn)的熱軋板大量用于制造油氣輸送用埋弧焊接鋼管，為了適應(yīng)輸送富含H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)油氣資源焊接鋼管的需要，熱軋板在化學(xué)成分設(shè)計(jì)和連鑄連軋工藝中進(jìn)行了脫磷、脫硫和脫渣。

根據(jù)國際通用標(biāo)準(zhǔn)DNV—2012（挪威船級社海管標(biāo)準(zhǔn)）和 API SPEC（45版）PSL3（美國石油協(xié)會海管和抗腐蝕管標(biāo)準(zhǔn)）[4-5]，要求對試制焊管進(jìn)行抗硫化氫 HIC（hydrogen induced cracking）試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對試樣進(jìn)行無損探傷，找出試樣中的裂紋缺陷，并對其進(jìn)行精確定位和測長。從而確認(rèn)此試樣是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。一方面驗(yàn)證該化學(xué)成分設(shè)計(jì)和連鑄連軋工藝是否具備抗硫、抗酸等效果，另一方面通過精確定性和定長，能夠快速地對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確判定。

本研究介紹了一種HIC試樣缺陷超聲波探傷技術(shù)。由于熱軋板HIC試樣一般存在夾雜，因此重點(diǎn)介紹了如何在超聲波探傷過程中，對存在的夾雜和裂紋進(jìn)行判定及測定裂紋長度的技術(shù)。

1 超聲波探傷原理

超聲檢測主要是基于超聲波在通過材料時(shí)能量會損失，在遇到聲阻抗不同的兩種介質(zhì)分界面時(shí)會發(fā)生反射。其工作原理是[6-7]：聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進(jìn)入工件。超聲波在工件中傳播并與工件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特性被改變。改變后的超聲波通過檢測設(shè)備被接收，并可對其進(jìn)行處理和分析。根據(jù)接收的超聲波特征，評估工件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超聲波檢測用的最多的是脈沖反射法，其原理為[8-9]：聲源產(chǎn)生的脈沖波進(jìn)入到工件中，當(dāng)超聲波在工件中以一定方向和速度向前傳播，當(dāng)遇到兩側(cè)聲阻抗有差異的界面時(shí)部分聲波被反射。檢測設(shè)備接收和顯示反射信息，并分析聲波幅度和位置等信息，評估缺陷是否存在及存在缺陷的大小、位置等。兩側(cè)聲阻抗有差異的界面可能是材料中某種缺陷（不連續(xù)），如裂紋、氣孔、夾渣等，也可能是工件的外表面。聲波反射的程度取決于界面兩側(cè)聲阻抗差異的大小、入射角以及界面的面積等。通過測量入射聲波和接收聲波之間聲傳播的時(shí)間，可以得知反射點(diǎn)距入射點(diǎn)的距離。通常用來發(fā)現(xiàn)缺陷和對其進(jìn)行評估的基本信息為：①是否存在來自缺陷的超聲波信號及幅度；②入射聲波與接收聲波之間的傳播時(shí)間；③超聲波通過材料以后能量的衰減。

2 快速準(zhǔn)確的HIC試樣超聲波探傷技術(shù)

2.1 探頭選擇

（1）斜探頭，角度60°，晶片尺寸是4 mm×5 mm，頻率4 MHz。

（2）直探頭，晶片尺寸Ф5mm，頻率20MHz。

2.2 靈敏度校驗(yàn)

（1）使用標(biāo)準(zhǔn)樣塊（其長寬深規(guī)格為20 mm×1 mm×1 mm）刻槽作為基準(zhǔn)；

（2）用60°斜探頭中心對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)樣塊的刻槽，平行掃查，左右扭動，找到最高波，記錄當(dāng)前的當(dāng)量值；

（3）根據(jù)試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣塊的表面耦合差異，提高2 dB進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3 斜探頭探傷

夾雜一次反射回波如圖1所示。如圖1（a）把斜探頭（60°）放置到左側(cè)。若發(fā)現(xiàn)試樣厚度的下半部分有近側(cè)一次回波，即一次橫波反射明顯；再把探頭放置到右側(cè)（見圖1（b）），發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)側(cè)無明顯回波，近側(cè)的當(dāng)量一般低于標(biāo)準(zhǔn)樣塊（其長寬深規(guī)格為 20 mm×1 mm×1 mm） 刻槽2～4 dB，缺陷波為2～3根回波，此時(shí)可初步判定為近探頭側(cè)夾雜。

圖1 夾雜一次反射回波示意圖

夾雜二次反射回波如圖2所示。如圖2（a）把斜探頭（60°）放置到左側(cè)，若發(fā)現(xiàn)試樣厚度的上半部分有近側(cè)二次回波，反射明顯，再把探頭放置到右側(cè)（見圖2（b）），發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)側(cè)二次無明顯回波，近側(cè)的當(dāng)量一般低于標(biāo)準(zhǔn)樣塊（其長寬深規(guī)格為 20 mm×1 mm×1 mm）刻槽 0～2 dB， 缺陷波為2～3根回波，此時(shí)可初步判定該回波為夾雜。

