周曉鋒，侯 強(qiáng)，高瑞全，趙仁順

（1.天津鋼管制造有限公司，天津 300301；2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

鈦合金具有高強(qiáng)度、低密度、耐腐蝕、耐高溫的特點(diǎn)，是用于高硫化氫和二氧化碳腐蝕環(huán)境的最佳材料，天津鋼管制造有限公司（簡(jiǎn)稱天津鋼管）研發(fā)的鈦合金油管在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了全井應(yīng)用［1］。目前軍用、航空用或其他行業(yè)用鈦合金無縫管，國(guó)內(nèi)外均采用熱擠壓+冷軋工藝生產(chǎn)，該工藝效率低，成本高。為了節(jié)約成本和實(shí)現(xiàn)高效批量生產(chǎn)，科研院所及企業(yè)開始摸索采用PQF 連軋工藝生產(chǎn)鈦合金無縫管［2-8］。

超聲波檢測(cè)是檢測(cè)鈦合金無縫管質(zhì)量的一種重要手段，接觸法超聲波檢測(cè)采用雙向斜探頭（雙發(fā)雙收式組合探頭），即兩個(gè)探頭分別沿相反方向同時(shí)發(fā)射超聲波［9-11］。超聲波沿管壁呈鋸齒形傳播，當(dāng)探頭入射角按鋼管規(guī)格正確選定后兩個(gè)探頭均可接收到對(duì)面探頭的發(fā)射波，從而得到回波信號(hào)。此信號(hào)的聲程為聲波沿鋼管圓周鋸齒形傳播所走過的路徑，也可把它看做是單探頭在鋼管半圓周處的自發(fā)自收信號(hào)，稱之為“通波”［12］。超聲波檢測(cè)時(shí)，鈦合金因顯微組織原因是一種噪聲比較高的材料，且熱軋鈦合金無縫管內(nèi)外表面狀態(tài)相對(duì)較差，尤其是管體內(nèi)壁存在較多的縱向分布的軋制微缺陷，這都會(huì)導(dǎo)致在檢測(cè)過程中出現(xiàn)雜波信號(hào)，從而引起誤報(bào)或錯(cuò)判。在線自動(dòng)超聲波檢測(cè)時(shí)，因聲能衰減快，雜波水平高，導(dǎo)致聲波信號(hào)不穩(wěn)；而采用人工手動(dòng)超聲波檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有時(shí)示波器無“通波”，有時(shí)雜波信號(hào)太高，有時(shí)只能檢測(cè)到缺陷的一次波或二次波，與常見的無縫鋼管探傷大有不同，所以很有必要研究鈦合金無縫管的超聲波探傷方法。

1 超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

目前常用的鋼管超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 5777—2019《無縫和焊接（埋弧焊除外）鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動(dòng)超聲檢測(cè)》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于無縫鋼管和埋弧焊除外的焊接鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動(dòng)超聲橫波反射法對(duì)管材進(jìn)行縱、橫向缺陷檢測(cè)的要求，適用于外徑不小于6 mm 且徑壁比（外徑/壁厚）不小于5 的鋼管的超聲波檢測(cè)。

鈦合金管材的超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)目前僅有GB/T 12969.1—2007《鈦及鈦合金管材超聲波探傷方法》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以人工對(duì)比試樣的反射信號(hào)為依據(jù)，檢測(cè)鈦及鈦合金管材不連續(xù)性缺陷的超聲波檢測(cè)方法，適用于外徑為6～80 mm、壁厚為0.5～4.5 mm，壁徑比（壁厚/外徑）不大于0.2 的冷凝器和熱交換器用鈦及鈦合金無縫或焊接管材的超聲波檢測(cè)。其探傷方法是采用線聚焦探頭利用橫波水浸法進(jìn)行探傷，與普通碳鋼管的探傷方法幾乎相同。樣管人工缺陷深度為被檢管材名義壁厚的12.5%或0.1 mm（選擇二者中的較大者）；探頭頻率要求在5～15 MHz，推薦晶片尺寸為8 mm×6 mm 或10 mm×8 mm 的矩形晶片。

GB/T 12969.1—2007 標(biāo)準(zhǔn)適用的產(chǎn)品均為小直徑、薄壁管材。目前，鈦合金管材的制造工藝已經(jīng)較為成熟。鈦合金管坯制造工藝主要有鉆孔擠壓和斜軋穿孔，再通過軋制、拉拔、旋壓等方法制備出不同規(guī)格和用途的成品管材［13］。天津鋼管采用PQF連軋管機(jī)組，通過穿孔、軋管和定（減）徑工序的工業(yè)化流水線式連軋工藝，生產(chǎn)的Φ88.9 mm×7.34 mm 鈦合金油管規(guī)格超出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)范圍，特別是人工缺陷深度相差較大。目前抗腐蝕管材通常執(zhí)行GB/T 5777—2019 標(biāo)準(zhǔn)U2 探傷等級(jí)，即人工缺陷深度為管材名義壁厚的5%，該等級(jí)遠(yuǎn)高于GB/T 12969.1—2007 標(biāo)準(zhǔn)要求。由于目前國(guó)內(nèi)外還沒有檢測(cè)石油行業(yè)用鈦合金無縫管的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，通過與油田用戶協(xié)商，鈦合金無縫管的超聲波檢測(cè)方法及等級(jí)可參考GB/T 12969.1—2007 標(biāo)準(zhǔn)，執(zhí)行U2 探傷等級(jí)。

鈦合金產(chǎn)品由于其材質(zhì)的特殊性和使用的嚴(yán)格性，一般對(duì)探頭頻率要求較高，在5～15 MHz，這是基于鈦合金產(chǎn)品表面狀態(tài)較好、顯微組織較均勻的情況。而熱軋鈦合金無縫管表面狀態(tài)較差、顯微組織變化較大，選擇高頻率的探頭必然影響探傷效果，通過1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz 等一系列探頭的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2.5 MHz 頻率的探頭比較適合熱軋鈦合金無縫管探傷，晶片尺寸為12 mm×10 mm。

2 表面狀態(tài)對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響

鈦合金材料具有導(dǎo)熱性差、粘性大、金屬流動(dòng)性差，最佳熱塑性區(qū)間較窄等特點(diǎn)，故在熱軋過程中容易在表面產(chǎn)生微缺陷，尤其是在張力減徑環(huán)節(jié)，由于變形量較大、溫度較低，軋制完的成品管表面狀態(tài)相對(duì)較差，特別是管體內(nèi)壁有大量縱向分布的擠壓溝槽缺陷，如圖1 所示。通過解剖、取樣分析發(fā)現(xiàn)，管體內(nèi)壁溝槽缺陷深度在0.05～0.20 mm，呈類似鋸齒狀，熱軋鈦合金無縫管試樣橫截面局部形貌如圖2 所示。

圖1 熱軋鈦合金無縫管表面狀態(tài)

圖2 熱軋鈦合金無縫管橫截面局部形貌

通過對(duì)熱軋鈦合金無縫管進(jìn)行力學(xué)性能、H2S應(yīng)力腐蝕等相關(guān)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，鈦合金無縫管的表面狀態(tài)不影響使用，但嚴(yán)重影響超聲波檢測(cè)，容易出現(xiàn)誤報(bào)和漏報(bào)的情況。在A 型脈沖顯示反射式超聲波檢測(cè)中，示波屏上顯示的雜波［14］主要與以下三個(gè)方面有關(guān)：來自超聲波儀器和探頭本身的電噪聲，超聲波在工件入射面（反射面）上因工件表面粗糙度引起聲波在界面上漫散射的“表面噪聲”，與材料顯微組織有關(guān)的噪聲（本體噪聲）。

2.1 軋態(tài)料在線自動(dòng)超聲波檢測(cè)試驗(yàn)

取Φ88.90 mm×7.34 mm 規(guī)格熱軋鈦合金無縫管，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在管體上加工縱向和橫向人工缺陷，執(zhí)行U2 探傷驗(yàn)收等級(jí)。調(diào)試樣管過程中發(fā)現(xiàn)縱向和橫向人工缺陷不穩(wěn)定，不是每個(gè)通道均能穩(wěn)定連續(xù)檢測(cè)出人工缺陷，校驗(yàn)完樣管后，探傷過程中出現(xiàn)通體報(bào)警現(xiàn)象（縱向外傷），成品鈦合金無縫管自動(dòng)線探傷波形如圖3 所示。通過90°、180°圓周方向旋轉(zhuǎn)管體，以及改變鈦合金管頭尾的前進(jìn)方向，降低前進(jìn)速度等措施，雜波信號(hào)通體報(bào)警沒有得到明顯改進(jìn)。在鈦合金管頭尾兩端分別四象限取樣，拋光后在顯微鏡下觀察并未發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)的缺陷（深度小于0.36 mm），往復(fù)多次試驗(yàn)，探傷結(jié)果相似，初步分析認(rèn)為該情況與管體內(nèi)外表面狀態(tài)有關(guān)，特別是內(nèi)壁溝槽缺陷的反射波導(dǎo)致雜波水平高，或引起波的疊加而導(dǎo)致報(bào)警。

2.2 表面狀態(tài)對(duì)比試驗(yàn)

為了分析熱軋鈦合金無縫管表面狀態(tài)對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響，分別對(duì)鈦合金無縫管進(jìn)行了在線自動(dòng)超聲波檢測(cè)與手動(dòng)超聲波檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。

（1）半成品鈦合金無縫管自動(dòng)超聲波檢測(cè)。

對(duì)定徑前的半成品Φ178.00 mm×8.00 mm 鈦合金無縫管進(jìn)行在線檢測(cè)，自動(dòng)線探傷波形如圖4 所示。由于沒有經(jīng)過定徑環(huán)節(jié)，該半成品鈦合金無縫管的表面狀態(tài)較好，內(nèi)壁無縱向軋制缺陷，超聲波檢測(cè)合格，而且沒有出現(xiàn)大量噪聲報(bào)警現(xiàn)象，重復(fù)探傷6 遍，穩(wěn)定性很好。

圖4 半成品鈦合金無縫管自動(dòng)線探傷波形

（2）對(duì)成品鈦合金管進(jìn)行表面處理對(duì)比試驗(yàn)。

我相信很多人小的時(shí)候也曾百無聊賴地捏死過一只只的螞蟻，當(dāng)別的小朋友搶走手中的玩具的時(shí)候，也曾憤怒地大哭，并且用并沒有殺傷力的小手狠狠地打他，完全忘記了老師曾經(jīng)教過的“分享”啊，“友愛”啊等等。

取一段規(guī)格為Φ88.90 mm×7.34 mm 鈦合金無縫管，分為4 段，分別進(jìn)行不同的修磨處理：1 段內(nèi)壁、2 段內(nèi)外壁、3 段外壁分別修磨掉0.2 mm，內(nèi)壁軋制微缺陷幾乎全部去除；4 段內(nèi)壁修磨掉0.1 mm，內(nèi)壁軸向有多個(gè)條帶的微缺陷未去除，外壁保留原始狀態(tài)，如圖5 所示。

圖5 鈦合金無縫管的表面處理狀態(tài)

