厚壁钢管探伤原理及自动探伤系统研制

目前国内对无缝钢管进行超声波探伤大都是按照GB/T 5777—1996《无缝钢管超声波探伤检验方法》来执行的,但此标准只适用于壁厚与外径之比t/D<0.2的薄壁管探伤[1]。对于t/D>0.2的厚壁管探伤,则只能适当参照此标准来执行。厚壁管探伤的难点主要在于入射角α的确定,使其既能满足纯横波探伤的需要,又能满足内壁探伤的要求。笔者拟通过严格控制检测参数,采用横波和纵波同时探伤[2],以实现钢管的完整探伤。

1　厚壁管探伤原理

对于t/D≥0.226的厚壁无缝钢管,无法实现纯横波内壁探伤,但通过选择合适的检测参数,并使之达到一定的灵敏度,然后用折射纵波检测管外壁缺陷,折射横波检测管内壁缺陷,也能达到较好的检测效果,其检测原理如图1所示。

水浸探伤时,由于探头与工件之间存在一定的距离,则可能因声束扩散而在管内产生一些干扰波,增大对缺陷波判断的难度。为了提高检测精度,使超声波束汇聚,能量增加,则必须使用聚焦探头,并把入射波束限制在一定的角度范围α内。折射横波要探测到管内壁,横波折射角须满足

2　纵/横波检测方法

入射角α在14.5°~27.5°之间时,纵波在水-钢界面会发生全反射,此时折射波为纯横波。当取最小值14.5°入射时,纯横波能扫查到的管内壁最厚,此时t/D≈0.226。对于四种规格的钢管Φ12 mm×4 mm、Φ20 mm×6 mm、Φ38 mm×12 mm和Φ50 mm×12 mm,t/D依次为0.333,0.3,0.316和0.24,均>0.226,纯横波扫查不到钢管内壁,故需要采用纵/横波同时探伤。

2.1　声束扫查范围

图2所示是纵/横波同时探伤的两个临界点。

图2(a)阴影部分为横波检测区域,图2(b)中阴影部分为纵波检测区域。当入射角为最小的入射临界角α1时,折射纵波刚好与钢管内壁相切;当入射角为最大的入射临界角α2时,折射横波刚好与钢管内壁相切。在实际探伤工作中,通过调节偏心距X,使超声波入射角α1<α<α2,即折射纵波角βL范围为

按GB 5777—1996标准C5级刻制样管人工缺陷。由于钢管壁厚与外径之比很大,所以缺陷的槽深、槽长均在C5级级别内选择了最大的允许值,规格为1 mm(宽)×1.5 mm(深)×30 mm(长)。四种管径的钢管采用纵/横波同时探伤时,纵/横波在各自检测区域内的最大和最小折射角位置回波当量差值如表1所示。

回波当量的差异主要是由于钢管中不同声程引起的声波能量衰减造成的。

2.2　水中声程和焦距

水层深度是随管径的变化而变化的,为避免管材表面多次反射波对探测区域内缺陷回波的干扰,同时为了使缺陷波出现在第一次与第二次界面波之间,要求水中声程大于钢中声程的二分之一,水中声程H要满足: