鋼管超聲波探傷通孔與刻槽校驗靈敏度差異原因探究

陳 鵬， 王 琦， 徐振亞， 董 斌

（寶山鋼鐵股份有限公司， 上海201901）

HFW 高頻焊管生產(chǎn)線共有兩套探傷設備，一套為焊接后的在線焊縫探傷， 另一套為精整水壓后的離線焊縫探傷。 在線焊縫探傷為過程檢測， 主要為了減少批量廢管， 監(jiān)控焊接過程是否正常； 離線焊縫探傷為終探。

HFW 高頻焊管生產(chǎn)線在線焊縫探傷與離線焊縫探傷的一致性平均在93.9%， 對于毛刺和錯邊類缺陷， 在線焊縫探傷能較好地檢測出來， 也能起到較好的預警作用， 可避免批量缺陷的產(chǎn)生， 降低生產(chǎn)成本。 但是對于部分點狀裂紋和夾雜類缺陷， 在線焊縫探傷檢驗時敏感性不高， 常出現(xiàn)離線焊縫探傷存在異常而在線焊縫探傷未發(fā)現(xiàn)類似缺陷的現(xiàn)象。 然而， 此類缺陷是危害性缺陷， 對于HFW 焊管不允許存在， 會導致大批量廢管， 對產(chǎn)品質(zhì)量、 成本控制和產(chǎn)量的影響很大， 也是多年來困擾在線焊縫探傷的一個問題。

1 在線焊縫探傷與離線焊縫探傷介紹

1.1 在線焊縫探傷

在線焊縫探傷方式采用探頭自發(fā)自收的水浸法脈沖反射探傷， 水層距離約20 mm， 采用直探頭、 圓晶片， 通過縱波19°斜入射至鋼管內(nèi)部折射后， 采用45°折射橫波對焊縫進行檢測（如圖1所示）， 一對探頭檢測外部缺陷， 另一對探頭檢測內(nèi)部缺陷。

1.2 離線焊縫探傷

離線焊縫探傷方式采用探頭自發(fā)自收的水膜法脈沖反射探傷， 水層距離約0.3 mm。 采用斜探頭、 方晶片， 直接入射至鋼管內(nèi)， 采用45°折射橫波對焊縫進行檢測 （如圖2 所示）， 一對探頭檢測外部缺陷， 另一對探頭檢測內(nèi)部缺陷。

圖2 離線焊縫探傷原理示意圖

2 焊縫探傷結(jié)果存在差異的原因分析

2.1 現(xiàn)場對比試驗結(jié)果

通過現(xiàn)場統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)， 幾乎所有樣管都有相似的規(guī)律， 即ISO 10893-11 標準規(guī)定N10 （10%壁厚深度刻槽） 與Φ3.2 mm 豎通孔校驗靈敏度之間， 在相同波高下其靈敏度的差值是一致的。 下面以Φ355.6 mm×8.7 mm 規(guī)格焊管為例進行說明。

（1） 在線焊縫探傷時， 在反射波高60%情況下， Φ3.2 mm 豎通孔靈敏度比N10 刻槽靈敏度約高2～3 dB。

（2） 離線焊縫探傷時， 在反射波高60%情況下， N10 刻槽靈敏度比Φ3.2 mm 豎通孔靈敏度約高6 dB。

（3） 手工探傷校驗時， 在反射波高60%情況下， N10 刻槽靈敏度比Φ3.2 mm 豎通孔靈敏度約高6 dB， 與離線焊縫探傷校驗結(jié)果一致。

對比以上試驗結(jié)果可以看出， 在線焊縫探傷校驗時， Φ3.2 mm 豎通孔靈敏度比N10 刻槽靈敏度約高2～3 dB， 可能為異常現(xiàn)象。 結(jié)合現(xiàn)場實際， 推測其原因可能為： ①水浸法與水膜法探傷之間的差異引起； ②圓形芯片探頭與方形芯片之間差異所致； ③探傷時水浸法入射角存在周向差異， 周向折射角不能保證是45°。

