姜偉

(湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，湖北 武漢 430077)

在鋼管生產(chǎn)過程中，超聲波方法檢測(cè)焊縫缺陷是控制鋼管質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是常規(guī)A型掃描以波幅和時(shí)間距離顯示缺陷的坐標(biāo)位置，顯示方式抽象，不直觀，分辨率低時(shí)對(duì)間距較小的回波不能區(qū)分。如焊縫部位存在的毛刺臺(tái)階，對(duì)超聲波檢測(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，毛刺臺(tái)階與焊縫中的缺陷回波相混淆，很難區(qū)分，此類鋼管無法一次通過檢測(cè)成為異議管被流放，需要再次復(fù)檢，這無疑會(huì)增加生產(chǎn)成本[1～4]。ERW(Electric Resistance Welding，直縫電阻焊接)焊管具有外觀質(zhì)量好、幾何尺寸精度高和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道建設(shè)。隨著我國(guó)城市天然氣管網(wǎng)和各類輸油管線的大力建設(shè)，國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)線引進(jìn)了德國(guó)、美國(guó)、加拿大、以色列等國(guó)的先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備，新的檢測(cè)方法和技術(shù)也層出不窮[5～8],但真正能適應(yīng)ERW焊管生產(chǎn)線速度快、批量大、準(zhǔn)確率高、效率高的檢測(cè)方法和設(shè)備還不多。

相控陣檢測(cè)技術(shù)具有缺陷檢出率高和缺陷顯示直觀等優(yōu)點(diǎn),在很多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[9～15]，其靈活可變的多角度掃描方式、動(dòng)態(tài)聚焦的設(shè)計(jì)思維和突破性的將缺陷顯示圖形化，使超聲波檢測(cè)技術(shù)有了質(zhì)的變化。但該技術(shù)對(duì)生產(chǎn)的鋼管尺寸有一定要求，只在國(guó)外生產(chǎn)線上有使用案例，為此，筆者針對(duì)ERW鋼管生產(chǎn)過程中焊縫內(nèi)部缺陷與毛刺臺(tái)階情形，研究了在實(shí)際檢測(cè)中探頭楔塊的改進(jìn)方法,從而使得超聲波相控陣技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中達(dá)到了高效準(zhǔn)確的檢測(cè)效果。

1 ERW鋼管焊縫缺陷類型

ERW鋼管焊縫中常見的缺陷有超標(biāo)的毛刺臺(tái)階、未熔合缺陷(冷焊)、裂紋缺陷、夾雜物等。毛刺臺(tái)階是生產(chǎn)過程中對(duì)擠出的焊縫多余金屬刮除不徹底而造成的殘留臺(tái)階。未熔合缺陷根據(jù)其在焊縫中的位置不同分為2種情況：一種分布在焊縫內(nèi)外表面或近表面區(qū)域，另一種貫穿焊縫整個(gè)截面。未熔合缺陷產(chǎn)生的原因與成型時(shí)板邊的平行度有關(guān)，正常的板邊應(yīng)該是相互平行的“工”形，焊接過程中沿壁厚方向加熱均勻、擠壓后流線以45～60°對(duì)稱分布，易于夾雜物排出，焊接質(zhì)量良好。異常時(shí)兩板邊對(duì)接不平行，出現(xiàn)正V和倒V形，板邊面不能同時(shí)接觸，焊縫上下區(qū)域加熱不均勻，內(nèi)外壁的流線角偏差較大，熔融金屬向單側(cè)擠出(影響氧化物排出)，造成內(nèi)壁或外壁出現(xiàn)未熔合缺陷(冷焊現(xiàn)象)。

ERW鋼管焊縫裂紋缺陷主要由冷焊、氧化夾雜物、母材分層等缺陷引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生。此外，母材缺陷和帶狀組織中的夾雜物，也容易導(dǎo)致焊接時(shí)在焊縫和熱影響區(qū)形成裂紋。

