張圣光,李忠響,王立陽,常永剛

(1.山東勝利鋼管有限公司,淄博255082;2.北京賽誠工控科技有限責(zé)任公司,北京100094; 3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司,北京100101)

射流法在螺旋埋弧焊管焊縫超聲自動(dòng)檢測中的應(yīng)用

張圣光1,李忠響1,王立陽2,常永剛3

(1.山東勝利鋼管有限公司,淄博255082;2.北京賽誠工控科技有限責(zé)任公司,北京100094; 3.北京隆盛泰科石油管科技有限公司,北京100101)

通過對(duì)超聲自動(dòng)檢測中射流法和水膜法的比較,分析了射流法的優(yōu)點(diǎn),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了射流法在螺旋埋弧焊管焊縫超聲自動(dòng)檢測中的可靠性,總結(jié)了射流法的控制要點(diǎn),為射流法在螺旋埋弧焊管超聲自動(dòng)檢測中的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

射流法;水膜法;超聲自動(dòng)檢測;螺旋埋弧焊管

隨著國內(nèi)外長輸管線建設(shè)的加快,對(duì)其設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量的要求也越來越高[1],因此對(duì)鋼管焊縫內(nèi)在質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)苛。超聲檢測對(duì)焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部危害性缺陷(尤其是微裂紋)的檢測靈敏度較高。對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的埋弧焊鋼管企業(yè),主要依靠效率較高的超聲自動(dòng)檢測來保證焊縫質(zhì)量。

鋼管焊縫超聲自動(dòng)檢測一般采用水膜法和射流法兩種耦合方式,如圖1所示。水膜法以探頭與被檢工件表面之間的很薄的水膜作為耦合劑,水套與工件表面直接接觸;射流法又稱作噴液法,屬于局部液浸法,將水以一定壓力噴射至被檢工件表面作為耦合劑,水套與工件表面保持一定的距離。

圖1 水膜法和射流法耦合方式示意

螺旋埋弧焊鋼管焊縫的超聲自動(dòng)檢測系統(tǒng)多采用水膜法,實(shí)施該方法時(shí)探頭水套和鋼管表面直接接觸,相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)因摩擦引起的機(jī)架抖動(dòng)以及水套表面磨損,都會(huì)在一定程度上影響耦合的穩(wěn)定性和檢測效果。射流法檢測時(shí)探頭和鋼管表面沒有直接接觸,檢測狀態(tài)比較穩(wěn)定,但是目前只在直縫埋弧焊鋼管焊縫超聲自動(dòng)檢測系統(tǒng)中有應(yīng)用案例[2],這是由于直縫管的焊縫始終在鋼管的最高位置,其焊縫檢測和平面檢測難度相近,射流法檢測比較容易實(shí)現(xiàn);而螺旋管的焊縫檢測相當(dāng)于曲面檢測,要保持耦合良好、探頭和被檢測面的相對(duì)位置穩(wěn)定比較困難,這也是射流法在螺旋管的焊縫超聲自動(dòng)檢測方面尚未應(yīng)用的主要原因。

筆者比較了射流法和水膜法的差異,通過試驗(yàn)驗(yàn)證了射流法在螺旋埋弧焊鋼管超聲自動(dòng)檢測中的可行性及優(yōu)勢,同時(shí)指出了射流法檢測中的注意事項(xiàng)。

1 射流法和水膜法檢測原理

如圖2所示,超聲自動(dòng)檢測過程中,探頭系統(tǒng)在一定的壓力下貼合在鋼管表面,從而實(shí)現(xiàn)探頭和被檢面的相對(duì)高度不變,形成旋轉(zhuǎn)鋼管和探頭架行走組合,實(shí)現(xiàn)探頭平行掃查螺旋焊縫。

