聶向暉,楊 龍,張鴻博,李記科,李云龍

(1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司管材研究所,西安 710065;2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司,北京 100101)

ERW焊管是利用高頻電流的集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng),將管坯邊緣迅速加熱到焊接溫度后進(jìn)行擠壓、焊接而制成。相對(duì)于無(wú)縫鋼管,ERW焊管具有尺寸精度高、價(jià)格低和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn),并且其晶粒度和組織的致密程度要優(yōu)于無(wú)縫鋼管;與同規(guī)格的埋弧焊管相比,ERW焊管生產(chǎn)速度快,不存在焊縫部位的防腐層局部減薄現(xiàn)象[1-3]。其使用領(lǐng)域涉及到石油鉆采中所用的套管,海洋石油工業(yè)中的海底油氣輸送管,干線及城市管網(wǎng)用油氣輸送管和配氣管等[4]。

雖然國(guó)內(nèi)引進(jìn)ERW焊管生產(chǎn)技術(shù)較早,但在消化、吸收和創(chuàng)新等方面還存在嚴(yán)重不足。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)的ERW焊管質(zhì)量還有一定的差距,其在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管線上的使用也受到了一定的限制[5-7]。ERW焊管的焊接質(zhì)量是影響其使用性能的主要因素,在ERW焊管的試壓及使用過(guò)程中的開(kāi)裂和爆管等事件多是由于焊接缺陷造成的,因而提高ERW焊管的檢驗(yàn)水平,提高焊接缺陷檢出率,對(duì)于保證ERW焊管質(zhì)量,確保ERW焊管管線的安全運(yùn)行具有重要意義。

ERW焊管中可能出現(xiàn)多種焊接缺陷,這些缺陷有的來(lái)自于母材,有的產(chǎn)生于焊接過(guò)程[8-9]。不同缺陷對(duì)焊縫質(zhì)量的影響不同,裂紋和未融合等面積型缺陷在受力條件下容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,是造成焊縫低應(yīng)力脆性斷裂的主要原因;而氣孔和夾渣等體積型缺陷,雖然其開(kāi)裂敏感性要小于面積型缺陷,但是減小了焊縫的有效截面積,降低了焊縫強(qiáng)度,在外力作用下,這些缺陷處也往往會(huì)成為裂紋源,最終導(dǎo)致焊縫的開(kāi)裂。

1 ERW焊管生產(chǎn)過(guò)程中的超聲波檢驗(yàn)

超聲波檢測(cè)是目前ERW焊管生產(chǎn)過(guò)程中的主要無(wú)損檢測(cè)手段,其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：①鋼板超聲波在線檢測(cè)。②ERW 焊接、內(nèi)外毛刺清除后的焊縫超聲波在線檢測(cè)。③ERW焊縫的離線檢測(cè)。④ERW焊管管端的超聲波檢測(cè)。

1.1 鋼板超聲波在線檢測(cè)

鋼板超聲波在線檢測(cè)一般是采用雙晶或多晶探頭,采用水膜法或局部水浸法耦合,其主要目的是檢測(cè)鋼板內(nèi)平行于鋼板表面的分層類缺陷。在掃查方式上主要有兩種：一是沿軋制方向的平行線掃查;二是鋼板沿軋向直線運(yùn)動(dòng)、探頭垂直于鋼板運(yùn)動(dòng)方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng),構(gòu)成“Z”字形掃查。由于鋼板邊緣在隨后的ERW焊接中形成焊縫,因此在鋼板的超聲波檢測(cè)中,該處缺陷的檢測(cè)尤為重要,相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中都要求對(duì)鋼板邊緣進(jìn)行100%的掃查,在實(shí)際工作中一般采用在鋼板邊緣增加探頭數(shù)量的方法來(lái)保證。

1.2 焊縫超聲波在線檢測(cè)