2 相控陣檢測(cè)技術(shù)基本原理

相控陣檢測(cè)技術(shù)的基本原理來源于雷達(dá)技術(shù)，在相控陣?yán)走_(dá)中，多個(gè)子天線按照一定空間形狀組合，各自按照規(guī)定的延時(shí)和幅度發(fā)射電磁波，得到一定空間范圍內(nèi)靈活聚焦掃描的波束。相控陣探頭由多個(gè)相互獨(dú)立的壓電晶片構(gòu)成, 各壓電晶片在空間上按一定方式排列成陣列, 每個(gè)晶片稱為一個(gè)陣元(見圖1)。對(duì)于線陣探頭，其激發(fā)孔徑長(zhǎng)度為：

L=na+b(n-1)

(1)

式中：a為陣元寬度，mm；b為相鄰陣元之間的距離，mm；L為激發(fā)孔徑的長(zhǎng)度，mm；n為激發(fā)陣元的數(shù)量。

圖1 相控陣探頭陣列

相控陣技術(shù)是利用波動(dòng)物理學(xué)理論的相位調(diào)整原理對(duì)陣列探頭中不同單元在發(fā)射或接收聲波時(shí)給出不同的時(shí)間延遲或電壓幅度，使陣列中的每個(gè)晶片生成的單個(gè)波前交匯在一起，通過加強(qiáng)或減弱聲波的能量，使聲波有效實(shí)現(xiàn)檢測(cè)聲束的偏轉(zhuǎn)、聚焦和移動(dòng)等功能的超聲成像檢測(cè)技術(shù)。

3 試塊備制

為有效評(píng)估檢測(cè)結(jié)果，按標(biāo)準(zhǔn)要求備制對(duì)比標(biāo)樣，試塊的材質(zhì)、曲率半徑與被檢鋼管相同，從被檢實(shí)物鋼管上截取，試塊上的人工設(shè)置了缺陷及尺寸，如圖2所示。試塊焊縫上有?1.6mm(或3.2mm)豎通孔，內(nèi)外焊縫邊緣有人工刻槽(槽的深度根據(jù)不同的驗(yàn)收等級(jí)，分別為鋼管母材公稱壁厚的5%、10%、12.5%，最大為3mm，最小為0.3mm，槽的寬度不超過1mm)。

4 改進(jìn)

ERW鋼管管徑小,壁厚薄，若探頭和楔塊的尺寸選擇不當(dāng)，會(huì)造成探頭與鋼管表面耦合不良、干擾現(xiàn)象增多、探傷準(zhǔn)確率降低。圖3為采用32陣元和與之匹配的35°楔塊檢測(cè)?219mm～?355.6mm鋼管的情況。檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，在扇掃圖像區(qū)域存在很多干擾圖形，缺陷圖像被干擾回波的圖形所覆蓋,造成漏檢，耦合不良使傳入被檢工件的超聲波能量大幅度損失，降低探傷靈敏度。

圖2 試塊樣品 圖3 耦合不良產(chǎn)生的干擾圖像

表1為采用較大尺寸(32晶片)相控陣平面楔塊探頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)缺陷的檢測(cè)結(jié)果。從表1可以看出，用較大尺寸(32晶片)的相控陣探頭與平面楔塊組合，檢測(cè)鋼管縱焊縫缺陷時(shí)，橫波聲束從鋼管外圓斜入射周向掃查，耦合不良，使檢出缺陷的尺寸小于實(shí)際尺寸，回波當(dāng)量也低于常規(guī)A型掃描的波幅，隨著鋼管曲率增加反射能量損失增加，檢出缺陷的尺寸誤差也增大。基于上述原因,檢出缺陷的尺寸誤差是耦合損失所致，32和與之匹配35°楔塊的平底面，尺寸較大，又是平底面(55mm×28mm)，檢測(cè)過程中與鋼管外弧面(?219～?355.6mm)線接觸，耦合不良使超聲波傳入工件中能量大幅降低，對(duì)缺陷的定量產(chǎn)生很大影響，造成缺陷漏檢。

表1 采用較大尺寸(32晶片)相控陣平面楔塊探頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)缺陷檢測(cè)結(jié)果

在明確導(dǎo)致偏差產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，為提高耦合效果，提出了2種改善探頭楔塊與鋼管耦合程度的方法：一是考慮將楔塊設(shè)計(jì)成曲面，曲率半徑應(yīng)與所檢鋼管的曲率半徑一致，以便最大程度地減少耦合損失；二是定制和選配小尺寸探頭和小尺寸平面楔塊相結(jié)合的方式，檢測(cè)曲面工件。