圖2 鋼管旋轉(zhuǎn)和探頭架行走系統(tǒng)現(xiàn)場工作示意

1.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性

采用射流法時(shí)水套與鋼管表面沒有直接接觸,而水膜法水套直接壓在鋼管表面,相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力影響機(jī)架的穩(wěn)定性,并對(duì)水套存在較大磨損,水套磨損在一定程度上影響了水膜法檢測的靈敏度、缺陷定位和定量的準(zhǔn)確性。

圖3,4為水膜法和射流法曲面耦合狀態(tài)示意。水膜法探頭發(fā)射的超聲波聲軸在探頭中心a位置附近,水套的磨損會(huì)導(dǎo)致探頭發(fā)生傾斜,從而聲軸發(fā)生變化,影響檢測靈敏度和缺陷定位、定量的準(zhǔn)確性,且鋼管的曲率越大,對(duì)水膜法的影響越大;而射流法檢測是以探頭的聲軸調(diào)整探頭角度的,因此在檢測過程中減少了曲率對(duì)檢測效果的影響。另外,鋼管表面的不規(guī)則以及浮銹等雜質(zhì)對(duì)水套的磨損非常大,而且摩擦力大小總是在變化,使得水膜法水套的位置和狀態(tài)都不穩(wěn)定,在一定程度上影響了檢測效果,而射流法幾乎不受上述因素的影響。

圖3 水膜法曲面耦合狀態(tài)示意

圖4 射流法曲面耦合狀態(tài)示意

1.2 聲程選擇

水膜法和射流法的探頭尺寸和前沿長度差異較大。以目前常用的探頭為例,水膜法采用的K2圓形斜探頭尺寸為外徑φ30 mm,晶片尺寸為10 mm ×12 mm,前沿長度L＝14 mm,探頭套厚度L1＝15 mm,可知探頭入射點(diǎn)到探頭套前端邊緣的距離L′＝L＋L1＝29 mm;射流法采用的直探頭尺寸和探頭套較小,外徑φ12 mm,晶片尺寸φ8 mm,實(shí)施K2角度射流檢測時(shí)實(shí)測入射點(diǎn)到探頭套前端邊緣一般小于12 mm。

進(jìn)行超聲自動(dòng)檢測聲束覆蓋工藝設(shè)計(jì)時(shí),各奇次波、偶次波的末次反射一般能覆蓋焊縫2/3范圍,以確保最終聲束兼顧到焊縫所有區(qū)域。探頭的位置可以簡單計(jì)算,以(外徑×壁厚)φ1 219 mm×18.4 mm規(guī)格鋼管超聲自動(dòng)檢測為例,采用一次波掃查時(shí)聲程的水平距離為24.5 mm。由于焊縫余高的限制,水膜法探頭無法進(jìn)行一次波掃查,而采用射流法時(shí)入射點(diǎn)到探頭套前端邊緣距離較小,可以實(shí)現(xiàn)一次波掃查,從而獲得更高的檢測靈敏度。

2 射流法和水膜法對(duì)比試驗(yàn)

針對(duì)焊縫橫向缺陷的檢測,由于焊縫余高對(duì)探頭的限制,水膜法一般采用一發(fā)一收兩個(gè)探頭,以90°夾角對(duì)稱焊縫分布來實(shí)現(xiàn)檢測;而射流法進(jìn)行耦合時(shí),探頭水套和被檢工件表面保持一定距離,因此可以采用騎焊縫的方式進(jìn)行檢測。射流法在檢測橫向缺陷上的應(yīng)用是優(yōu)于水膜法的,比如檢測靈敏度更高、調(diào)校過程更簡單等。

為了更有效地對(duì)比射流法和水膜法的檢測效果,射流法探頭和水膜法探頭并列安裝在探頭架上,分別對(duì)應(yīng)獨(dú)立的檢測通道,利用二次波對(duì)同一個(gè)參考反射體進(jìn)行掃查并對(duì)比檢測結(jié)果。射流法和水膜法裝置安裝后的相對(duì)位置如圖5所示。

