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

  目前,小直徑薄壁不銹鋼無縫鋼管的超聲波檢測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)檢測中心接到客戶送樣,要求對其樣品20根不銹鋼無縫鋼管(材質(zhì)為12Gr1MoV,規(guī)格為：65mm×4.5mm)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5777-2008進(jìn)行超聲波檢測。鋼管為小直徑薄壁不銹鋼無縫鋼管，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?？蛻粢髾z測不銹鋼管內(nèi)表面是否存在劃痕及裂紋。

 目前,小口徑管薄壁不銹鋼無縫鋼管的超聲波檢測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,手工檢測效率較低，液浸法適合批量管材的檢測,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。

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,且橫波對缺陷反射比縱波敏感,這對鋼管中折射波有最小折射角要求;同時(shí)如果折射角過大,又會(huì)導(dǎo)致聲束無法掃查到鋼管內(nèi)壁,不銹鋼管內(nèi)壁缺陷無法檢出,這對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到內(nèi)壁面上的缺陷,當(dāng)然,此時(shí)的探測靈敏度會(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)距離掃查范圍相對變小,發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷的能力強(qiáng),但相應(yīng)近場區(qū)長度增加對薄壁不銹鋼無縫鋼管探傷不利。

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

  由于超聲波存在繞射現(xiàn)象,其探傷靈敏度約為波長的一半,小于波長一半的缺陷難以發(fā)現(xiàn)。提高頻率,波長變短,使發(fā)現(xiàn)這類缺陷成為可能,但近場長度又隨之增加,可通過減小晶片面積來減小近場長度。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。

  按以下步驟對探頭楔塊進(jìn)行修磨: ① 首先測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)對準(zhǔn)鋼管中心垂線,修磨時(shí)用力須均勻,防止磨偏。

三、對比樣管制作

  對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。由于檢測的目的是針對鋼管內(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,從該批鋼管中取樣管長度為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

  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一次。

  2. 信號識(shí)別

  缺陷信號的主要特點(diǎn)是隨著探頭的移動(dòng),缺陷信號亦沿水平方向移動(dòng)。探頭前進(jìn),缺陷信號靠近始波,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)反射信號就要根據(jù)其所在的位置判斷缺陷的深度和長度。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. 缺陷測量

  缺陷長度采用半波法測量。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度。

 4. 檢測結(jié)果

  經(jīng)檢測,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,長度為23mm。通過射線檢測進(jìn)行確認(rèn),管子內(nèi)壁的確存在條狀缺陷,長度為25mm。

六、結(jié)論

  在小直徑薄壁不銹鋼無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。探傷掃查過程中,由于管徑較小,探傷速度不宜過快,要保證探頭與鋼管之間耦合良好,耦合劑的用量不宜過多,以免出現(xiàn)假信號造成誤判。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。探傷過程中,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。