小直徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管的超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法及操作步驟

  目前,小直徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管的超聲波檢測(cè)方法主要為直接接觸法和液浸法,由于送樣的鋼管數(shù)量不多,經(jīng)綜合考慮采用了直接接觸法,并通過(guò)射線方法進(jìn)行了驗(yàn)證,滿足了客戶的要求。

 2010年4月,浙江至德鋼業(yè)有限公司工藝研究所有限公司試驗(yàn)檢測(cè)中心接到客戶送樣,要求對(duì)其樣品20根不銹鋼無(wú)縫鋼管(材質(zhì)為12Gr1MoV,規(guī)格為：65mm×4.5mm)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5777-2008進(jìn)行超聲波檢測(cè)。鋼管為小直徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管，生產(chǎn)工藝為冷軋工藝，鑒于生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，鋼管表面的缺陷有滑痕、裂縫、折疊、翹皮、夾雜、橫裂等;金屬內(nèi)部缺陷主要有裂紋、夾雜、分層等。客戶要求檢測(cè)不銹鋼管內(nèi)表面是否存在劃痕及裂紋。

 目前,小口徑管薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管的超聲波檢測(cè)方法主要為直接接觸法和液浸法。直接接觸法采用橫波斜探頭檢測(cè),手工檢測(cè)效率較低，液浸法適合批量管材的檢測(cè),但須根據(jù)管材的規(guī)格制作工裝?？紤]鋼管數(shù)量較少,故而采用直接接觸法進(jìn)行手工超聲波檢測(cè)。

一、探傷標(biāo)準(zhǔn)

 根據(jù)客戶要求,該批不銹鋼管超聲波探傷采用GB/T 5777-2008《無(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》,該標(biāo)準(zhǔn)適用于外徑不小于6mm,且壁厚與外徑之比不大于0.2的鋼管。

二、探頭選擇

 1. 探頭頻率

 根據(jù)波動(dòng)理論可知,波存在繞射現(xiàn)象,超聲波探傷靈敏度約為λ/2,提高頻率,波長(zhǎng)變短,擴(kuò)散角小,同時(shí)脈沖寬度小,分辨力高,有利于發(fā)現(xiàn)較小的缺陷。但隨著頻率的提高,會(huì)引起超聲波的嚴(yán)重衰減,一般選用2.5 MHz和5 MHz的探頭,管壁較薄的鋼管可選用5 MHz的探頭,管壁較厚的可選用2.5 MHz的探頭。對(duì)于該批鋼管,壁厚為4.5 mm,選用5 MHz的探頭。

 2. 探頭K值分析及計(jì)算

 采用斜探頭探測(cè)縱向缺陷時(shí),必須確保入射到鋼管中的超聲波只有橫波,因?yàn)橥瑫r(shí)出現(xiàn)橫波和縱波會(huì)產(chǎn)生干擾使探傷波形復(fù)雜化,影響缺陷的判斷,且橫波對(duì)缺陷反射比縱波敏感,這對(duì)鋼管中折射波有最小折射角要求;同時(shí)如果折射角過(guò)大,又會(huì)導(dǎo)致聲束無(wú)法掃查到鋼管內(nèi)壁,不銹鋼管內(nèi)壁缺陷無(wú)法檢出,這對(duì)折射波又有最大折射角要求。所以實(shí)際探傷時(shí),所選探頭折射角必須位于最小折射角和最大折射角之間。

  a. 最小折射角

    鋼管內(nèi)折射波無(wú)縱波,只有橫波時(shí)的折射角為最小折射角,根據(jù)折射定律,最小折射角計(jì)算公式為:

   βm in=Sin-1(Cs/CL)(1)

   式中:Cs為管中橫波速度;CL為管中縱波速度;Cs=3200m/s,CL=5900 m/s,則βm in=33°。

  b. 最大折射角

    當(dāng)橫波與鋼管內(nèi)壁相切時(shí)其折射角為最大折射角，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系,最大折射角計(jì)算公式為:

