水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)鋼管的試驗(yàn)研究

水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)鋼管的試驗(yàn)研究

介紹了一種用于檢測(cè)油氣運(yùn)輸中面埋弧形焊接的自動(dòng)超聲波檢測(cè)方法。即水柱連接法的自動(dòng)超聲波檢測(cè)。它是一種通過(guò)引導(dǎo)水的方法將超聲波傳入鋼管的自動(dòng)超聲波檢測(cè)方法,這種方法容易實(shí)現(xiàn)高速和自動(dòng)檢測(cè)。1折射角220水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)的原理同一般接觸法自動(dòng)超聲波檢測(cè)的原理基本一致。不同的是水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)實(shí)際是一種局部水浸式超聲波檢測(cè),水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)在水柱部位傳播的是縱波,而在鋼管中傳播的是橫波,波型轉(zhuǎn)換發(fā)生在輪和鋼管的界面。當(dāng)縱波的折射角β2=90°時(shí),鋼管中僅有折射橫波;當(dāng)橫波的折射角β1=90°時(shí),鋼管中無(wú)折射波。因此,要實(shí)現(xiàn)純橫波檢測(cè),入射角必須介于第Ⅰ臨界角和第Ⅱ臨界角之間,第Ⅰ臨界角和第Ⅱ臨界角可由折射定律得出:sinα/C水=sinβ1/C鋼1=sinβ2/C鋼2(1)式中C水—1500m/sC鋼1—3230m/sC鋼2—5900m/sα—水中入射角β1—鋼中橫波折射角β2—鋼中縱波折射角可計(jì)算出縱波從水入射到鋼中的第Ⅰ臨界角和第Ⅱ臨界角分別為14.5°和27.3°。即輪式探頭檢測(cè)時(shí)入射角只能界于14.5°和27.3°之間。由于雙面埋弧焊鋼管焊縫中存在的缺陷有縱向和橫向兩種。試驗(yàn)證實(shí),水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)折射角應(yīng)為45°(橫向缺陷)和60°或70°或75°(縱向缺陷),在管內(nèi)激發(fā)純橫波,檢測(cè)靈敏度最佳,如圖1所示。2檢測(cè)到的一些重要參數(shù)的確定2.1超聲檢測(cè)入射角的確定為了提高分辨力,實(shí)現(xiàn)純橫波檢測(cè),在鋼管內(nèi)激發(fā)折射角為45°(橫向缺陷)和60°或70°或75°(縱向缺陷)的折射橫波檢測(cè)靈敏度最佳(水柱耦合法在埋弧焊鋼管焊縫中超聲波傳播如圖1),其入射角可由折射定律得出:sinα/C水=sinβ1/C鋼1(2)式中C水=1500m/sC鋼1=3230m/sβ1=45°(60°、70°、75°)可計(jì)算出輪式探頭縱波入射角α為19.2°(23.4°、25.5°、26.3°),且介于14.5°和27.3°之間,因此,選擇水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)入射角為19.2°(橫向缺陷)、23.4°(縱向缺陷)、25.5°(縱向缺陷)、26.3°(縱向缺陷)左右最佳。2.2次界面波反射水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)鋼管焊縫實(shí)際上是局部水浸式檢測(cè),水浸式檢測(cè)水層距離是一個(gè)非常重要的參數(shù)。水層距離的確定主要考慮鋼管的一次底面波反射必須出現(xiàn)在二次界面波反射之前。所以,水層距離H由下式計(jì)算:H=n1·n2·t/cosαcosβ1·C水/C鋼1(3)式中n1—大于等于1,一般選取2～4n2—橫波在鋼管中的聲程一般選取2～3t—被檢測(cè)鋼管的壁厚,在ERW鋼管中壁厚一般為6～20mmβ1—鋼中折射角(45°、60°、70°、75°)α—水中入射角C水=1500m/sC鋼1=3230m/s由以上綜合計(jì)算可知:H=30mm～50mm左右最佳。3超聲檢測(cè)能力提高自動(dòng)超聲波檢測(cè)的速度比較高,對(duì)檢測(cè)的耦合技術(shù)提出了較高的要求,本文采用的水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)就能滿足這種要求。由于水柱耦合法是將超聲縱波通過(guò)引導(dǎo)水在鋼管表面發(fā)生波型轉(zhuǎn)換為超聲橫波的一種局部水浸法,這種方法滿足了高速運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定耦合要求。因此,水柱耦合法被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)中。