超聲波探傷通波偏移現(xiàn)象的研究

超聲波探傷通波偏移現(xiàn)象的研究

1鋼管回波信號(hào)的產(chǎn)生目前，我國(guó)公司采用接觸法超聲檢測(cè)。探頭形式為雙向斜探頭(雙發(fā)雙收式組合探頭),即兩個(gè)探頭分別沿相反方向同時(shí)發(fā)射超聲波。超聲波沿管壁呈鋸齒形傳播,當(dāng)探頭入射角按鋼管規(guī)格正確選定后兩個(gè)探頭均可接收到對(duì)面探頭的發(fā)射波,從而得到回波信號(hào)。此信號(hào)的聲程為聲波沿鋼管圓周鋸齒形傳播所走過(guò)的路徑,也可把它看做是單探頭在鋼管半圓周處的自發(fā)自收信號(hào),稱之為“通波”。通常情況下,當(dāng)掃描速度按一定規(guī)格調(diào)好之后,通波位置就不再改變,而我們?cè)趯?duì)?114.3mm×6.35mm(外徑×壁厚)的套管和?267mm×6.6mm的氣瓶管進(jìn)行探傷時(shí),卻發(fā)現(xiàn)通波位置發(fā)生變化。從理論上分析,只有當(dāng)聲程改變時(shí)通波位置才會(huì)變化,針對(duì)引起聲程變化的原因我們進(jìn)行了多方面的探討和研究,并做了大量試驗(yàn)。2試驗(yàn)條件2.1樣品管道?114.3mm×6.35mm,標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷為縱向內(nèi)外C10刻槽(人工槽深度為公稱壁厚的10%)。2.2儀器CTS-23型超聲波探傷儀,水平線性、垂直線性良好。2.3探索之門GZSA-管材專用超聲波探頭(雙向斜探頭),晶片直徑?20mm,頻率2.5MHz,入射角為38°。2.4試驗(yàn)管道的質(zhì)量分析?114.3mm×6.35mm石油套管,鋼極J55,鋼種34Mn5。2.5超聲波測(cè)厚儀TT100型。3試驗(yàn)過(guò)程3.1通波位置觀察與分析在標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷樣管上將掃描速度(水平線性比例)調(diào)好,即始波調(diào)在0格,通波調(diào)在10格,將此狀態(tài)定為初始狀態(tài)。在通波前移的一支?114.3mm×6.35mm的鋼管上取樣約600mm長(zhǎng),取樣后肉眼觀察,發(fā)現(xiàn)此處鋼管壁厚不均。探頭置于圖1中1和2位置,通波位置與初始狀態(tài)相同,如圖1中(a)所示;當(dāng)探頭置于圖1中3位置時(shí),通波位置變化不明顯,與初始狀態(tài)基本相同;當(dāng)探頭置于圖1中4位置時(shí),通波位置前移至示波屏8格左右,如圖1中(b)所示。3.2殘余應(yīng)力對(duì)電磁聲程變化的影響當(dāng)鋼管存在較大的內(nèi)應(yīng)力時(shí),將使超聲波傳播速度和方向發(fā)生變化。而且,近年來(lái)國(guó)內(nèi)探傷專家在電磁聲探傷的研究中發(fā)現(xiàn),鋼管內(nèi)殘余應(yīng)力對(duì)電磁聲的探傷結(jié)果也有很大影響。那么是不是由于殘余應(yīng)力的原因使聲程發(fā)生變化致使通波前移呢?于是,我們把取樣的600mm長(zhǎng)的試樣一分為二,一段保持原有狀態(tài),另一段做500℃～540℃回火處理,保溫1～3h,回火的目的在于消除殘余應(yīng)力。對(duì)熱處理后的試樣做如下試驗(yàn)。3.2.1磁體測(cè)量3.2.1.1.處理前探頭置于圖1中3位置(即壁薄處),通波位置與初始狀態(tài)基本相同;探頭置于圖1中4位置(即壁厚處),通波位置前移。3.2.1.殘余應(yīng)力與通波位置a.探頭置于壁薄處,通波位置與初始狀態(tài)相同;b.探頭置于壁厚處,通波位置前移,如圖2所示。熱處理后和熱處理前通波位置的變化情況完全一致,說(shuō)明通波前移的原因與殘余應(yīng)力無(wú)關(guān)。