     Sinβmax=(R-T)/R=(D/2-T)/(D/2)=1-2T/D(2)

    即:βmax=Sin-1(1-2T/D)。式中:D為不銹鋼管外徑;T為鋼管厚度。也即欲在管壁中得到純橫波,折射角應(yīng)滿足下式:βm in<β<Sin-1(1-2T/D),由此可得:T/D<(1-Sinβm in)/2=0.23。T/D大于0.23管中折射橫波是射不到管子內(nèi)壁的,因此一般認(rèn)為管子橫波檢測(cè)所允許的T/D最大值為23%。應(yīng)該指出,這里是以聲束軸線掃查到內(nèi)壁為依據(jù)的。事實(shí)上,由于聲束有一定的寬度,聲束軸線稍有偏離聲束仍能探測(cè)到內(nèi)壁面上的缺陷,當(dāng)然,此時(shí)的探測(cè)靈敏度會(huì)有所下降。

    根據(jù)待檢不銹鋼管尺寸,由式(2)求出最大折射角,圖4為探頭主聲束與鋼管內(nèi)壁相切的情況,由三角函數(shù)可得:sinβ=(D/2-T)/(D/2)=(30.5-4.5)/30.5=0.85,因此,β=58°,即K=tanβ=1.6。該K值為探頭聲束探測(cè)到內(nèi)壁的最大值,探傷時(shí)K值取為1.3。

  3. 晶片尺寸

   其他條件不變的情況下,晶片尺寸增大,擴(kuò)散角減小,超聲波聲束指向性好,超聲能量高且集中,未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍大,遠(yuǎn)距離掃查范圍相對(duì)變小,發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷的能力強(qiáng),但相應(yīng)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度增加對(duì)薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管探傷不利。

  由近場(chǎng)長(zhǎng)度公式N=A/πλ可知,晶片面積增加一倍,近場(chǎng)長(zhǎng)度增加兩倍;在晶片面積相同時(shí),頻率降低50%,近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度減小50%。

  由于超聲波存在繞射現(xiàn)象,其探傷靈敏度約為波長(zhǎng)的一半,小于波長(zhǎng)一半的缺陷難以發(fā)現(xiàn)。提高頻率,波長(zhǎng)變短,使發(fā)現(xiàn)這類缺陷成為可能,但近場(chǎng)長(zhǎng)度又隨之增加,可通過(guò)減小晶片面積來(lái)減小近場(chǎng)長(zhǎng)度。加之所探鋼管曲率半徑小,不宜采用大晶片I探頭,因此綜合考慮后選取晶片尺寸為8mm×8mm探頭。

 4. 楔塊修磨

  由于不銹鋼管曲率半徑小，為確保與鋼管表面充分耦合，探頭底面須磨成曲面，其曲率半徑與鋼管外徑一致，常規(guī)斜探頭外形如圖所示。

  按以下步驟對(duì)探頭楔塊進(jìn)行修磨: ① 首先測(cè)出斜探頭主聲束的中心入射點(diǎn)位置,并劃一垂線，②在鋼管外表面裹好金相砂紙,將探頭置于其上,使探頭入射點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)鋼管中心垂線,修磨時(shí)用力須均勻,防止磨偏。

三、對(duì)比樣管制作

  對(duì)比樣管選擇原則為與被檢鋼管缺陷形狀或超聲反射規(guī)律相一致。由于檢測(cè)的目的是針對(duì)鋼管內(nèi)表面裂紋及劃痕,故而選擇V形槽作為人工基準(zhǔn)反射體。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,人工缺陷采用L2.5級(jí),從該批鋼管中取樣管長(zhǎng)度為400mm,采用機(jī)械法進(jìn)行樣管加工,V形槽的極限深度為0.4mm,長(zhǎng)度為20mm。