對(duì)比分析手動(dòng)接觸法雙向斜探頭檢測(cè)到的“通波”，探頭頻率為2.5 MHz，晶片尺寸為12 mm×10 mm。將每種狀態(tài)的“通波”分別調(diào)至滿屏的80%，其他參數(shù)不變，在樣管同一軸向移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)鈦合金無縫管不同表面狀態(tài)時(shí)超聲波檢測(cè)波形的增益相差較大，試驗(yàn)結(jié)果見表1。其中，2 段與3 段的增益差值最大，達(dá)到15 dB，這可能還與耦合因素、管壁不均等有關(guān)，但主要影響因素是鈦合金無縫管的內(nèi)表面狀態(tài)。鈦合金無縫管不同表面狀態(tài)時(shí)的超聲波檢測(cè)“通波”波形如圖6 所示。

表1 鈦合金無縫管不同表面狀態(tài)對(duì)“通波”的影響

圖6 鈦合金無縫管不同表面狀態(tài)時(shí)的超聲波檢測(cè)“通波”波形

由于鈦合金無縫管表面狀態(tài)差引起聲束散射和衰減，從而導(dǎo)致調(diào)試樣管或動(dòng)態(tài)探傷過程中，靈敏度余量減?。挥捎跓彳堚伜辖馃o縫管內(nèi)壁的溝槽缺陷沿軸向或周向分布都不均勻，或深或淺、或?qū)捇蛘⒒蛎芗蛳∈?，這就導(dǎo)致探頭掃查不同部位時(shí)示波屏上顯示的雜波波幅、缺陷波幅、“通波”波幅各有不同，探傷穩(wěn)定性相對(duì)較差。

從上述分析可知，熱軋鈦合金無縫管的表面狀態(tài)，特別是內(nèi)壁軋制溝槽缺陷對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響比較大。由于鈦合金的特性決定了管材生產(chǎn)過程中，其表面狀態(tài)不可控制，內(nèi)壁存在大量未超出標(biāo)準(zhǔn)要求的軋制微缺陷，導(dǎo)致雜波水平高、靈敏度余量降低、雜波與缺陷波無法識(shí)別、誤報(bào)率高等問題，自動(dòng)超聲波檢測(cè)設(shè)備甚至無法檢測(cè)。熱軋鈦合金無縫管外表面的軋制缺陷深度一般不超過0.1 mm，而內(nèi)表面的軋制缺陷相對(duì)于外表面的要深，且密集，所以內(nèi)壁狀態(tài)對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響大。

3 顯微組織對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響

鈦合金產(chǎn)品的顯微組織與其力學(xué)性能有直接關(guān)系，其微觀組織形態(tài)與熱加工工藝（如管坯加熱溫度、保溫時(shí)間和升溫速度、變形速度與變形量、冷卻速度以及熱處理工藝等）有密切關(guān)系。常見的鈦合金顯微組織有片層組織、等軸組織、網(wǎng)籃狀組織、雙態(tài)組織（等軸α+β 轉(zhuǎn)變組織）和魏氏組織等類型。由于網(wǎng)籃狀組織是在特定的溫度變形才可以形成，熱軋鈦合金無縫管過程中不產(chǎn)生網(wǎng)籃狀組織，同時(shí)熱處理過程中通過工藝控制不產(chǎn)生魏氏組織，故筆者暫不研究網(wǎng)籃狀組織和魏氏組織對(duì)超聲波橫波探傷的影響。熱軋鈦合金無縫管在不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織如圖7 所示，軋態(tài)料頭部與尾部的組織形貌如圖8 所示。

圖7 熱軋鈦合金無縫管在不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織

圖8 熱軋態(tài)鈦合金無縫管的組織形貌

前人研究鈦合金顯微組織與超聲波雜波水平的關(guān)系，主要集中在鈦合金棒材或鍛件方面［14-16］，主要研究縱波檢測(cè)時(shí)微觀組織與雜波的關(guān)系，用平底孔來衡量雜波水平。而熱軋鈦合金無縫管的超聲波檢測(cè)使用橫波檢測(cè)，目前研究橫波檢測(cè)時(shí)鈦合金無縫管的顯微組織與雜波水平的關(guān)系很少。

