厚壁鋼管的超聲波探傷技術(shù)研究

厚壁鋼管的超聲波探傷技術(shù)研究

目前，我國大部分地區(qū)的超聲波檢測采用gb/t5777-1996的超聲檢測方法，但該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于壁厚與外徑之比為t/d的薄縫試驗(yàn)。對于t/D>0.2的厚壁管探傷,則只能適當(dāng)參照此標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。厚壁管探傷的難點(diǎn)主要在于入射角α的確定,使其既能滿足純橫波探傷的需要,又能滿足內(nèi)壁探傷的要求。筆者擬通過嚴(yán)格控制檢測參數(shù),采用橫波和縱波同時(shí)探傷,以實(shí)現(xiàn)鋼管的完整探傷。1上地殼下橫波及縱波折射角對于t/D≥0.226的厚壁無縫鋼管,無法實(shí)現(xiàn)純橫波內(nèi)壁探傷,但通過選擇合適的檢測參數(shù),并使之達(dá)到一定的靈敏度,然后用折射縱波檢測管外壁缺陷,折射橫波檢測管內(nèi)壁缺陷,也能達(dá)到較好的檢測效果,其檢測原理如圖1所示。水浸探傷時(shí),由于探頭與工件之間存在一定的距離,則可能因聲束擴(kuò)散而在管內(nèi)產(chǎn)生一些干擾波,增大對缺陷波判斷的難度。為了提高檢測精度,使超聲波束匯聚,能量增加,則必須使用聚焦探頭,并把入射波束限制在一定的角度范圍α內(nèi)。折射橫波要探測到管內(nèi)壁,橫波折射角須滿足sinβS≤rR(rsinβS≤rR(r為鋼管內(nèi)半徑,R為鋼管外半徑),因?yàn)閟inα=cL水cS鋼?sinβS(cL水sinα=cL水cS鋼?sinβS(cL水為水中縱波聲速,cS鋼為鋼中橫波聲速),則有:sinα=cL水cS鋼?rR(1)sinα=cL水cS鋼?rR(1)折射縱波要探測到管外壁,并且不投射到管內(nèi)壁,縱波折射角βL須滿足sinβL≤rRsinβL≤rR,因?yàn)閟inα=cL水cL鋼?sinβL(cL鋼sinα=cL水cL鋼?sinβL(cL鋼為鋼中縱波聲速),同樣有:sinα>cL水cL鋼?rR(2)sinα>cL水cL鋼?rR(2)結(jié)合式(1)和(2),得到入射角α的表達(dá)式為:cL水cL鋼?rR<sinα≤cL水cS鋼?rR(3)α=(arcsin(cL水cL鋼?rR)?arcsin(cL水cS鋼?rR)]α=(arcsin(cL水cS鋼?D?2tD)?arcsin(cL水cS鋼?D?2tD)](4)cL水cL鋼?rR<sinα≤cL水cS鋼?rR(3)α=(arcsin(cL水cL鋼?rR)?arcsin(cL水cS鋼?rR)]α=(arcsin(cL水cS鋼?D-2tD)?arcsin(cL水cS鋼?D-2tD)](4)由式(4)可以看出,入射角度范圍α與各類聲速和t/D有關(guān)。t/D越大,α越小;t/D越小,α越大。入射角度α的選擇是通過調(diào)節(jié)偏心距X來實(shí)現(xiàn)的。由圖1可見:X=RsinαX=Rsinα由式(3)得:cL水cL鋼?r<X≤cL水cS鋼?rcL水cL鋼?r<X≤cL水cS鋼?r2純橫波能掃查入射時(shí)管壁的最厚5入射角α在14.5°～27.5°之間時(shí),縱波在水-鋼界面會發(fā)生全反射,此時(shí)折射波為純橫波。當(dāng)取最小值14.5°入射時(shí),純橫波能掃查到的管內(nèi)壁最厚,此時(shí)t/D≈0.226。對于四種規(guī)格的鋼管?12mm×4mm、?20mm×6mm、?38mm×12mm和?50mm×12mm,t/D依次為0.333,0.3,0.316和0.24,均>0.226,純橫波掃查不到鋼管內(nèi)壁,故需要采用縱/橫波同時(shí)探傷。2.1檢測波長的影響圖2所示是縱/橫波同時(shí)探傷的兩個(gè)臨界點(diǎn)。圖2(a)陰影部分為橫波檢測區(qū)域,圖2(b)中陰影部分為縱波檢測區(qū)域。當(dāng)入射角為最小的入射臨界角α1時(shí),折射縱波剛好與鋼管內(nèi)壁相切;當(dāng)入射角為最大的入射臨界角α2時(shí),折射橫波剛好與鋼管內(nèi)壁相切。