汪　超張志明李雅可呂育棟關(guān)維平

（1.渤海裝備巨龍鋼管南京公司，南京210061；2.四平線路器材廠，吉林四平136001）

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，采用高鋼級管線鋼用于管道建設(shè)是油氣輸送管道發(fā)展的趨勢，因此對高鋼級鋼管母材材質(zhì)的要求也越來越高。在高鋼級雙面直縫埋弧焊管的生產(chǎn)過程中，鋼管的母材很容易產(chǎn)生線性缺陷（裂紋），為了加強鋼管質(zhì)量控制，需要對鋼管母材縱向缺陷進行檢測。在利用普通探頭的檢測過程中，探頭晶片尺寸較小，覆蓋面積不大，檢測花費時間長，效率低，鑒于此，對雙面直縫埋弧焊鋼管母材超聲波檢測探頭進行了研究，根據(jù)超聲波檢測原理以及高鋼級鋼管容易產(chǎn)生的缺陷特征，研發(fā)出了一種超大型晶片K1探頭，有效地提高了鋼管母材的檢測覆蓋面積和檢測效率，確保了鋼管母材非分層缺陷100%的檢出率。

1　超大型晶片K1探頭的研究背景

1.1　標(biāo)準(zhǔn)要求

高鋼級雙面直縫埋弧焊管在預(yù)彎、成型和擴徑等生產(chǎn)過程中，很容易產(chǎn)生線性裂紋，為了確保鋼管質(zhì)量，在檢測過程中必須要進行針對性的缺陷檢測。根據(jù)天然氣輸送管道用X90鋼級直縫埋弧焊管技術(shù)條件，要求對鋼管管端100 mm范圍內(nèi)進行100%非分層缺陷檢測。

1.2　探傷難點及原因分析

超聲波探頭是實現(xiàn)電信號與聲訊號相互轉(zhuǎn)換的器件，是超聲波探傷裝置的重要組成部分。超聲波在傳播過程中遇到障礙時會發(fā)生反射、折射或波形轉(zhuǎn)換，該波形信號與各種缺陷都一一對應(yīng)，因此可以利用被接收的波形來計算缺陷的位置、種類以及數(shù)量等。筆者通過對探頭原理、結(jié)構(gòu)的研究和檢測方法的比較，總結(jié)了超大型晶片K1探頭相比常規(guī)探頭的優(yōu)越性。

根據(jù)上述高鋼級雙面直縫埋弧焊管的生產(chǎn)特征和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選用CTS-23型超聲波探傷儀和常規(guī)超聲波檢測探頭。由于常規(guī)超聲波橫波檢測探頭的晶片尺寸都較小，在鋼管檢測過程中覆蓋面積較小，導(dǎo)致檢測效率相當(dāng)?shù)偷纫蛩?，本研究中采用對超聲波橫波檢測探頭進行分析和研究。

在對雙面直縫埋弧焊管母材檢測過程中，檢測到的主要是線性特征的缺陷，在鋼管使用過程中，線性缺陷是應(yīng)力集中點，有延展的特性，長期使用會導(dǎo)致鋼管爆破，這就要求檢測人員對這類缺陷的檢出率必須達到100%。如何能有效檢測出鋼管母材縱向線性缺陷，在目前使用常規(guī)探頭的檢測過程中，存在檢測局限性，影響生產(chǎn)效率，而超大型晶片K1探頭在檢測過程中能夠克服這些現(xiàn)象。

2　探頭的工作原理與結(jié)構(gòu)特點

2.1　探頭工作原理

超聲波檢測所用探頭主要是利用壓電效應(yīng)制作的，有些單晶和多晶陶瓷材料在應(yīng)力（壓力或張力等）作用下產(chǎn)生應(yīng)變時，晶體中就產(chǎn)生極化或電場，這種效應(yīng)成為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)晶體處于電場中時，由于極化作用，在晶體中就產(chǎn)生應(yīng)變或應(yīng)力，這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱壓電效應(yīng)。當(dāng)一個電脈沖作用到探頭上時，探頭發(fā)射超聲脈沖；反之，當(dāng)一個超聲脈沖作用到探頭上時，探頭產(chǎn)生一個電脈沖。

2.2　超大型晶片探頭結(jié)構(gòu)特點

橫波探頭通常由吸聲材料、斜楔、電纜接頭、電纜線、阻尼塊、自發(fā)自收壓電晶片和外殼幾部分組成。圖1為超大型晶片斜探頭結(jié)構(gòu)示意圖，電纜接頭位于外殼上，透聲斜楔固定在外殼內(nèi)部的下底面上，外殼內(nèi)充滿吸聲材料，自發(fā)自收壓電晶片貼裝在透聲斜楔的斜面上，自發(fā)自收壓電晶片通過電纜線與電纜接頭連接，阻尼塊固定在自發(fā)自收壓電晶片上，探頭為K1探頭，透聲斜楔的斜面與底面夾角為45°，為了保證探頭的探測面積，將自發(fā)自收壓電晶片尺寸設(shè)計成10 mm×40 mm×2 mm，探頭的外殼尺寸設(shè)計成26 mm×48 mm×26 mm。超聲波檢測時通過壓電晶片發(fā)射出超聲波來實現(xiàn)電聲換能。探頭在鋼管母材上做鋸齒形移動，聲束通過耦合劑進入母材，探頭的壓電晶片通過自發(fā)自收的方式確保鋼管母材線性缺陷100%的檢出率。