圖5 在線測試系統(tǒng)調(diào)整完成后現(xiàn)場

2.1 靜態(tài)調(diào)校

2.1.1 射流法靜態(tài)調(diào)校

將探頭對(duì)準(zhǔn)φ1.6 mm豎通孔,探頭發(fā)射點(diǎn)距離豎通孔75 mm,在顯示屏上找到二次反射波;然后前后移動(dòng)探頭找到最高反射位置,調(diào)節(jié)報(bào)警閘門在反射波正上方,調(diào)節(jié)增益使波高為滿屏的80%,記錄測試入射點(diǎn)至豎通孔的距離S3＝68.5 mm;前后移動(dòng)探頭,當(dāng)缺陷波高度降到最高點(diǎn)高度的一半,即滿屏的40%時(shí),分別記錄入射點(diǎn)至豎通孔的距離S1＝58.7 mm,S2＝88 mm。則該探頭使用二次波掃查并能發(fā)現(xiàn)豎通孔的前后移動(dòng)距離范圍為58.7～88 mm,最高反射點(diǎn)位置為68.5 mm。用同樣的方法掃查焊縫外縱槽和熱影響區(qū)外縱槽,并確定各自的探頭移動(dòng)范圍和最高點(diǎn)反射位置。射流法檢測時(shí)各參考反射體測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 射流法檢測時(shí)各參考反射體測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中的測試數(shù)據(jù),對(duì)比φ1.6 mm豎通孔、外焊縫縱槽、熱影響區(qū)縱槽的靈敏度余量可知,探頭在覆蓋三種參考反射體時(shí)掃查φ1.6 mm豎通孔的難度最大,靈敏度余量最低,因此選擇探頭位置時(shí)應(yīng)盡量滿足φ1.6 mm豎通孔,同時(shí)兼顧外焊縫縱槽和熱影響區(qū)外縱槽[3]。因此,射流法探頭入射點(diǎn)至焊縫中心的距離選為68.5 mm,靈敏度余量為36.3 dB。

2.1.2 水膜法靜態(tài)調(diào)校

以同樣的方法進(jìn)行水膜法測試,測試結(jié)果見表2。與射流耦合法不同的是,在進(jìn)行探頭位置選擇時(shí)水膜法無法選擇φ1.6 mm豎通孔的最高反射點(diǎn)。綜合考慮,水膜法探頭入射點(diǎn)至焊縫中心豎通孔的距離選擇為60 mm,將豎通孔反射波高調(diào)整到滿屏的80%,靈敏度余量為20 dB。

表2 水膜法檢測時(shí)各參考反射體測試數(shù)據(jù)

2.2 動(dòng)態(tài)測試

根據(jù)靜態(tài)調(diào)校結(jié)果固定探頭并進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試,射流法和水膜法二次波動(dòng)態(tài)測試波形見圖6,圖中橫坐標(biāo)表示超聲自動(dòng)檢測設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)間,縱坐標(biāo)表示檢測通道編號(hào),其中01通道為水膜法,02通道為射流法,從橫軸左端開始依次為豎通孔、外焊縫縱槽和熱影響區(qū)外縱槽人工參考反射體波形。兩種耦合方式下各刻槽的波形比較穩(wěn)定,射流法對(duì)豎通孔的檢出能力明顯優(yōu)于水膜法。

3 射流法的控制要點(diǎn)

