大直縫焊管鋼板超聲波探傷的幾種掃查方式淺析
北京華海恒輝科技有限公司
摘 要 本文介紹了大直縫焊管用鋼板超聲波探傷的三種掃查方式：橫向掃查、縱向掃查和擺動(dòng)掃查，并分別從探頭與鋼板的相對運(yùn)動(dòng)方向、結(jié)構(gòu)、探傷軌跡、探頭數(shù)量和對探傷機(jī)的要求等方面逐一作了分析和比較。
關(guān)鍵詞 鋼板 超聲波探傷 掃查 橫向 縱向 擺動(dòng)
Analyses to Several UT Scanning Methods to Steel Plate Used by Large Longitudinal Welded Pipe
Abstract Three types of UT scanning methods of transverse scanning, Longitudinal scanning and swinging scanning to steel plate used by large longitudinal welded pipe are introduced herein. Detailed analyses and comparisons are also made from the aspects such as the relative moving direction between probes and the steel plate, configurations, the inspection traces, the quantity of probes used and requirements to the detector.
Key Words Steel Plate UT Inspection Scanning Transverse Longitudinal Swinging
1.概述
借國家大力開發(fā)西部、建設(shè)中哈及西氣東輸?shù)裙芫€的強(qiáng)勁東風(fēng)，我國大力發(fā)展了大口徑直縫焊管的生產(chǎn)，彌補(bǔ)了螺旋焊管的不足，使我國的焊管工業(yè)又躍上了一個(gè)新的臺(tái)階。大口徑直縫焊管高壓輸送是石油天然氣長輸、高壓、大流量管道的發(fā)展趨勢。
大直縫焊管的原料為熱軋鋼板，板厚6~40mm，板寬655~4500mm，板長8~12.2m。鋼板中常見的缺陷有分層、夾渣、裂紋和白點(diǎn)等，其中分層和夾渣是鋼板中*為常見的缺陷。超聲波法是檢測鋼板分層缺陷的一種行之有效的方法，在自動(dòng)掃查時(shí)，一般采用水膜脈沖反射式探傷。
2. 掃查
2.1基本概念
在進(jìn)行超聲波探傷時(shí)，探傷面上探頭與試件的相對運(yùn)動(dòng)稱為掃查。掃查一般考慮兩個(gè)原則，一是保證鋼板的整個(gè)檢查區(qū)有足夠的聲束覆蓋以避免漏檢；二是掃查過程中聲束入射方向始終符合標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的要求。
2.2掃查方法與探傷標(biāo)準(zhǔn)
直縫焊管的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)很高，國際上公認(rèn)的和應(yīng)用*廣泛的管線規(guī)范有：
A．API SPEC 5L（第43版）*； B．ISO3183.1（2；3）[equ GB/T 9711.1（2；3）]*。
國內(nèi)外許多石油公司在具體的管線建設(shè)中都把這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還根據(jù)實(shí)際需要制定了許多的補(bǔ)充技術(shù)規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)和補(bǔ)充規(guī)范都要求鋼板必須先進(jìn)行超聲波探傷后才能制成鋼管。
由于鋼管用途不同，生產(chǎn)鋼管的標(biāo)準(zhǔn)各異，鋼板超聲波探傷執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)也就各異，常見的探傷標(biāo)準(zhǔn)有：