為了分析熱軋鈦合金無縫管不同的顯微組織對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響，進(jìn)行系列試驗(yàn)。試驗(yàn)樣管規(guī)格為Φ88.90 mm×7.34 mm，探頭用頻率為2.5 MHz，晶片尺寸為12 mm×10 mm 的雙向斜探頭。為了避免樣管表面狀態(tài)因素對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響，故先將試驗(yàn)樣管內(nèi)外壁進(jìn)行扒皮處理，將軋制微缺陷清除掉，同時(shí)保證試驗(yàn)樣管的橢圓度和壁厚不均度一致，加工后的待檢試樣規(guī)格為Φ88.00 mm×6.00 mm；然后，對(duì)樣管進(jìn)行不同工藝的熱處理，以得到相應(yīng)的顯微組織，最后對(duì)各種顯微組織的鈦合金管進(jìn)行縱向超聲波檢測(cè)。

由于橫波在管壁內(nèi)呈“鋸齒形”傳播，故用“通波”或雜波的波幅來衡量顯微組織對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響。鈦合金無縫管不同顯微組織時(shí)的超聲波檢測(cè)“通波”波形如圖9 所示，不同組織對(duì)橫波檢測(cè)的影響見表2。

表2 鈦合金無縫管不同組織對(duì)橫波檢測(cè)的影響

圖9 鈦合金無縫管不同顯微組織時(shí)的超聲波檢測(cè)“通波”波形

通過上述分析可以看出，等軸組織與雙態(tài)組織對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響相對(duì)較小，聲能衰減少，雜波波幅低，該組織均勻無變形，有利于聲波的傳播；而軋態(tài)片層組織由于片層明顯，取向不定，α相被拉長(zhǎng)，故雜波水平相對(duì)較高，聲能衰減相對(duì)較大。因此，對(duì)于橫波探傷熱軋鈦合金無縫管，其雜波水平或“通波”波幅是評(píng)價(jià)顯微組織形態(tài)及均勻性的一個(gè)重要參數(shù)。

4 結(jié)論

（1）熱軋鈦合金無縫管的超聲波檢測(cè)原理與常規(guī)碳鋼無縫管的相同，不同的是熱軋鈦合金無縫管的表面狀態(tài)和微觀組織對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果有較大影響。因此，采用超聲波檢測(cè)熱軋鈦合金無縫管時(shí)，對(duì)比樣管應(yīng)與被檢管的熱處理狀態(tài)完全相同。

（2）熱軋鈦合金無縫管的表面狀態(tài)是影響超聲波檢測(cè)結(jié)果的主要因素，特別是內(nèi)壁軋制溝槽缺陷對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響比較大，會(huì)導(dǎo)致雜波水平高、靈敏度余量降低、雜波與缺陷波無法識(shí)別、誤報(bào)率提高等問題，甚至引起自動(dòng)超聲波檢測(cè)設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，此時(shí)可采用接觸法手動(dòng)超聲波檢測(cè)。

（3）熱軋鈦合金無縫管的顯微組織是影響超聲波檢測(cè)的另一主要因素，等軸組織和雙態(tài)組織對(duì)超聲波檢測(cè)結(jié)果的影響相對(duì)較小，而超聲波檢測(cè)軋態(tài)片層組織的鈦合金無縫鋼管時(shí)，雜波水平相對(duì)較高、聲能衰減相對(duì)較大。因此，對(duì)于橫波探傷熱軋鈦合金無縫管，可以根據(jù)雜波水平或“通波”波幅粗略評(píng)價(jià)顯微組織形態(tài)及均勻性。

（4）用熱連軋工藝生產(chǎn)鈦合金無縫管時(shí)，需要著重解決管材內(nèi)壁軋制溝槽缺陷問題，軋態(tài)鈦合金無縫管再經(jīng)過熱處理得到等軸組織或雙態(tài)組織，才能更有利于進(jìn)行超聲波檢測(cè)。