但從這個(gè)試驗(yàn)中能夠直觀的讀出a、b兩種情況接收到回波的時(shí)間差△t=8×10-6s,折合成聲程為:S=△t×Cs=8×10-6s×3230×106mm/s=25.84mm(1)式中△S—聲程差Cs—鋼中橫波聲速這說(shuō)明探頭在鋼管壁薄處和壁厚處入射時(shí)聲波所走過(guò)的路程不同。3.2.2殘余應(yīng)力消除期試驗(yàn)過(guò)程不再贅述。試驗(yàn)結(jié)果:熱處理后和熱處理前通波位置變化情況完全一致,不同的只是通波幅度。這同樣說(shuō)明通波前移的原因與殘余應(yīng)力無(wú)關(guān)。此時(shí)借助超聲波測(cè)厚儀對(duì)鋼管進(jìn)行測(cè)厚,實(shí)測(cè)值為壁厚最薄處為5.4mm,最厚處為7.6mm,相差2.2mm。按照我公司熱軋中間產(chǎn)品(石油套管類)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)TGGK02.1-2001壁厚偏差為+12.5%?10%+12.5%-10%,即此規(guī)格上偏差為7.2mm,下偏差為5.7mm。由此可見,此管壁厚不均的程度超出了公差范圍。4接頭放置的位置理論上只有當(dāng)聲程不同時(shí),通波位置才會(huì)發(fā)生變化。從以上的試驗(yàn)可知,已經(jīng)排除了殘余應(yīng)力的原因,而電磁聲的試驗(yàn)告訴我們,探頭在鋼管壁薄處和壁厚處入射時(shí)聲程確實(shí)不同,只有從聲學(xué)理論和鋼管的幾何尺寸上研究聲程變化的原因。圖3給出了探頭分別在鋼管壁薄處和壁厚處入射時(shí)聲程的大小。圖中實(shí)線部分為探頭在鋼管壁薄處入射時(shí)的聲波傳播路徑,虛線部分為探頭在壁厚處入射時(shí)的聲波傳播路徑。對(duì)此壁厚不均的?114.3mm×6.35mm的鋼管按1∶1的比例畫圖,分別對(duì)探頭在鋼管壁薄處和壁厚處入射時(shí)的聲程總和進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量結(jié)果為:探頭置于鋼管壁薄處時(shí),所有n次波的聲程總和為505mm,而探頭置于鋼管壁厚處時(shí),所有n次波的聲程總和為480mm,聲程差值△S=25mm,兩個(gè)聲程總和所需的傳播時(shí)間分別為156×10-6s和148×10-6s,時(shí)間差△t=8×10-6s,與前面的電磁聲試驗(yàn)結(jié)果一致,需要指出的是,聲程差值△S的大小由鋼管外徑、壁厚、探頭入射角及壁厚不均的程度而決定。圖3的這四個(gè)因素是任意的,經(jīng)測(cè)量,聲程差值為46mm。這說(shuō)明,不論何種規(guī)格,只要存在壁厚不均,探頭放置鋼管壁薄處和壁厚處時(shí)就會(huì)有聲程差,只不過(guò)是差值的大小不同而已。也就是說(shuō),對(duì)壁厚不均較嚴(yán)重的鋼管而言,探頭放置的位置不同,聲程的大小也不同,這就是造成通波前移的原因。那么為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢?因?yàn)楫?dāng)探頭置于鋼管壁薄處和壁厚處時(shí),雖然探頭的入射角沒有改變,即兩種情況下的折射角相同,但由于壁厚不同,兩種位置時(shí)的一次波聲程就不相同,這樣就致使兩種情況下每次波相對(duì)應(yīng)的聲程都不相等,所以整個(gè)圓周的聲程總和就有差值,正是因?yàn)檫@個(gè)聲程差值導(dǎo)致了通波位置的改變。5超聲檢查設(shè)備的應(yīng)用通過(guò)以上的試驗(yàn)和理論分析得知,導(dǎo)致通波前移的原因是鋼管的壁厚不均,也就是說(shuō)接觸法超聲波探傷可以兼測(cè)壁厚不均較嚴(yán)重的鋼管,若再借助超聲波測(cè)厚儀,就可以測(cè)知精確的壁厚差值。這一研究結(jié)果對(duì)實(shí)際探傷操作具有很大的指導(dǎo)意