一種新型高精度鋼板超聲檢測系統的應用*

魏克同， 龔 健， 蘇 志， 汪 超， 王 俊

（1. 渤海裝備江蘇鋼管公司， 南京210061； 2. 武漢中科創新技術股份有限公司， 武漢430070）

隨著管道建設行業的復蘇， 制管企業又迎來了大發展時期， 為契合管道全生命周期質量管理的理念， 各鋼管廠對自身裝備自動化、 信息化的實施投入較大， 實現了MES、 物聯識別、自動噴標及自動測量等信息化管理， 但在母材缺陷檢出方面還存在較大的技術和裝備短板。在當前市場競爭環境下， 客戶對質量控制的要求往往超越了項目標準， 符合標準更應符合業主要求的質量控制理念被一再提起， 鋼管的原材料質量過硬愈發成為當前制管企業競爭的重點和關鍵。 在鋼管制造新檢測標準中， 為了嚴格控制鋼管原材料的質量， 要求對鋼板進行100%母材分層和鋼板板邊非分層檢測[1]， 因此設計了一種新型高精度鋼板超聲檢測系統， 本研究主要從以下3 個方面進行描述： 一是對鋼板100%覆蓋分層缺陷檢測， 并保證上、 下表面檢測盲區≤1.5 mm；二是對鋼板邊緣檢測盲區≤5 mm， 并保證板頭和板尾檢測盲區≤20 mm； 三是對鋼板板邊50 mm范圍內100%覆蓋非分層縱向、 橫向缺陷檢測。該檢測系統通過以上3 個方面的實際運用， 確保了鋼板內部分層缺陷和非分層缺陷的100%檢出。

1 鋼板分層檢測

1.1 探頭整體布置

鋼板分層檢測是對鋼板100%覆蓋分層缺陷檢測[2-4]， 并保證檢測上、 下表面盲區≤1.5 mm。為了保證4 500 mm 板寬的鋼板100%覆蓋， 該系統設計為每4 個通道1 個模塊， 總通道數為232（2 個通道備用）， 保證每個接收探頭晶片對應的儀器通道為真實的物理通道， 參數可獨立設置， 具體通道分布及數量見表1。

表1 超聲檢測系統通道分布及數量

同時為了每個通道的耦合監視， 在原有物理通道中虛擬出232 個耦合監視通道， 耦合監控通道獨立， 范圍靈敏度報警閘門與探傷靈敏度分開調整， 保證耦合監視符合-6 dB 波動要求[4]，鋼板檢測探頭組分布如圖1 所示。

圖1 鋼板檢測探頭組分布示意圖

圖1 中B1 為板邊分層檢測探頭組； B2 為板邊橫向檢測探頭組， 探頭為前后雙向檢測組合探頭； B3 為板邊縱向檢測探頭組， 探頭為左右雙向檢測組合探頭[5-6]。

1.2 中部探頭組布置

中部兩排探頭分布如圖2 所示。 中部探頭組呈兩排分布在兩個橫梁上， 第一排含96 個探 頭， 24 個 模 塊 ； 第 二 排 含100 個 探 頭 ， 25個模塊。 兩排探頭橫向偏移22.3 mm， 中部探頭距離板邊65 mm， 且每組探頭組由4 個1T1R 雙晶探頭組成， 其中第一排與第二排每個探頭的重疊量為3.75 mm。 依照標準ASTM A435， 在保證100%探傷的前提下， 對每個探頭的有效探傷區域均至少有15%的覆蓋， 能滿足100%探傷覆蓋要求[5-6]。

圖2 中部探頭組分布示意圖 （單位：mm）

1.3 中部探頭邊緣處的設計

由于考慮鋼板板邊可能發生左右偏移， 因此， 邊部探頭雖覆蓋了板邊100 mm 的范圍， 但中間陣列還是要進行邊緣覆蓋。

鋼板左 （右） 邊緣向左 （右） 偏移， 距離最大值35 mm， 此時邊部探頭向左 （右） 進行跟蹤， 如果中部陣列沒有與邊探進行重復覆蓋， 那么就會在邊緣處出現覆蓋空白。 因此，需要中部陣列延伸到邊緣處， 但不能覆蓋到鋼板板邊， 如果覆蓋到鋼板板邊， 將會發生鋼板板邊偏移的誤報。 鋼板板邊需要預留一定的空位， 此時， 由于邊部探頭的覆蓋長度， 即使板向左發生偏移， 只要距離在35 mm 以內， 本系統即可保證無縫覆蓋[7-10]。 如果板向右 （左） 橫移， 橫移量在35 mm 以內， 邊部探頭與中部陣列探頭的最邊緣部分會發生重疊， 但中部陣列的邊緣探頭不會超出板邊， 中部探頭和邊緣探頭的分布如圖3 所示。

圖3 中部探頭和邊緣探頭分布示意圖 （單位：mm）

1.4 縱波探頭選用

縱波檢測采用專用鋼板檢測探頭， 特別對于靠近探頭的區域靈敏度極高， 整體高靈敏度是通過優化設計及采用復合換能器取得， 即一個探頭殼內有一個發射器和一個接收換能器 （T1R1）[2-3]。縱波探頭額定頻率要求為2.25～10 MHz， 能有效探測鋼板表面1.5 mm 以下至底面1.5 mm 以上區域內的有效聲束寬度為22.3 mm （縱波晶片尺寸為29.8 mm×8 mm×2 mm）， 縱波檢測時最佳水膜間隙設定為0.35～0.05 mm。 每組探頭套采用不銹鋼材料， 在兩側增加耐磨條， 最大限度減少磨損， 同時耐磨條為探頭耦合提供基準面。 中部縱波探頭組實物照片如圖4 所示， 中部縱波探頭結構如圖5 所示。

