黃 磊，張鴻博，張寶利，曹孟瑜

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，陜西 西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101；3.巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658；4.西安陽普機電設備一體化有限公司，陜西 西安 710061）

無縫鋼管的制造工藝有熱軋、冷軋、冷拔和鍛造等。對于使用條件苛刻的環(huán)境，一般要求無縫鋼管以熱軋工藝制造，與焊接鋼管相比，無縫鋼管因管體組織與性能分布連續(xù)性好、使用可靠性高、產品鋼種及壁厚適應范圍大，故安全級別要求較高，在使用條件相對特殊或產品徑壁比數值偏低等情形下優(yōu)勢明顯。通常，無縫鋼管應用于油氣集輸管線、海底管線以及城市油氣管網。因此，對于無縫鋼管質量控制是不容忽視的。

無縫鋼管是通過穿孔法和高速擠壓法得到。穿孔法是用穿孔機穿孔，同時用軋輥滾軋，最后用芯棒軋管機定徑壓延平整成型；高速擠壓法是在擠壓機中直接擠壓成型，這種方法加工的無縫鋼管尺寸精度高。無縫鋼管主要缺陷有裂紋、折疊、分層和夾雜等。對于厚壁大直徑無縫鋼管也可由鋼錠經鍛造、軋制等工藝加工而成，鍛軋管常見缺陷與鍛件類似，一般為裂紋、白點、重皮等［1］。

從超聲波檢測角度，一般將無縫鋼管厚徑比≤0.2的金屬管材稱作薄壁管，∧0.2的金屬管材稱作厚壁管。薄壁管和厚壁管以純折射橫波是否可以到達管材內壁區(qū)分［1］。無縫鋼管超聲波檢測目的是發(fā)現制造過程中產生的各種缺陷，避免將帶有危險缺陷無縫鋼管投入使用。無縫鋼管中缺陷大多與管體軸線平行；因此，無縫鋼管檢測以沿管體外圓作周向掃查的橫波檢測為主。在無縫鋼管中也可能存在與管體軸線垂直的缺陷，因此必要時還應沿軸線方向進行斜入射檢測。對于某些無縫鋼管，可能還需要進行縱波垂直入射聲束檢測。本文主要從檢測方法、探頭排列、檢測閘門設置、對比樣管設計和檢測結果顯示等方面進行研究，對于無縫鋼管全覆蓋檢測，減少油氣集輸管線、海底管線以及城市油氣管網中出現的各種失效事故至關重要［2-9］。

1 檢測方法

無縫鋼管主要缺陷為平行于管軸徑向缺陷（稱縱向缺陷），有時也有垂直于管軸徑向缺陷（稱橫向缺陷）。對于大直徑薄壁無縫鋼管，可能還需要進行縱波垂直入射檢測與管軸平行的周向缺陷（稱分層缺陷）?，F主要研究接觸法檢測。如果無縫鋼管直徑較小，應選取晶片直徑較小的探頭，不論從耦合效果還是可靠性方面均較好。因此，從縱向、橫向和分層缺陷（或厚度檢測）檢測進行研究。

1.1 縱向缺陷檢測

對于薄壁無縫鋼管（厚徑比≤0.2），用斜探頭沿外圓作周向掃查橫波檢測是無縫鋼管檢測主要方式，目的是檢測內、外壁以及管壁中縱向缺陷。在實際檢測時，通常希望無縫鋼管中存在單一波形，以便于正確判斷缺陷信號。因此，檢測中斜探頭入射角選擇在第一臨界角和第二臨界角之間，使無縫鋼管中只存在純橫波?？v向缺陷的橫波周向檢測法如圖1所示［10］。要實現這種檢測，必須滿足：

式中βS——斜探頭橫波折射角，（°）；

R——鋼管外半經，mm；

r——鋼管內半徑，mm。

對于厚壁無縫鋼管（厚徑比∧0.2），常規(guī)斜探頭橫波聲束無法到達無縫鋼管內壁，因此用橫波實現整個管壁橫截面檢測是很困難的，可用變形橫波斜射法進行補充檢測。縱向缺陷的變形橫波斜射法如圖2所示［10］，選擇第一臨界角以下小角度入射，進入管壁超聲波型既有縱波也有橫波，但橫波強度很弱，檢測主要以縱波為主?？v波斜射法缺點是檢測時顯示除折射縱波外，還存在折射橫波在內壁上產生多次反射回波，波形比較復雜，因此不能用于自動化檢測（對于厚徑比∧0.2的無縫鋼管，應采用變形橫波法檢測）。

圖1 縱向缺陷的橫波周向檢測法示意

圖2 縱向缺陷的變形橫波斜射法示意

1.2 橫向缺陷檢測

用斜探頭（一般為45°）橫波對橫向缺陷進行軸向檢測，具體如圖3所示［10］。這時聲束在內壁反射波進一步發(fā)散，聲能損失大，因此外壁缺陷靈敏度較低，檢測時要注意這一點。

圖3 橫向缺陷的橫波軸向檢測法示意

1.3 分層缺陷檢測（或厚度檢測）

由于分層缺陷在管壁中沿周向分布且平行于鋼管表面，一般采用縱波雙晶直探頭（或單晶直探頭）檢測，分層缺陷（或厚度檢測）縱波垂直檢測法如圖4所示。當缺陷較小時，缺陷波與底波同時出現，這時可根據缺陷波高度來評價缺陷大小。當缺陷較大時，底波將會消失，這時可用半波高度法來確定缺陷面積大小。

圖4 分層缺陷（或厚度檢測）縱波垂直檢測法示意

2 探頭排列

由于無縫鋼管可能存在縱向、橫向和分層3種類型缺陷形式［11-14］，因此探頭排列應按照能檢測出這3種類型缺陷進行考慮。目前，對于無縫鋼管自動化檢測大約有3種模式：一、探頭旋轉，鋼管直線前行；二、探頭固定，鋼管螺旋前行；三、探頭直線運動，鋼管原地旋轉。本研究的探頭排列以模式三為例，探頭直線運動速度與管體均勻旋轉速度應匹配，必須滿足全管體被探頭100%掃查。為了防止檢測速度太大而造成漏檢，一般采取陣列式組合探頭。

2.1 縱向缺陷探頭排列

檢測無縫鋼管縱向缺陷，用斜探頭產生橫波進行周向檢測。另外，為了檢測不同取向缺陷，應從正反兩個方向進行檢測。檢測縱向缺陷陣列式組合探頭采用2組6個晶片組成（如L11-L21-L31-L41-L51-L61和L12-L22-L32-L42-L52-L62），縱向缺陷探頭排列如圖5所示。

圖5 縱向缺陷探頭排列示意

2.2 橫向缺陷探頭排列

為了檢測無縫鋼管橫向缺陷，用斜探頭（一般為45°）橫波進行軸向檢測。另外，為了檢測不同取向的缺陷，應從正反兩個方向進行檢測。檢測橫向缺陷的陣列式組合探頭采用2組6個晶片組成（如 T11-T21-T31-T41-T51-T61和 T12-T22-T32-T42-T52-T62），橫向缺陷探頭排列如圖6所示。

圖6 橫向缺陷探頭排列示意

2.3 分層缺陷（或厚度檢測）探頭排列

為了檢測無縫鋼管的分層缺陷（或厚度檢測），一般采用縱波雙晶直探頭（或單晶直探頭）。檢測分層缺陷（或厚度檢測）的陣列式組合探頭采用1組6個晶片組成（如WT1-WT2-WT3-WT4-WT5-WT6），分層缺陷（或厚度檢測）探頭排列如圖7所示。

圖7 分層缺陷（或厚度檢測）探頭排列示意

3 檢測閘門設置

主要研究檢測探頭在壁厚范圍全覆蓋，即研究檢測閘門設置問題。檢測閘門設置從縱向、橫向和分層缺陷（或厚度檢測）3個方面進行研究。

3.1 縱向缺陷檢測閘門設置

縱向缺陷檢測時，需要監(jiān)測一次波和二次波的缺陷情況，因此設置雙閘門檢測?？v向缺陷檢測閘門設置如圖8所示。T為始脈沖波，F內為內表面縱向刻槽反射波，F外為外表面縱向刻槽反射波。探頭L11一次波檢測閘門起點在圖8所示始波后端至少1～2 mm處，閘門終點設置在內表面刻槽反射波前端至少1～2 mm處；探頭L11二次波檢測閘門起點在圖8所示內表面刻槽反射波后端至少1～2 mm處，閘門終點設置在外表面刻槽反射波前端至少1～2 mm處。其余縱向缺陷檢測閘門設置與探頭L11檢測閘門設置相似。

3.2 橫向缺陷檢測閘門設置

橫向缺陷檢測時，也要監(jiān)測一次波和二次波缺陷情況，因此設置雙閘門檢測。橫向缺陷檢測閘門設置如圖9所示，探頭T11一次波檢測閘門起點在圖9所示始波后端至少1～2 mm處，閘門終點設置在內表面刻槽反射波前端至少1～2 mm處；探頭T11二次波檢測閘門起點在圖9所示內表面刻槽反射波后端至少1～2 mm處，閘門終點設置在外表面刻槽反射波前端至少1～2 mm處。其余橫向缺陷檢測閘門設置與探頭T11檢測閘門設置相似。