ERW焊縫超聲波在線檢測(cè)是在焊接、內(nèi)外毛刺清除后進(jìn)行的,其主要包括兩部分內(nèi)容：一是利用A掃描或B掃描的方式檢測(cè)內(nèi)外毛刺的刮除效果。相對(duì)于A掃描,B掃描可以實(shí)時(shí)顯示清除內(nèi)毛刺后的焊縫內(nèi)壁形貌,圖形顯示更直觀(圖1);二是縱波傾斜入射,利用其在焊管內(nèi)折射產(chǎn)生的橫波檢測(cè)焊接缺陷。由于此時(shí)焊縫溫度較高,因而在線檢測(cè)一般采用高溫探頭,利用局部水浸法來(lái)進(jìn)行。

1.3 焊縫超聲波離線檢測(cè)和管端檢測(cè)

圖1 焊縫及熱影響區(qū)B掃描圖像

ERW焊縫的離線超聲波檢測(cè)一般是在水壓試驗(yàn)和倒棱后進(jìn)行,主要用于檢測(cè)焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)的縱向缺陷。為了提高檢測(cè)效率,一般采用自動(dòng)檢測(cè)。由于自動(dòng)檢測(cè)中管端盲區(qū)的影響,在其后一般還要增加焊縫的人工超聲波掃查。管端檢測(cè)的內(nèi)容主要包括管端焊縫、管端母材分層類缺陷及軸向和周向缺陷的檢測(cè),分層缺陷的檢測(cè)一般采用分割式探頭,焊縫和母材中的軸向和周向缺陷多采用斜探頭掃查的方法。

2 ERW焊縫超聲波檢測(cè)工藝參數(shù)的選擇

ERW焊縫的超聲波檢測(cè)主要包括自動(dòng)檢測(cè)和人工檢測(cè)兩種方法。目前ERW焊縫的自動(dòng)檢測(cè)主要采用輪式探頭檢測(cè)和局部水浸法檢測(cè)兩種形式[10]。自動(dòng)檢測(cè)具有檢測(cè)效率高、速度快的優(yōu)點(diǎn),但是不利于缺陷的精確定位及定性、定量分析;相比較而言,人工檢測(cè)的靈活性要更高一些,不僅可以對(duì)缺陷進(jìn)行精確的定位,還可以通回波特征及動(dòng)態(tài)波形來(lái)進(jìn)行缺陷的定性及定量分析。對(duì)于自動(dòng)超聲波檢測(cè)出的缺陷,一般使用人工的方法來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)。ERW焊縫的超聲波檢測(cè)需要考慮的工藝參數(shù)包括折射角、聲束寬度和檢測(cè)頻率等。

2.1 折射角的選擇

ERW焊縫的超聲波檢測(cè)一般采用縱波傾斜入射,在工件和焊縫中通過(guò)波型轉(zhuǎn)換生成橫波來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè),其兩個(gè)基本條件是,①在母材和焊縫中激發(fā)出純橫波。②橫波聲束掃查到鋼管內(nèi)壁(圖2)。

圖2 橫波檢測(cè)ERW焊縫示意圖

由反射和折射定律可知,在焊管中激發(fā)出純橫波的條件是：

式中β為橫波折射角;CS2為鋼中橫波聲速,其值為3 230m/s;CL2為鋼中縱波聲速,其值為5 900 m/s。

帶入相關(guān)數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算可知,當(dāng)β≥33.2°時(shí),在焊管內(nèi)激發(fā)的是純橫波。

由圖2可以看出,橫波聲軸線掃查到焊管內(nèi)壁的條件是：

式中r和R分別為焊管的內(nèi)半徑和外半徑。所以在焊管中激發(fā)出純橫波,并且掃查到焊管內(nèi)壁的條件是：

即焊管中橫波折射角的下限為固定值33.2°;而其上限隨r/R的變化而變化,r/R數(shù)值越大,其范圍也就越大。

根據(jù)鋼/空氣界面的端角反射率圖譜可知：橫波入射時(shí),當(dāng)其入射角在35°～55°之間時(shí),橫波全反射,端角反射率達(dá)100%。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中,焊管內(nèi)的聲束折射角一般采用45°(K1),采用這種折射角的優(yōu)勢(shì)是：在檢測(cè)過(guò)程中不容易激發(fā)出表面波,干擾信號(hào)小;對(duì)于焊縫及熱影響區(qū)的裂紋、表面未熔合、錯(cuò)邊和內(nèi)凹等表面開(kāi)口缺陷敏感[11]。