圖4 中部縱波探頭組實物照片

圖5 中部縱波探頭結構示意圖

1.5 分層缺陷檢測靈敏度要求

對于鋼板分層檢測， CDP-S-NGP-PL-013標準要求采用對比試塊人工缺陷尺寸為[11]平底孔直徑 （60+0.35） mm， 平底孔深度包括t/2、 t/4和3t/4； 條形刻槽寬度6+00.35mm， 深度包括t/2、 t/4和3t/4。 靜態校準要求以對比試塊上的平底孔產生信號100%幅度作為設定設備的觸發/報警界限[11-14]，通過標準要求進行校驗， 取得了良好的效果。

2 鋼板邊緣分層缺陷檢測

鋼板邊緣檢測要求檢測盲區≤5 mm， 并保證板頭和板尾檢測盲區≤20 mm。

鋼板縱邊部100 mm 范圍內縱波檢測探頭采用每組由5 個1T1R 探頭組成， 中部探頭采用29.8 mm×8 mm×2 mm 晶片， 其有效寬度尺寸為22.5 mm； 最外側探頭采用15 mm×8 mm×2 mm晶片， 其有效寬度為11 mm， 通過優化最外側探頭的晶片尺寸[9-10]， 從而確保鋼板邊緣盲區≤5 mm。 中部探頭組每組由4 個1T1R 雙晶探頭組成， 其中第一排與第二排每個探頭的重疊為3.75 mm， 邊部探頭布置如圖6 所示。

圖6 鋼板邊部探頭布置示意圖 （單位：mm）

3 鋼板邊部非分層缺陷檢測

對鋼板板邊50 mm 范圍內的非分層縱向和橫向缺陷的檢測， 主要是檢測鋼板內部的夾雜物、裂紋及重皮等， 避免對鋼管的焊接質量造成影響。

3.1 鋼板板邊橫波縱向檢測

對于鋼板邊緣的縱向非分層缺陷的檢測， 由4個組合探頭 （共16 個通道） 分別從左右檢測縱向缺陷。 每個探頭都需采用1 次、 2 次、 3 次波檢測縱向缺陷。 橫波縱向檢測探頭分布如圖7 所示。

圖7 橫波縱向檢測探頭分布示意圖

3.2 鋼板板邊橫波橫向檢測

對于鋼板邊緣的橫向非分層缺陷的檢測， 單邊有1 組探架， 每個探架上有2 個組合探頭， 分別檢測向前、 向后的橫向缺陷[15-16]。 橫波橫向檢測探頭分布如圖8 所示。

圖8 橫波橫向檢測探頭分布示意圖

3.3 橫波探頭選用

設備橫波檢測采用專用鋼板的檢測探頭，橫波探頭的額定頻率要求為2.25～10 MHz， 有效聲束的寬度為9 mm （橫波晶片尺寸為13 mm×13 mm）， 縱波檢測時最佳水膜間隙應設定為0.35～0.05 mm。 每組探頭套均采用不銹鋼材料， 同時在兩側增加耐磨條， 以最大限度減少磨損， 同時耐磨條為探頭耦合提供基準面[2-3]。橫波縱向和橫向檢測探頭位置布置示意如圖9所示。

圖9 橫波縱向和橫向檢測探頭位置布置示意圖

3.4 非分層缺陷檢測靈敏度要求

依據NB/T 47013 標準要求， 對鋼板以60°的V 形槽、 槽深為鋼板厚度的3%作為校驗對比試塊[15-16]， 以波高100%作為驗收標準， 取得了良好的效果。

4 應用效果及系統先進性

4.1 應用效果

該新型鋼板超聲檢測系統能夠安全、 可靠、 有效地檢測出鋼板內部分層、 夾雜物、 裂紋等缺陷。 鋼板內部檢出缺陷金相組織如圖10所示。

圖10 鋼板內部檢出缺陷金相圖

4.2 檢測系統的先進性

該檢測系統的先進性在于： ①利用4 組24個通道的斜探頭對鋼板左右兩邊各50 mm 范圍內進行100%橫波非分層檢測， 完全可以保證鋼板左右兩邊各50 mm 范圍內裂紋、 收縮孔隙和超標的夾雜物等缺陷100%檢測； ②利用2 組五合一探頭10 個通道對鋼板左右兩邊100 mm范圍內進行100%縱波檢測， 對鋼板左右兩邊100 mm 范圍內超標的母材分層缺陷100% 檢測； ③鋼板中部利用49 組196 個通道的縱波檢測， 在保證最大板寬為4 500 mm 的100%探傷的前提下， 對每個探頭探傷的有效區域均有至少15%的覆蓋， 有效保證鋼板中部超標的母材分層100%的檢測。

該探傷系統采用先進的技術和設備， 模塊化設計、 平行線掃查 （梳狀掃查） 工藝， 探架固定（每個探架單獨起落） 及鋼板縱進縱出的檢測方式， 保證了該系統運行可靠。

5 結束語

新型高精度鋼板超聲檢測系統總體設計方案及性能指標均符合相關國家標準及部頒標準， 設備結構合理， 性能安全可靠， 操作方便。 該系統的成功應用， 大大提高了鋼管生產效率和鋼板質量控制， 在鋼板軋制質量分析上也具有良好的實用價值， 同時降低了鋼管的質量風險。