圖8 縱向缺陷檢測閘門設置示意

圖9 橫向缺陷檢測閘門設置示意

3.3 分層缺陷（或厚度檢測）檢測閘門設置

分層缺陷檢測（或厚度檢測）時，采用雙晶探頭（或單晶探頭）進行檢測，主要監(jiān)測一次波缺陷情況。分層缺陷（或厚度檢測）檢測閘門設置如圖10所示，S為雙晶探頭界面波，B為底面反射波。探頭WT1檢測閘門起點在圖10所示界面波后端至少1～2 mm處，閘門終點設置在底面反射波前端至少1～2 mm處。其余分層缺陷（或厚度檢測）檢測閘門設置與探頭WT1檢測閘門設置相似。

圖10 分層缺陷（或厚度檢測）檢測閘門設置示意

4 對比樣管設計

對比樣管中包含一系列不同類型的人工缺陷，不同類型人工缺陷可以模擬不同部位和種類無縫鋼管缺陷，可以客觀評價無縫鋼管質量水平。一個設計不合格對比樣管或樣管上人工缺陷加工精度不高都會導致缺陷的漏檢或誤判。對比樣管設計目的是保證被檢測對象中所有缺陷能檢測出來。

對于檢測縱向和橫向缺陷采用內外表面刻槽（如無縫鋼管超聲波檢測的對比樣管人工缺陷主要分為3種：縱向刻槽、橫向刻槽和平底孔L2、L2.5或L3）校驗檢測靈敏度，且內外刻槽也可用作設置閘門起點和終點。對于檢測分層缺陷采用不同深度平底孔（如Ф6 mm平底孔）校驗檢測靈敏度和設置閘門起點和終點。所有人工缺陷必須保持一定間距，不同人工缺陷不會受相鄰人工缺陷超聲波干擾。設計的無縫鋼管對比樣管人工缺陷分布如圖11所示［15］。其中，①②⑥⑦為內外表面縱向刻槽，③④⑧⑨為內外表面橫向刻槽，尺寸均為50.0 mm×1.0 mm×nt mm（長度×寬度×深度），與內外表面垂直，深度為nt（最小為0.5 mm），長度50.0 mm（一般探頭寬度1.5倍），n一般取5%、8%或10%，t為鋼管壁厚；⑤為Φ1.6 mm豎通孔；⑩11○12○為內側平底孔，孔徑為6.0 mm，埋深分別為壁厚的25%、50%和 75%［12-14］。

圖11 設計的對比樣管人工缺陷分布示意

對比樣管及其使用要求：①對比樣管應與被檢測無縫鋼管具有相同的公稱尺寸，相同或相近的表面狀態(tài)和聲學特性；②加工對比樣管之前需要對制作樣管的管材進行無損檢測，保證其內部沒有超過Φ2.0 mm平底孔的缺陷；③對比樣管中的人工缺陷必須由計量部門校準，合格后方可使用。

5 檢測結果顯示

由于無縫鋼管自動超聲波檢測的速度快、自動化程度高，要求每一根無縫鋼管在進行自動檢測后，應能同步顯示檢測波形和檢測數據，這樣才能保證檢測結果永久保存和質量追溯性。因此，要求檢測結果應自動顯示每個通道缺陷位置、缺陷分布等信息。

試驗用無縫鋼管規(guī)格為Ф73 mm×9.19 mm，檢測縱向缺陷采用2組6個晶片組成的陣列式組合探頭（如L11-L21-L31-L41-L51-L61和 L12-L22-L32-L42-L52-L62），檢測橫向缺陷采用2組6個晶片組成的陣列式組合探頭（如T11-T21-T31-T41-T51-T61和T12-T22-T32-T42-T52-T62），檢測分層缺陷（或厚度檢測）采用1組6個晶片組成的陣列式組合探頭（如WT1-WT2-WT3-WT4-WT5-WT6），試驗檢測結果自動顯示。

可以看出：無縫鋼管檢測顯示圖顯示出了每個通道人工缺陷位置與分布。設計的對比樣管中縱向、橫向和分層缺陷在掃描圖中均顯示出來，這就證明了對無縫鋼管自動超聲波檢測方法研究結果是正確的、可靠的。

6 結 語

無縫鋼管超聲波檢測技術是一種常規(guī)無損檢測技術，但無損鋼管自動超聲波檢測技術和常規(guī)無縫鋼管超聲波檢測技術還是有很大的區(qū)別，必須從檢測方法、探頭排列、檢測閘門設置、對比樣管設計和檢測結果顯示等方面研究，才能有效地檢測無縫鋼管的各種缺陷。通過對無縫鋼管自動超聲波檢測方法進行研究，得出以下結論：

（1）保證了無縫鋼管中各個方向的缺陷（縱向、橫向和分層）100%檢測；

（2）實時顯示了鋼管中缺陷在每個檢測通道中位置和分布情況；

（3）檢測結果永久性記錄形式，實現了自動超聲波檢測結果長久保存和可追溯要求。