圖1　超大型晶片K1斜探頭結(jié)構(gòu)示意圖

3　超大型晶片K1探頭的主要技術(shù)要求

3.1　探頭折射角的要求

折射角（或入射角）橫波探頭的入射角一般都在第一臨界角和第二臨界角之間。為了獲得一定的折射角，需要按照其理論公式，根據(jù)有機玻璃和被檢測材料的聲速計算相應(yīng)的縱波入射角，橫波探頭的折射角為45°。

3.2　探頭頻率的要求

探頭頻率的高低是影響定量可靠性的重要因素，頻率越高，檢測靈敏度和分辨率就越高，指向性就好；若頻率降低，探頭的尺寸就應(yīng)該相應(yīng)地增大，否則就不能保證有很好的指向性和提供足夠尺寸的聲陷阱，綜合考慮，該探頭的頻率取2.5 MHz較合適。

3.3　探頭晶片的要求

探頭晶片尺寸大小對聲束指向性、近場區(qū)長度、近距離掃查范圍和遠距離缺陷檢測能力有較大影響。由于所檢測工件為檢測表面比較平整和曲率較大的鋼管，為了減少鋼管檢測時耦合損失，探頭晶片尺寸選取10 mm×40 mm×2 mm最為合理。

3.4　透聲楔尺寸和形狀的要求

透聲楔尺寸和形狀設(shè)計時，選擇合適的長度、寬度和高度是必要的，讓經(jīng)過多次反射的聲波不能返回到晶片上是設(shè)計的原則。因此，探頭入射點至探頭最前端的距離為探頭的前沿，探頭的前沿應(yīng)大到足以使晶片上邊緣發(fā)射聲波，不會經(jīng)前臂與底面形成兩面角反射回來，也要注意使晶片下邊緣發(fā)射聲波，經(jīng)透聲楔反射后不會回到晶片的上邊緣。試驗證明，探頭的外形尺寸為26 mm×48 mm×26 mm，探頭前沿選擇10 mm最為合適。

4　現(xiàn)場應(yīng)用效果

在探頭制作完成后對其性能進行了測試和實際應(yīng)用。以天然氣輸送管道用X90鋼級直縫埋弧焊管技術(shù)條件為例，標(biāo)準(zhǔn)要求對鋼管的管端100 mm范圍內(nèi)進行100%的非分層缺陷檢測。根據(jù)要求，利用鋼管母材部位制作了對比試塊，使用CTS-23型超聲波探傷儀在對比試塊上加工φ1.6 mm的豎通孔，使反射波達到100%作為合格極限。

在對鋼管管端100 mm范圍內(nèi)進行非分層缺陷檢測過程中，采用掃查方式為鋸齒形掃查，每次掃查過程中都至少有10%的覆蓋。利用普通K1探頭和超大型晶片K1探頭分別進行探傷比較。檢測過程中發(fā)現(xiàn)，鋼管母材非分層缺陷的波形圖基本一樣，結(jié)果如圖2～圖5所示。但超大型晶片K1探頭的探傷操作簡便，檢測覆蓋面積大，效率高，大大縮短了檢測時間；同時具有檢測盲區(qū)小、分辨力強、檢測靈敏度高、檢測范圍廣的特點，特別是對鋼管母材線性缺陷有更高的檢出率。該探頭的使用，簡化了檢測工序，提高了生產(chǎn)效率，增強了質(zhì)量控制，優(yōu)化了檢測手段，能夠得到滿意的探傷結(jié)果。

圖2　鋼管母材裂紋波形圖

圖3　鋼管母材裂紋金相圖

圖4　鋼管母材夾雜波形圖

圖5　鋼管母材夾雜物金相圖

5　結(jié)語

超大型晶片K1探頭與探傷儀的綜合性能均滿足計量檢定規(guī)程JIG 746―2004，其靈敏度余量、空載始波寬度、分辨率、遠距離和近距離等技術(shù)指標(biāo)均達到標(biāo)準(zhǔn)要求，性能穩(wěn)定。

實踐表明，超聲波檢測是鋼管母材檢測的有效手段之一。超大型晶片K1探頭的使用，大大縮短了檢測時間，直接提高了鋼管生產(chǎn)效率，增強了產(chǎn)品質(zhì)量控制能力，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，降低了鋼管的質(zhì)量事故風(fēng)險，同時對鋼板軋制質(zhì)量分析具有很好的實用價值。

參考文獻：

［1］API SPEC 5L,管線鋼管規(guī)范（第 44 版）［S］.

［2］ISO 3183,石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件［S］.

［3］GB/T 9711.1―1997,石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第1部分:A級鋼管［S］.

［4］GB/T 9711.2―1997,石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件第2部分:B級鋼管［S］.

［5］JB/T 4730.3―2005,承壓設(shè)備無損檢測 第3部分:超聲波檢測［S］.

［6］中國特種設(shè)備檢驗協(xié)會組織編寫.超聲波探傷（無損檢測Ⅱ級培訓(xùn)教材）［M］.北京:中國勞動社會保障出版社出版，2008.

［7］胡天明.超聲探傷［M］.武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社，1994.

［8］ASTM E273，焊接鋼管焊接區(qū)超聲波檢驗標(biāo)準(zhǔn)操作方法［S］.

［9］汪超，王衛(wèi)華，蘇景富.超聲波雙晶片K1探頭的設(shè)計與運用［J］.焊管，2012，35（02）:20-23.

［10］Q/SY GJX，天然氣輸送管道用X90鋼級直縫埋弧焊管技術(shù)條件［S］.

［11］汪超，武占芳，蘇志.鋼板超聲波自動探傷設(shè)備邊探頭的改進［J］.焊管，2011，34（06）:47-50.

［12］唐繼紅.無損檢測實驗（普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材）［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［13］JIG 746―2004，中國計量檢定規(guī)程［S］.