但是對(duì)于ERW焊管來(lái)說(shuō),其壁厚一般較薄,薄壁對(duì)接焊縫中的面積型缺陷與母材表面的夾角較大,因而一般的標(biāo)準(zhǔn)中多規(guī)定對(duì)于薄壁對(duì)接焊縫采用大折射角橫波進(jìn)行檢測(cè),如GB/T 11345標(biāo)準(zhǔn)《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》中對(duì)于母材板厚≤25 mm的焊縫,推薦使用的折射角為70°(K2.5,K2.0);SY 4065標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)母材壁厚為5～8mm 的焊縫,推薦的折射角為 71.5°～68.2°(K3～K2.5),母材壁厚 ＞8～30mm 的焊縫,推薦的折射角為68.2°～56.3°(K2.5～K1.5);JB/T 4730.3標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分 超聲檢測(cè)》中對(duì)母材壁厚6～30mm的焊縫,推薦的折射角為72°～60°(K3.0～K2.0)等。這些標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于薄壁對(duì)接焊縫推薦使用大折射角橫波檢測(cè)的目的也是為了增大聲束軸線與缺陷表面間的夾角,增加聲壓反射率,提高指向性不好的缺陷的檢出率。

對(duì)于ERW焊縫,其熔合部分寬度較窄,焊接缺陷多為面積型缺陷,且與母材表面基本垂直。當(dāng)采用小折射角橫波掃查時(shí),由于缺陷的有效聲束反射面積小,聲壓反射率低,往往容易漏檢。因而在實(shí)際檢測(cè)工作中,不應(yīng)單一采用45°(K1)橫波進(jìn)行掃查。為了兼顧焊縫內(nèi)部的徑向面積型缺陷的檢測(cè),還應(yīng)采用大折射角的橫波進(jìn)行掃查。

2.2 聲束寬度(晶片尺寸)的選擇

聲束寬度或晶片尺寸的選擇要綜合考慮橫波檢測(cè)過(guò)程中表面波和縱波的影響、聲束發(fā)散的影響以及檢測(cè)過(guò)程中可能激發(fā)出的板波的影響。

如圖3所示,在ERW焊管的超聲波檢測(cè)中,聲束傾斜入射至水/鋼或有機(jī)玻璃/鋼界面時(shí),在聲束或晶片的邊緣與中心處的入射角是不同的,其中聲束上邊緣的入射角α1大于聲軸線的入射角α,而下邊緣的入射角 α2＜α。

圖3 聲束入射角示意圖

α1和α2的表達(dá)式分別為：

式中d為入射縱波聲束或晶片在垂直于焊管軸線方向上的寬度;D為焊管外徑。從上面的公式可以看出,當(dāng)超聲波聲軸線的入射角一定時(shí),其聲束上邊緣的入射角α1隨d/D的增大而增加,當(dāng)其超過(guò)第二臨界角αⅡ時(shí),就會(huì)在焊管表面激發(fā)出表面波,對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾;聲束下邊緣的入射角α2隨d/D的增大而減小,當(dāng)其小于第一臨界角αⅠ時(shí),就會(huì)在焊管內(nèi)激發(fā)出縱波,同樣會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾。

目前國(guó)內(nèi)常用斜探頭的K值主要為1,1.5,2和3,其對(duì)應(yīng)的鋼中折射角、有機(jī)玻璃、水中的入射角及有機(jī)玻璃和水中的第一、第二臨界角等相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同K值所對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)

利用式(4)和(5)可以得到不同折射角時(shí),水中和有機(jī)玻璃中α1和α2與d/D之間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖中當(dāng) α1＞αⅡ(如 57.7°和 26.7°)時(shí),會(huì)在焊管中激發(fā)出表面波;當(dāng) α2＜αⅠ(如 27.6°和 14.2°)時(shí),鋼中不僅有折射橫波,還有折射縱波。從圖中還可以看出,鋼中折射角越大,在焊管中越容易激發(fā)出表面波;鋼中折射角越小,在焊管中越容易產(chǎn)生縱波。對(duì)于相同的折射角,在有機(jī)玻璃/鋼界面激發(fā)出純橫波的d/D的范圍要比水/鋼界面大得多。在實(shí)際檢測(cè)中要根據(jù)不同折射角的要求,選擇合適的d/D,以確保在鋼中產(chǎn)生純橫波。