3.1 楔塊的調(diào)整高度

采用射流法時(shí),對(duì)于不同的水套、水路結(jié)構(gòu),建議采取測試的方式確定適宜的水柱長度和楔塊調(diào)整高度。

射流法耦合水柱的長度由楔塊內(nèi)部水柱長度和楔塊調(diào)整高度兩部分組成,其中試驗(yàn)使用的楔塊內(nèi)部水柱長度為5 mm。在測試過程中發(fā)現(xiàn)楔塊的調(diào)整高度對(duì)于水流狀態(tài)和檢測靈敏度存在一定影響,當(dāng)高度較低時(shí),由于出水口的縫隙較小導(dǎo)致了水流不穩(wěn),影響測試效果;當(dāng)高度太高時(shí),靈敏度明顯降低,同時(shí)需要增加水流速度確保耦合效果,導(dǎo)致出現(xiàn)較高的水雜波。為了選擇合理的調(diào)整高度,在探頭角度不變的情況下,調(diào)整楔塊下表面和對(duì)比試塊表面的高度分別為0,0.5,1,1.5,3 mm,在不同的探頭高度下分別用二次波掃查刻槽,將最高波調(diào)至滿刻度的80%,分別記錄靈敏度。最終確定楔塊的調(diào)整高度為0.5～1 mm。

圖6 射流法和水膜法二次波動(dòng)態(tài)測試波形

3.2 水流控制

實(shí)施射流法耦合時(shí)應(yīng)注意控制水泡、水流速度和水流角度。水路主管線采取大流量、低壓力注水,在探頭套內(nèi)部設(shè)計(jì)有導(dǎo)水槽,約束水的流向,防止水渦流產(chǎn)生氣泡,必要時(shí)在主管線高點(diǎn)安裝排空閥以確保水路不含氣泡;各探頭分水管上安裝SMC型速度控制閥AS3001F控制單路水流的大小,調(diào)整時(shí)水流速度從小到大直至探頭充分耦合;水流角度由導(dǎo)水槽約束,平行于探頭方向,水柱外側(cè)安裝封水套用于約束水柱。

4 結(jié)論

(1)相對(duì)水膜法,射流法系統(tǒng)穩(wěn)定性較好,靈敏度較高,調(diào)整更方便,在螺旋埋弧焊管超聲自動(dòng)檢測中可以應(yīng)用。

(2)采用射流法耦合能夠降低探頭采購成本和使用成本。對(duì)于不同管徑、壁厚的鋼管,射流法耦合只需要調(diào)整探頭的角度即可滿足檢測需要,而傳統(tǒng)的水膜法需要根據(jù)不同鋼管規(guī)格采購多種探頭;射流法耦合時(shí)探頭與鋼管表面無需直接接觸,避免了探頭磨損。

[1] 王曉香.2012年以來我國焊管行業(yè)的發(fā)展形勢及幾點(diǎn)建議[J].焊管,2014(3):5-8.

[2] 曹華勇,張晨鵬.射流式超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)在直縫焊管上的應(yīng)用[J].鋼管,2009,38(2):63-65.

[3] 黃磊,趙新偉,李記科,等.西氣東輸三線管道工程用埋弧焊鋼管焊縫自動(dòng)超聲波檢測對(duì)比試塊的合理性分析[J].無損檢測,2014,36(2):36-41.

The Application of Jet-flow Coupling to Ultrasonic Automatic Testing of SAWH

ZHANG Sheng-guang1,LI Zhong-xiang1,WANG Li-yang2,CHANG Yong-gang3
(1.Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082,China; 2.Beijing Saicheng IC Technology Co.,Ltd.,Beijing 100094,China; 3.Beijing Longshine Oil Tubular Technology Co.,Ltd.,Beijing 100101,China)

This article analyzes the advantages of jet-flow based on the comparisonof jet-flow and water membraneused in ultrasonic automatic testing.It verifies the reliability of jet-flow coupling to ultrasonic automatic testing of SAWH by test and summarizes control points of jet-flow coupling,the paper shall provide a reference basis for the application of jet-flow coupling to ultrasonic automatic testing of SAWH.

Jet-flow;Water membrane;Ultrasonic automatic testing;SAWH

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0028-04

10.11973/wsjc201701007

2016-04-21

張圣光(1981－),男,工程師,主要從事鋼管的無損檢測、理化檢測、防腐等技術(shù)管理工作。

張圣光,E-mail:zsg120＠sina.com。