2.2 實驗室對比試驗結(jié)果與分析

2.2.1 水浸法與水膜法探傷對比試驗

水層距離20 mm 水浸法采用在線探傷探頭，為圓晶片， 晶片尺寸為10 mm。 試驗結(jié)果為N10刻槽反射波高是Φ3.2 mm 豎通孔反射波高的2 倍，折合為靈敏度， N10 刻槽靈敏度比豎通孔靈敏度約高6 dB。

水層距離0.3 mm 水膜法采用手工探傷探頭，為方晶片， 晶片尺寸為10 mm×12 mm。 試驗結(jié)果為N10 刻槽反射波高是Φ3.2 mm 豎通孔反射波高的2 倍， 折合為靈敏度， N10 刻槽靈敏度比豎通孔靈敏度約高6 dB， 與水層距離20 mm 水浸法試驗結(jié)果一致（如圖3 所示）。

圖3 水層距離20 mm 水浸法與水層距離0.3 mm 水膜法探傷試驗結(jié)果對比

2.2.2 不同晶片尺寸、 類型對比試驗

（1） 不同晶片尺寸對比。 采用10 mm×10 mm方形晶片探頭， N10 刻槽反射波高是Φ3.2 mm豎通孔反射波高的2 倍， 折合為靈敏度， N10 刻槽靈敏度比豎通孔靈敏度約高6 dB； 采用10mm×15 mm 方形晶片探頭， N10 刻槽反射波高是Φ3.2 mm 豎通孔反射波高的2 倍多， 折合為靈敏度， N10 刻槽靈敏度比豎通孔靈敏度約高7 dB。試驗結(jié)果表明， 不同尺寸方形晶片探頭試驗結(jié)果基本一致（如圖4 所示）。

圖4 不同尺寸方晶片探傷結(jié)果對比

（2） 不同晶片類型對比。 采用Φ10 mm 圓晶片探頭， N10 刻槽反射波高是Φ3.2 mm 豎通孔反射波高的2 倍， 折合為靈敏度， N10 刻槽靈敏度比豎通孔靈敏度約高6 dB； 采用10 mm×12 mm 方晶片探頭， N10 刻槽反射波高是Φ3.2 mm豎通孔反射波高的2 倍， 折合為靈敏度， N10 刻槽靈敏度比豎通孔靈敏度約高6 dB。 試驗結(jié)果表明， 圓形晶片與方形晶片探頭試驗結(jié)果一致。

從以上兩個試驗結(jié)果可以得出， 不同晶片尺寸、 不同類型晶片對刻槽和通孔的靈敏性是一致的（如圖5 所示）。

圖5 圓形晶片與方晶片探傷對比

2.2.3 在線焊縫探傷探頭不同入射角對比試驗

在相同反射波高情況下， 模擬探頭周向入射角的變化對N10 刻槽和Φ3.2 mm 豎通孔靈敏度的影響見表1。

由表1 可知， 隨著探頭入射角逐漸增大， 在反射波高同為60%時， 外傷刻槽增益值始終低于豎通孔外傷增益值， 內(nèi)傷刻槽增益值始終低于通孔內(nèi)傷增益值； 隨著入射角的減小， 刻槽增益值也低于豎通孔增益值， 只有入射角為16.1°時， 出現(xiàn)了1 次內(nèi)傷刻槽增益值高于通孔增益值的現(xiàn)象。說明， 相同反射波高時增益值越高靈敏度越低，也就是說， 刻槽靈敏度始終高于豎通孔靈敏度。

表1 模擬探頭周向入射角的變化對刻槽、 豎通孔靈敏度的影響

圖6 為模擬探頭相對于管體周向入射角不變，探頭相對于管體縱向發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 在60%反射波高下， N10 刻槽與通孔靈敏度的對比結(jié)果見表2。

圖6 探頭周向入射角不變時， 模擬探頭發(fā)生不同縱向偏轉(zhuǎn)時的照片

表2 探頭周向入射角不變時，探頭縱向偏轉(zhuǎn)角變化對刻槽通孔靈敏度的影響

試驗結(jié)果表明， 變換周向入射角大小， 刻槽靈敏度始終高于通孔靈敏度， 并無明顯趨勢。 與在線焊縫探傷實際校驗情況相反， 可以斷定， 在線焊縫探傷的情況并非為入射角變大或變小引起。