對(duì)于局部水浸法檢測(cè),因?yàn)槌暡ń鼒?chǎng)區(qū)大部分落在水柱中,因而可不考慮近場(chǎng)區(qū)的影響,而對(duì)于斜探頭接觸法檢測(cè),則應(yīng)考慮近場(chǎng)長(zhǎng)度和擴(kuò)散角對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。對(duì)于一定的檢測(cè)頻率和檢測(cè)對(duì)象,晶片尺寸越大,近場(chǎng)長(zhǎng)度也越大,擴(kuò)散角越小,較小的擴(kuò)散角有利于聲束的聚集,提高缺陷的檢出率。此外,對(duì)薄壁ERW鋼管,若晶片尺寸過(guò)大,粗大的超聲波會(huì)在焊管薄壁中反射并形成疊加干涉,從而可能激發(fā)出某種模式的蘭姆波,造成較大回波干擾。

2.3 檢測(cè)頻率的選擇

超聲波檢測(cè)的頻率范圍較寬,一般為0.5～10 MHz,頻率的選擇主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：

(1)超聲波檢測(cè)的靈敏度約為λ/2,提高頻率有利于發(fā)現(xiàn)更小缺陷。此外,頻率越高,脈沖寬度越小,分辨力也越高。

(2)頻率高,波長(zhǎng)短、半擴(kuò)散角小、聲束指向性好、能量集中,有利于發(fā)現(xiàn)缺陷并對(duì)缺陷定位。但是對(duì)于相同的晶片尺寸,頻率越高,近場(chǎng)區(qū)越大,對(duì)檢測(cè)越不利。

(3)頻率增加,超聲波的散射和吸收衰減急劇增加,對(duì)檢測(cè)不利。

在檢測(cè)中要綜合考慮各方面的因素,合理選擇檢測(cè)頻率。對(duì)于ERW焊管,其母材一般為熱軋板卷,晶粒比較細(xì)小。經(jīng)感應(yīng)加熱、擠壓成型后的焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)的寬度較窄,且其晶粒度基本與母材相當(dāng)。在實(shí)際工作中,為了獲得較高的分辨力,應(yīng)在保證檢測(cè)靈敏度的前提下盡可能選用較高的頻率,一般為2.5～5 MHz之間。

3 參考試塊

參考試塊是ERW焊縫超聲波檢測(cè)靈敏度的確定依據(jù),APISpec 5L《管線管規(guī)范》和GB/T 9711《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于鋼管焊縫的超聲波檢測(cè),要求使用帶有N10刻槽或φ3.2 mm豎通孔的對(duì)比試塊,以人工反射體回波的100%作為缺陷判定基準(zhǔn)。實(shí)際工作中一般采用如圖5所示試塊。

圖5 ERW焊縫超聲波檢測(cè)對(duì)比試塊

試塊具有豎通孔及內(nèi)外刻槽,位于焊縫中心的豎通孔和刻槽用于靈敏度調(diào)節(jié),位于熱影響區(qū)的內(nèi)外刻槽可用于確定超聲波的有效掃查范圍,以保證聲束覆蓋整個(gè)焊縫及熱影響區(qū),并且可以確定熱影響區(qū)部位的檢測(cè)靈敏度,在檢測(cè)靈敏度要求較高時(shí),也可選用φ1.6 mm豎通孔和N5刻槽進(jìn)行標(biāo)定。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在ERW焊管的超聲波檢測(cè)中,為了保證在焊管中激發(fā)出純橫波,并且掃查到焊管內(nèi)壁,焊管中橫波折射角范圍的下限是33.2°,其上限隨焊管的內(nèi)外徑比r/R的變化而變化,r/R數(shù)值越大,其范圍也就越大。

(2)焊管內(nèi)的聲束折射角為45°時(shí),對(duì)于焊縫及熱影響區(qū)表面開(kāi)口缺陷具有較高的檢測(cè)靈敏度。但是為了兼顧焊縫內(nèi)部的徑向面積型缺陷的檢測(cè),還應(yīng)采用大折射角的橫波聲束進(jìn)行掃查。