大口径厚壁焊管超声波串列式自动扫查的应用

为了提高中俄东线天然气管道用X80钢级Φ1422mm×21.4mm大口径厚壁焊管焊缝中部缺陷的检出率,针对常规自动超声波探伤反射回波低、存在漏检风险等问题,采用增加串列式探头组合扫查方法,实现对焊接接头中部位置可能出现的钝边未熔合、钝边未焊透等垂直检测面方向的面积型缺陷的准确检出。试验结果表明,串列式探头的应用形成了焊缝中部独立声束扫查,有效地提高了钝边未熔合、钝边未焊透等缺陷的检测可靠性,使产品质量得到了保障。

1常规自动超声波探伤存在的问题

常规自动超声波检测探头布置为两组横波单斜探头,以“自发自收”方式分别对焊管内、外焊缝纵向缺陷进行检测；两组横波单斜探头以“一发一收”方式分别对内、外焊缝横向缺陷进行检测；一组纵波双晶直探头检测焊缝边缘分层。

设备校验时,纵向缺陷的检测通道以焊缝边角及中心纵向刻槽来确定闸门位置,从声束扩散角度来说,两组4个单斜探头可覆盖整个焊缝。但对于厚壁焊缝来说,主声束的位置是打在焊缝上部和下部,焊缝中部超声波声束灵敏度明显降低。为了弥补焊缝中部超声波灵敏度的降低,特意增加了一对专门检测焊缝中部缺陷的探头。但对于钝边未熔合或未焊透缺陷,常规单探头很难有效检测出,因为此类缺陷表面光滑,方向垂直于卷板轧制面,超声波声束遇到时往往不能沿原路返回,很难被单探头接收,存在漏检风险,反射回路如图1所示。

2自动超声波串列探伤

2.1探伤原理

自动超声波串列探伤主要针对厚板焊缝中未焊透、裂纹等垂直于检测面的危害性缺陷。串列探伤采用两个探头在焊缝同侧按照“一前一后、前发后收”位置布置,利用端角反射原理解决了缺陷与声束不垂直时单探头难以接受反射波的问题。图2为串列探头探伤原理,从图2可看出,缺陷反射波完全被有效接收,可有效杜绝漏检的发生。

2.2串列探头的选择及探头夹具设计

串列探头组合工装如图3所示。横波入射角为35°~55°时端角反射率最高,所以串列探头选择K=1、频率相同且探头声束偏离角不大于2°的两个横波探头。探头直径为25mm,晶片尺寸13mm×13mm,频率4MHz,能够保证声束波长短、能量大、指向好。同时选泽圆形探头,有利于声束指向旋转调节。探头夹具设计时保证两个探头间距可调,前探头高低采用弹性设计,有利于曲面耦合。

2.3样管人工反射体的选择及制作

理论上,串列探头灵敏度校验一般采用平底孔、刻槽、长横孔的反射体。手工串列探伤时,如果采用Φ3mm平底孔做试样很方便制作,且方便定量。但超声波自动探伤时样管制作工序繁琐,需要在钢管焊缝处切下一定尺寸的样块,钻好横向平底孔后再完好焊接回钢管原处,在后期焊接时给焊工带来很大难度,很难保证无缺陷且表面平整度和原来一样。因此,为了既方便制作,又能有效模仿厚壁焊缝未焊透缺陷的形状特征,选择在原钢管试样处的焊缝中部刻槽作为串列反射体。针对中俄天然气管道用Φ1422mm×21.4mm大口径厚壁焊管,采用电火花刻伤机从样管内壁刻槽,槽深13.5mm,然后焊接填充7mm左右,保留中部6mm左右作为反射体。刻槽要求槽宽1mm,槽长25mm,位置在焊缝宽度中心且垂直于板厚方向。串列探头位置如图4所示,图中反射体尺寸为25mm×6mm。由于串列探头K=1,焊管壁厚T=21.4mm,因此KT=21.4mm。

3超声波自动串列探伤的应用

3.1自动串列探头布置及样管反射体校验

如图4所示,首先根据计算结果设置串列中两个探头的相对位置,KT=21.4mm。前探头发射点至焊缝中心距离根据实际串列工装的结构尺寸设定为1.5KT。在试样反射体处静态调整探头声束指向和探头距离,反复微调,使中部纵槽反射最高波达到80%,确定好闸门,静态调整结束。再进行动态走车校验,保证行车的稳定和焊缝跟踪精度。反复试验调整,要求动态校验达标连续不少于6次,中部纵槽和Φ1.6mm竖通孔均完好报出,且反射体波高浮动均在2dB范围内。图5为反射体动态行走校验图,图5中闸门显示的伤波为人工纵槽和Φ1.6mm竖通孔的反射波。由图5可看出,中部人工纵槽及Φ1.6mm竖通孔的反射波均达到校验标准,证明增加的串列探头组可以作为扫查焊缝中部未焊透、裂纹等缺陷的有效措施。

3.2检测流程

待检大口径厚壁焊管经过新型探头组合自动探检测后,若无报警将进入下道手探工序。如串列外通道报警按常规手探复查；如串列探伤通道有报警则在手探岗位复查同时增加射线拍片来确认报警处的缺陷定性定量。图6为超声波串列探头检测现场工作情况,图7为现场检测中焊缝缺陷处报警DR静态抓图。

4结束语

通过以上技术分析和试验论证,自动串列扫查的应用将是常规超声波自动探伤系统必要的补充,可实现大口径厚壁焊管焊缝裂纹、未焊透等垂直检测面方向缺陷的有效检出,也解决了埋弧钢管大壁厚超声波检测全面覆盖的难点。这一技术的成功应用不仅能够降低大口径厚壁焊管漏检风险,也对钢管生产焊接工艺规范的及时调整有着积极的指导意义,对整个生产流程的质控提效和节能降耗起着推动作用。