四、探傷靈敏度確定

  探傷設(shè)備采用CTS-23B超聲波模擬探傷儀,按聲程法調(diào)節(jié)掃描速度,探頭置于管子外圓弧,使內(nèi)壁端角最高反射波位于熒光屏刻度2的位置,然后移動(dòng)探頭,找到外壁端角反射最高波,將其調(diào)到刻度4的位置，此時(shí)掃描速度調(diào)節(jié)完畢。

  將探頭置于對(duì)比樣管外表面,確保探頭與鋼管耦合良好,將樣管內(nèi)壁V形槽反射波調(diào)至示波屏滿刻度的80%,以此作為鋼管探傷靈敏度。掃查時(shí)再提高4dB作為掃查靈敏度。

五、工件檢測(cè)

  1. 探傷掃查

   將靈敏度調(diào)至掃查靈敏度,將探頭沿鋼管外壁螺旋掃查,掃查速度不大于150mm/s,覆蓋率不小于15%,注意探頭移動(dòng)時(shí)保持與不銹鋼管耦合良好,否則出現(xiàn)的油層雜波不利于缺陷的判別。每根鋼管從鋼管兩端沿相反方向各檢測(cè)一次。

  2. 信號(hào)識(shí)別

  缺陷信號(hào)的主要特點(diǎn)是隨著探頭的移動(dòng),缺陷信號(hào)亦沿水平方向移動(dòng)。探頭前進(jìn),缺陷信號(hào)靠近始波,且幅度增高;探頭后退,缺陷波遠(yuǎn)離始波,且幅度降低。這是區(qū)別缺陷波與雜波的主要依據(jù)。如果鋼管完好,儀器熒光屏上除始波外不會(huì)有其他反射波。一旦出現(xiàn)反射信號(hào)就要根據(jù)其所在的位置判斷缺陷的深度和長(zhǎng)度。如果缺陷波最高點(diǎn)位于一次波附近則為內(nèi)壁缺陷,位于二次波附近則為外壁缺陷。當(dāng)缺陷反射波大于基準(zhǔn)波高時(shí),判為超標(biāo)缺陷，鋼管不合格。

 3. 缺陷測(cè)量

  缺陷長(zhǎng)度采用半波法測(cè)量。發(fā)現(xiàn)缺陷后左右移動(dòng)探頭,使缺陷波降到基準(zhǔn)波高的一半找到左右端點(diǎn),兩點(diǎn)之間的距離即為缺陷的長(zhǎng)度。

 4. 檢測(cè)結(jié)果

  經(jīng)檢測(cè),該批不銹鋼管發(fā)現(xiàn)一根存在缺陷,其反射波位于1次波附近,為鋼管內(nèi)壁條狀缺陷,長(zhǎng)度為23mm。通過(guò)射線檢測(cè)進(jìn)行確認(rèn),管子內(nèi)壁的確存在條狀缺陷,長(zhǎng)度為25mm。

六、結(jié)論

  在小直徑薄壁不銹鋼無(wú)縫鋼管手工接觸法超聲波探傷中,探頭的選擇至關(guān)重要,需從頻率、K值、晶片尺寸及楔塊修磨等方面綜合考慮。對(duì)比樣管制作要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求,同時(shí)結(jié)合客戶要求檢出的缺陷類型,選擇最佳的人工缺陷形貌及尺寸。探傷掃查過(guò)程中,由于管徑較小,探傷速度不宜過(guò)快,要保證探頭與鋼管之間耦合良好,耦合劑的用量不宜過(guò)多,以免出現(xiàn)假信號(hào)造成誤判。考慮管材內(nèi)缺陷的方向性,為了防止漏檢,應(yīng)沿相反方向分別進(jìn)行檢測(cè)。探傷過(guò)程中,應(yīng)注意用人工標(biāo)準(zhǔn)樣管校準(zhǔn)探頭和儀器。當(dāng)探頭磨損或儀器性能變化引起探傷靈敏度明顯變化時(shí),應(yīng)及時(shí)更換探頭或調(diào)整儀器。