通過固定探頭周向入射角為19° （鋼中折射角45°）， 模擬探頭發(fā)生縱向偏轉(zhuǎn)試驗， 發(fā)現(xiàn)隨著探頭偏轉(zhuǎn)角度的增大， 無論內(nèi)傷還是外傷， 豎通孔與刻槽增益值的差值都由正變?yōu)樨摚?即該角度偏轉(zhuǎn)至10°以上時豎通孔增益值即開始低于刻槽增益值， 相同反射波高時增益值越高靈敏度越低， 也就是說， 該角度的偏轉(zhuǎn)至10°以上時豎通孔靈敏度即開始高于刻槽靈敏度。 與在線焊縫探傷類似，可以斷定， 在線焊縫探傷的現(xiàn)場狀態(tài)為探頭入射角存在偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象引起了豎通孔靈敏度高于刻槽靈敏度的現(xiàn)象。 圖7 為探頭發(fā)生縱向偏轉(zhuǎn)示意圖。

2.2.4 試驗原理分析

（1） 探頭在縱向處于正常狀態(tài)時， 探頭與焊縫方向為垂直狀態(tài)， 當探頭檢測到鋼管內(nèi)部缺陷時， 如夾雜等， 超聲波會原路返回到探頭處，探頭接收到的缺陷信號能量高， 就會顯示在檢測屏幕上。

（2） 探頭與焊縫存在縱向偏轉(zhuǎn)角時， 此時探頭檢測到鋼管內(nèi)部缺陷， 如夾雜等， 探頭發(fā)射的聲束在鋼管內(nèi)部發(fā)生了反射現(xiàn)象， 返回來的聲束能量很少， 則檢測返回探頭的信號能量就小，檢測屏幕上就沒有顯示或者顯示很低； 如果一味地提高靈敏度的話， 那么雜波的信號也會很高，操作工很難找到缺陷。

3 現(xiàn)場應用

通過大量的試驗找到了在線焊縫探傷異常的根本原因是探頭出現(xiàn)縱向角度偏轉(zhuǎn)， 當探頭出現(xiàn)10°縱向偏轉(zhuǎn)時， 豎通孔外傷靈敏度比外傷刻槽靈敏度高2.4 dB， 豎通孔內(nèi)傷靈敏度比內(nèi)傷刻槽靈敏度高3.5 dB， 現(xiàn)場在線探傷設備檢測時豎通孔靈敏度比刻槽靈敏度高2～3 dB， 由實驗室結(jié)果與現(xiàn)場檢測時的數(shù)據(jù)對比可知， 在線探傷設備檢測時探頭存在10°左右的縱向偏轉(zhuǎn)。 由設備專業(yè)人員對在線探傷設備進行了解體、 測量和分析， 找出了探頭出現(xiàn)縱向偏轉(zhuǎn)的原因是探頭整體支架橫梁、 環(huán)形支架、 探頭架內(nèi)軸承及導向柱等發(fā)生了變形磨損， 這些異常使得在線探傷設備在檢測時探頭發(fā)生了10°左右的縱向偏轉(zhuǎn)， 進而出現(xiàn)了豎通孔靈敏度高于刻槽靈敏度的現(xiàn)象。

通過對設備的整改， 最終在線探傷與離線探傷的一致性從93.9%提高到98%， 夾雜裂紋類缺陷可在第一時間檢測出來， 極大地降低了批量廢管的產(chǎn)生， 批量廢管事故率由原來的每月2～4 次降低為每月0 次， 大大提高了產(chǎn)能。

4 結(jié) 論

（1） 通過大量的試驗與分析， 找到了在線焊縫探傷異常的根本原因為探頭的縱向偏轉(zhuǎn)。

（2） 找出了產(chǎn)生問題的原因并進行整改，最終解決了多年來制管生產(chǎn)線廢管率高的問題。