在實(shí)際探傷工作中,通過調(diào)節(jié)偏心距X,使超聲波入射角α1<α<α2,即折射縱波角βL范圍為(arcsinrR?arcsinrR?cL水cS鋼)(arcsinrR?arcsinrR?cL水cS鋼),折射橫波角βS范圍為(arcsinrR?cS鋼cL鋼?arcsinrR)(arcsinrR?cS鋼cL鋼?arcsinrR)。在探傷工作中,對同一入射角α,βL-βS>0,兩者之差為arcsincL鋼?sinαcL水?arcsincS鋼?sinαcL水a(chǎn)rcsincL鋼?sinαcL水-arcsincS鋼?sinαcL水,可見,βL-βS的值并不是一個(gè)常量,而是隨著入射角α的增大而增大。按GB5777—1996標(biāo)準(zhǔn)C5級刻制樣管人工缺陷。由于鋼管壁厚與外徑之比很大,所以缺陷的槽深、槽長均在C5級級別內(nèi)選擇了最大的允許值,規(guī)格為1mm(寬)×1.5mm(深)×30mm(長)。四種管徑的鋼管采用縱/橫波同時(shí)探傷時(shí),縱/橫波在各自檢測區(qū)域內(nèi)的最大和最小折射角位置回波當(dāng)量差值如表1所示?；夭ó?dāng)量的差異主要是由于鋼管中不同聲程引起的聲波能量衰減造成的。2.2水中聲程和焦距的確定水層深度是隨管徑的變化而變化的,為避免管材表面多次反射波對探測區(qū)域內(nèi)缺陷回波的干擾,同時(shí)為了使缺陷波出現(xiàn)在第一次與第二次界面波之間,要求水中聲程大于鋼中聲程的二分之一,水中聲程H要滿足:H>cL水cS鋼?R2?r2??????√Η>cL水cS鋼?R2-r2實(shí)際探傷中由于曲面的存在,將使折射后的管內(nèi)聲場發(fā)生較為復(fù)雜的變化,且此變化與焦點(diǎn)進(jìn)入管材的位置有關(guān),只有聚焦點(diǎn)正好落在與聲束中心軸相垂直的管材半徑上時(shí),管中的聲能最為集中,此時(shí)焦距F為:F=H+R2?X2???????√=H+R2?c2L水c2S鋼?r2??????????√F=Η+R2-X2=Η+R2-cL水2cS鋼2?r2經(jīng)計(jì)算,四種規(guī)格的鋼管對應(yīng)的水中聲程和焦距見表2。3管道自動(dòng)化檢測系統(tǒng)的開發(fā)3.1工件直線度誤差測試自動(dòng)化鋼管探傷系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其由三部分組成,第一、三部分是進(jìn)、出料輥道與臺架,輥道固定在臺架上。第二部分是傳動(dòng)和探傷系統(tǒng),探傷器的臺架上分別安裝有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和水箱,水箱內(nèi)設(shè)有探頭架,并在其上面安裝探頭。測試水箱寬度為70mm,超聲波傳感器探頭放置在水箱內(nèi)。探頭和鋼管的相對運(yùn)動(dòng)方式為鋼管旋轉(zhuǎn)前進(jìn),探頭靜止不動(dòng)(但角度和位置可調(diào)),工件穿過水箱,在水箱的兩端頭。根據(jù)工件的管徑設(shè)置定位相同,內(nèi)孔不同的端蓋,端蓋內(nèi)孔采用高分子材料(如聚四氟乙烯)進(jìn)行密封。測量時(shí)被測部分約束在70mm的范圍內(nèi),可有效地減小工件直線度誤差的影響。探傷時(shí)直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)提供,如圖4所示,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的測量。速度由調(diào)速電機(jī)控制。3.2超聲波清洗機(jī)3.2.1探傷系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用四通道超聲波檢測卡PR401,對探傷回波的采樣A/D轉(zhuǎn)換率可達(dá)100MB,脈沖重復(fù)頻率可在250Hz～16kHz之間進(jìn)行調(diào)節(jié),可避免探傷過程中出現(xiàn)混頻信號,并提高探傷速度。