改進(jìn)方式1 將探頭楔塊加工成與鋼管表面相同或相近的曲面，便于提高耦合效率。根據(jù)被檢鋼管的規(guī)格范圍，設(shè)計(jì)了定制曲面楔塊(見圖4)，用于匹配使用32晶片探頭外圓周向檢測(cè)鋼管縱焊縫缺陷，表2給出了楔塊與不同型號(hào)鋼管的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 定制曲面楔塊 圖5 曲面楔塊產(chǎn)生的干擾

序號(hào)楔塊曲率適用檢測(cè)的鋼管規(guī)格范圍匹配的探頭規(guī)格備注1?219mm?219mm5P 32L 13×1檢測(cè)鋼管縱向焊縫缺陷2?273mm?273mm5P 32L 13×1檢測(cè)鋼管縱向焊縫缺陷3?406mm?355mm～?406mm5P 32L 13×1檢測(cè)鋼管縱向焊縫缺陷4?508mm?457mm～?559mm5P 32L 13×1檢測(cè)鋼管縱向焊縫缺陷5?610mm?559mm～?660mm5P 32L 13×1檢測(cè)鋼管縱向焊縫缺陷

比較圖5與圖2探測(cè)出來的實(shí)際缺陷發(fā)現(xiàn),采用曲面楔塊后，因耦合帶來的干擾基本消失，但缺陷檢出的尺寸精度(見表3)反而沒有平面楔塊高。

表3 采用定制相控陣曲面楔塊探頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)缺陷檢測(cè)結(jié)果

表3結(jié)果表明，改進(jìn)的曲面楔塊并沒有帶來更準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果。通過研究發(fā)現(xiàn)，曲面楔塊的確與所要檢測(cè)是樣品有良好的耦合效果，超聲波檢測(cè)結(jié)果應(yīng)該更加準(zhǔn)確，但是實(shí)際的超聲波檢測(cè)設(shè)備的軟件系統(tǒng)對(duì)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)是按平面楔塊的情形處理，沒有考慮到曲面楔塊采用檢測(cè)曲面工件的聚焦法則(控制軟件)，導(dǎo)致誤差比平面楔塊探頭還要大。

改進(jìn)方式2 選配小尺寸16晶片相控陣探頭，規(guī)格為5MHz/16EL 0.6mm，與楔塊SA2-N60S(23×19-L10)組合，設(shè)置聚焦法則，在焊縫單側(cè)進(jìn)行直線扇掃。聲束指向垂直于焊縫，扇形掃描顯示、線性聚焦，聚焦聲束寬度不超過1mm，激活晶片數(shù)量16個(gè)，陣元間距0.6mm，陣元寬度0.6mm，長(zhǎng)度10mm，頻率5MHz，角度范圍35～75°，楔塊前沿距離焊縫中心12mm，掃描步進(jìn)速度50mm/s。設(shè)置掃描區(qū)域，使焊縫中部和下部處于一次直射波覆蓋范圍，焊縫中部和上部區(qū)域處于一次反射波檢測(cè)區(qū)域之中。實(shí)際探測(cè)結(jié)果見表4，該方式探測(cè)的缺陷結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)缺陷誤差相對(duì)大的平面探頭要更精準(zhǔn)。

表4 采用較小尺寸(16晶片)相控陣平面楔塊探頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)缺陷檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

1)利用相控陣技術(shù)檢測(cè)ERW鋼管縱焊縫，能較好地檢出焊縫各類缺陷，且缺陷檢出率高，缺陷顯示直觀，檢測(cè)效率高。相對(duì)常規(guī)A型掃描，相控陣檢測(cè)技術(shù)使用單探頭以多晶片、多角度掃查焊縫區(qū)域，提高了ERW鋼管縱焊縫缺陷的檢出率。

2)檢測(cè)曲面工件時(shí)，為達(dá)到良好的耦合效果，在現(xiàn)有設(shè)備和儀器條件以及滿足穿透的前提下，盡可能選擇激發(fā)孔徑小的探頭，應(yīng)選用小尺寸、頻率較高的探頭和楔塊。