裂紋一次反射回波如圖3所示。如圖3（a）把斜探頭放置到左側(cè)，若發(fā)現(xiàn)試樣厚度的下半部分有近側(cè)一次回波，再把探頭放置到右側(cè)（見圖3（b）），發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)側(cè)也有明顯一次回波；近側(cè)的當(dāng)量一般高出標(biāo)準(zhǔn)樣塊（其長寬深規(guī)格為20 mm×1 mm×1 mm）刻槽 8 ～10 dB， 遠(yuǎn)側(cè)高出 6～8 dB， 缺陷波為單根回波，此時(shí)可初步斷定該回波為裂紋。

圖2 夾雜二次反射回波示意圖

圖3 裂紋一次反射回波示意圖

裂紋二次反射回波如圖4所示。如圖4（a）把斜探頭放置到左側(cè)，若發(fā)現(xiàn)試樣厚度的上半部分有近側(cè)二次回波，再把探頭放置到右側(cè)（見圖4（b）），發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)側(cè)也有明顯二次回波，即缺陷回波近側(cè)的當(dāng)量一般高出標(biāo)準(zhǔn)樣塊（其長寬深規(guī)格為 20 mm×1 mm×1 mm）刻槽 8～10 dB， 遠(yuǎn)側(cè)高出6～8 dB，此時(shí)初步斷定該回波為裂紋。

圖4 裂紋二次反射回波示意圖

為了驗(yàn)證裂紋還需用斜探頭掃查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)縱向缺陷，靜止?fàn)顟B(tài)下其波形為2～3條反射波且呈“山”字形。同時(shí)，前后移動探頭，會發(fā)現(xiàn)動態(tài)移動時(shí)的橫波包絡(luò)線為“馬鞍”形，如圖5所示。這是因?yàn)閵A雜中含有其他雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的聲速與無雜質(zhì)處不同，故靜態(tài)反射會出現(xiàn)2～3根波幅不同的反射波，此時(shí)，可進(jìn)一步判定為夾雜。若用斜探頭掃查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)縱向缺陷，靜止?fàn)顟B(tài)下其波形為單條反射波，同時(shí)，前后移動橫波探頭，會發(fā)現(xiàn)動態(tài)移動時(shí)的橫波包絡(luò)線為一尖銳的“山丘”形，如圖6所示。因?yàn)榱鸭y中存在空氣，超聲波發(fā)射到空氣后的反射波很明顯。

圖5 夾雜的金相照片及其波形圖

圖6 裂紋的金相照片及其波形圖

2.4 直探頭探傷

通過斜探頭定性為裂紋后，采用直探頭（由于晶片尺寸小，其近場長度小，信噪比和分辨率高，同時(shí)其中心頻率很高，能量集中，故能對裂紋進(jìn)行精確測定指示長度），放在裂紋位置上略做左右移動通過半波法就能準(zhǔn)確地測定裂紋的指示長度[10]。

3 結(jié)束語

本研究介紹了對熱軋板HIC試樣缺陷進(jìn)行快速準(zhǔn)確的超聲波探傷方法，總結(jié)了超聲波對存在夾雜物試樣和裂紋試樣的一次反射回波和二次反射回波特征，以及測定裂紋長度的方法。該技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地對缺陷進(jìn)行定性和定量，傳統(tǒng)方法的缺陷定量精度為2 mm，該技術(shù)對缺陷定量精度可達(dá)到0.5 mm，滿足API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]Q/SY GJX 0125―2007，西氣東輸二線管道工程用 X70直縫埋弧焊管技術(shù)條件[S].

[2]GB/T9711.1―1997，石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第1部分:A級鋼管[S].

[3]GB/T9711.2—1997，石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第2部分:B級鋼管[S].

[4]API SPEC 5L（第45版），管線鋼管規(guī)范[S].

[5]DNV-OS-F101:2013，Submarine Pipeline Systems[S].

[6]鄭輝，林樹青.超聲檢測（第二版）[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[7]胡天明.超聲探傷[M].武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1994.

[8]中國特種設(shè)備檢驗(yàn)協(xié)會.超聲波探傷（無損檢測II級培訓(xùn)教材[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

[9]ASTM E273—2015，焊接鋼管焊接區(qū)超聲波檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)做法（英文版）[S].

[10]超聲探傷編寫組.超聲波探傷[M].北京：勞動人事出版社，1989.

Ultrasonic Determination Technology of Hot-Rolled Plate HIC Specimen Defects

DONG Bin,XU Zhenya
（Tube,Pipe and Bar Business Unit,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China）

TG115.285

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.05.012

2017-02-09

編輯：汪翰云

董 斌（1984—），男，工程師，碩士，研究方向?yàn)闊o損探傷。