系統(tǒng)具有界面波跟蹤,通過A、B閘門的邏輯關(guān)系,容易準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)報(bào)警和定位。報(bào)警采用進(jìn)波方式,整個(gè)探傷系統(tǒng)的誤差控制在3%以內(nèi)。對于軋制拉拔而成的無縫鋼管,選擇工作頻率為5MHz的壓電超聲探頭,探頭外直徑為16mm,柱高40mm,探頭導(dǎo)線長度為2000mm,接口為UHF型號。聚焦探頭可以改善靈敏度和分辨力,線聚焦探頭發(fā)現(xiàn)線狀缺陷的能力比較強(qiáng),結(jié)合無縫鋼管的制造工藝,線狀缺陷是主要缺陷,因此選線聚焦探頭,接收帶寬為1.5～28MHz。超聲波探傷系統(tǒng)硬件連接圖見圖5。3.2.2探傷數(shù)據(jù)的采集開啟多通道超聲波探傷系統(tǒng),啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)開始工作,由于系統(tǒng)PR401每個(gè)通道有獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換電路,最多可采用四個(gè)通道同時(shí)工作。在此采用兩個(gè)通道同時(shí)工作用于直管的自動(dòng)探傷,一個(gè)通道用于彎管的手動(dòng)探傷,另外一個(gè)通道留作備用通道,探傷數(shù)據(jù)通過PCI總線返回給工業(yè)控制計(jì)算機(jī),建立鋼管探傷作業(yè)數(shù)據(jù)庫并同時(shí)通過人機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示。借用工控機(jī)CPU強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,系統(tǒng)可快速完成對探傷數(shù)據(jù)的分析判斷。當(dāng)采集到的回波信號超過所設(shè)定的閾值時(shí),將自動(dòng)觸發(fā)一個(gè)脈沖報(bào)警信號到PLC。由于探頭和用于缺陷標(biāo)記的噴碼器在鋼管的軸向方向有一個(gè)距離,這時(shí)將通過PLC調(diào)用一個(gè)延時(shí)子程序,其延時(shí)時(shí)間是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算的鋼管缺陷點(diǎn)從探頭位置移動(dòng)到噴碼器所需時(shí)間,然后PLC發(fā)出脈沖信號到噴碼器,控制噴碼器在鋼管缺陷位置外進(jìn)行噴碼標(biāo)記。3.2.3界面設(shè)計(jì)與控制程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括人機(jī)界面設(shè)計(jì)和控制軟件設(shè)計(jì)。人機(jī)界面設(shè)計(jì)利用VisualBasic6.0軟件,借助Windows2000操作系統(tǒng),可以很方便地完成人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì),如圖6所示。控制軟件部分主要由PLC實(shí)時(shí)測控軟件構(gòu)成,采用梯形圖邏輯編制,編程容易、簡潔明了、修改方便。包括正常起車、正常運(yùn)行、正常停車、速度調(diào)節(jié)等部分,在PLC運(yùn)行過程中可隨時(shí)響應(yīng)人機(jī)界面的訪問?？刂栖浖噶盍鞒虉D如圖7所示?，F(xiàn)場探傷人員對于不同規(guī)格的鋼管可以調(diào)用不同的探傷工藝參數(shù),并可在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)進(jìn)行速度調(diào)節(jié),既簡化了操作過程,又具有相當(dāng)?shù)撵`活性;軟件可按日期、工件編號和序號進(jìn)行檢索、處理和報(bào)表打印,并可通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。4自動(dòng)化超聲波探傷機(jī)通過對厚壁鋼管超聲探傷的理論分析,計(jì)算出了利用縱/橫波同時(shí)探傷的