4檢測(cè)橫向缺陷水柱耦合法探頭的布置和聲程確定的原則是必須能檢測(cè)整個(gè)焊縫厚度和檢測(cè)所有取向的缺陷。雙面埋弧焊鋼管焊縫中的缺陷分布為縱向和橫向兩類。對(duì)于縱向缺陷一般采用將探頭置于焊縫兩側(cè),用以檢測(cè)焊縫中的縱向缺陷;對(duì)于橫向缺陷一般采用將鈄探頭置于焊縫上(最好是將探頭置于焊縫兩側(cè),這樣超聲波漫反射較少。由于水柱耦合法探頭實(shí)現(xiàn)將探頭置于兩側(cè)檢測(cè)橫向缺陷很困難)用以檢測(cè)焊縫中的橫向缺陷(如圖2所示)。對(duì)于縱向缺陷,檢測(cè)區(qū)域的劃分以焊縫中心線為界,分為上下兩區(qū)域,每個(gè)區(qū)域都由一組獨(dú)立的探頭進(jìn)行掃查。每組水柱耦合法探頭(如圖2中A1-2或B1-2)晶片直徑一般約10mm～12mm,目前雙面螺旋焊鋼管壁厚一般≤20mm,由于使用兩組探頭,為了能掃查到焊縫整個(gè)厚度和綜合考慮近場(chǎng)區(qū)域等因素。一組探頭(如A1-2)掃查下半?yún)^(qū)域,調(diào)節(jié)探頭的位置,使1次最大回波位置對(duì)準(zhǔn)下表面;一組探頭(如B1-2)掃查上半?yún)^(qū)域,調(diào)節(jié)探頭的位置,使2次最大回波位置對(duì)準(zhǔn)上表面。對(duì)于橫向缺陷,超聲波從焊縫上射入焊縫內(nèi)成“Z”字型反射。一個(gè)探頭(如C1)掃查下表面,使1次最大回波位置對(duì)準(zhǔn)內(nèi)表面刻槽;一個(gè)探頭(如C2)掃查上表面,使2次最大回波位置對(duì)準(zhǔn)外表面刻槽。水柱耦合法探頭的布置和聲程的確定如圖2所示,這種布局方法一般稱為“T型”法。5檢測(cè)縱向缺陷水柱耦合法探頭的布置和聲程的確定保證了雙面埋弧焊鋼管焊縫檢測(cè)區(qū)域的深度,而閘門的設(shè)置與調(diào)節(jié)主要是考慮檢測(cè)區(qū)域的寬度。閘門通常由焊縫寬度和檢測(cè)缺陷的需要來(lái)設(shè)置。檢測(cè)缺陷區(qū)域?yàn)楹缚p與熱影響區(qū)。自動(dòng)超聲波檢測(cè)閘門的設(shè)置與調(diào)節(jié)主要考慮閘門的起點(diǎn)與終點(diǎn)(即閘門的長(zhǎng)度)和閘門的高度。對(duì)于檢測(cè)縱向缺陷時(shí),閘門的起點(diǎn)設(shè)置在距焊趾4mm～6mm的豎通孔前端(檢測(cè)熱影響區(qū)缺陷)至少1mm處,閘門的終點(diǎn)設(shè)置在焊縫中心豎通孔后端至少1mm處,保證覆蓋焊縫中心線(如圖3所示為探頭A1、A2的閘門的設(shè)置與調(diào)節(jié)。探頭B1、B2的閘門的設(shè)置與調(diào)節(jié)與探頭A1、A2的相似,這里就不再一一敘述)。這樣2組檢測(cè)縱向缺陷的4個(gè)探頭就保證了檢測(cè)焊縫與熱影響區(qū)(具體寬度由距焊趾豎通孔的位置決定);閘門的高度一般設(shè)置為滿屏幕的60%～80%,若回波幅度低于設(shè)置值時(shí),儀器不報(bào)警,若回波幅度高于設(shè)置值時(shí),儀器報(bào)警。對(duì)于檢測(cè)橫向缺陷時(shí),由于超聲波是在焊縫內(nèi)成“Z字”型反射,只要在界面波和底波之間有反射信號(hào)即為缺陷波,閘門的寬度設(shè)置可設(shè)置在界面波和底波之間(如圖4所示)。閘門的高度一般設(shè)置為內(nèi)或外橫向刻槽超聲波波高的60%～80%,若回波幅度低于設(shè)置值時(shí),儀器不報(bào)警,若回波幅度高于設(shè)置值時(shí),儀器報(bào)警。6波檢測(cè)的人工缺陷的檢測(cè)方法根據(jù)APISPEC5L、GB/T9711.1-1997和GB/T9711.2-1999等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的要求,雙面埋弧焊鋼管焊縫及熱影響區(qū)超聲波檢測(cè)的人工缺陷一般采用刻槽(矩型槽或V型槽)或鉆豎通孔。一般情況下縱向槽的位置在焊趾位置的內(nèi)外表面且槽的長(zhǎng)度為50mm,深度為壁厚的5%、10%或12.5%,寬度為1.0mm;橫向槽的位置垂直于焊縫中心的內(nèi)外表面且槽的長(zhǎng)度為50mm,深度為壁厚的5%、10%或12.5%,寬度為1.0mm;豎通孔的直徑為1.6mm(焊縫的中心位置)或3.2mm(距焊趾4mm～6mm位置)。對(duì)比試塊及其人工缺陷如圖5所示:7檢測(cè)工藝的選擇(1)雙面埋弧焊鋼管焊縫水柱耦合法自動(dòng)超聲波檢測(cè)是一種局部水浸純橫波檢測(cè)(水層距離一般選用30mm～50mm,入射角選用:檢測(cè)橫向缺陷為19.2°左右,檢測(cè)縱向?yàn)?3.4°、25.5°、26.3°左右均可以)。(2)具有獨(dú)特的耦合技術(shù)。(3)在檢測(cè)工藝中必須考慮:探頭的布置與聲程的確定(探