A．ASTM－A578／A 578M－92*； B．GB／2970.91*；
C．SY／T6234.5－1999* D．ZB J74 003－88*
不同的探傷標(biāo)準(zhǔn)決定了掃查方法亦不相同，一般可分為**掃查、格子線掃查、邊緣掃查及列線掃查。
1)．**掃查：在整個(gè)板面上進(jìn)行**積（100%）掃查。相鄰掃查線之間應(yīng)有100%的有效波束覆蓋。
2)．格子線掃查：在板邊緣的一定范圍，如50mm以內(nèi)，作**積掃查，其余部分劃成例如200×200mm的方格子線，探頭沿格子線掃查。
3)．邊緣掃查：在板材邊緣，例如50mm的區(qū)域內(nèi)**積掃查。
4)．列線掃查：在整個(gè)板材的探測面上，沿垂直板的壓延方向劃出例50或100mm間隔
的直線，探頭沿此直線掃查，列線亦可平行壓延方向。
將不同的探傷標(biāo)準(zhǔn)與掃查方法作一個(gè)分析對照（見表1）：
由表1可知，焊管生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)、制造鋼板超聲波探傷設(shè)備，首先應(yīng)靈活而滿意地執(zhí)行國內(nèi)（外）所有探傷標(biāo)準(zhǔn)，而且還要滿足生產(chǎn)節(jié)拍（生產(chǎn)節(jié)拍一般為4~6分鐘/張）。
表1 探傷標(biāo)準(zhǔn)與掃查方法對照表
探傷標(biāo)準(zhǔn) | 板 內(nèi) 掃 查 方 法 | 板周邊
掃查方法 |
ASTM A578-92 | 1． 連續(xù)沿著相互垂直的格子線中心進(jìn)行掃查，格子線間距為9
英寸（225mm）或根據(jù)制造廠的選擇。 2． 連續(xù)沿垂直于板的壓延方向的平行線的中心進(jìn)行掃查，掃查
間距4英寸（100mm）或3英寸（75mm）。 3．連續(xù)沿著板的主壓延方向的平行線的中心線進(jìn)行掃查，掃查
間距為3英寸（75mm）或更小。 | 2英寸
（50mm）
100%掃查 |
GB/T 2790-91 | 探頭沿垂直于鋼板軋制方向，間距不大于100mm的平行線進(jìn)行
掃查。 | 50mm
100%掃查 |
SY/T 6243.5-1999 | 1．沿平行或垂直于鋼板軋制方向的等間距掃查線；掃查間距
分別為100、150和200mm。 2．對應(yīng)的*小覆蓋范圍分別為20%、10%和5%。 3．探頭擺動(dòng)掃查時(shí)，*小覆蓋范圍應(yīng)為對應(yīng)給定值的一半。 | ≥15mm
100%掃查 |
ZB J74 003-88 | 探頭沿垂直于鋼板壓延方向，間距為100mm的平行線進(jìn)行掃查。 | 50mm
100%掃查 |
3. 掃查方式與探頭數(shù)量
探頭相對鋼板的掃查方式有：縱向掃查、橫向掃查和擺動(dòng)掃查（即橫向梳掃）。
3. 1 縱向掃查：
探頭平行于鋼板壓延方向作相對運(yùn)動(dòng)的檢查方法為縱向掃查，如圖1。
圖1 縱向掃查結(jié)構(gòu)工作示意圖 圖2 縱向掃查探傷線示意圖
顯而易見，縱向掃查的探傷軌跡為平行直線（見圖2），圖中平行線之間的間距T可隨鋼管的探傷標(biāo)準(zhǔn)而改變，T=75、100、150、200、225mm。
1).探頭數(shù)量：探頭數(shù)量多少由鋼板寬度及探傷標(biāo)準(zhǔn)決定。若鋼板作直線運(yùn)動(dòng)而探頭不動(dòng)的在線超聲波探傷，按掃查要求擺放探頭，如：板寬4500mm鋼板（φ1420鋼管），實(shí)施GB/T2970的1級(jí)探傷標(biāo)準(zhǔn)，作間距100mm掃查，則需要：
A．主探頭：（4500-2×50）/100=44只。
B．兩縱邊探頭：2×3=6只（二邊各三只，因?yàn)橐恢惶筋^晶片尺寸為φ20mm，考慮到50mm之內(nèi)掃查100%覆蓋，至少需要3只探頭）。
C．兩橫邊（板頭板尾）探頭：1×3=3只。在主探架前方平行增加一個(gè)橫邊副探架（橫邊探頭在其探架上可作返往直線運(yùn)動(dòng)），如圖1。以上共計(jì)探頭數(shù)量為53只。
2).縱向掃查對探傷機(jī)的要求：
A．因?yàn)樘筋^數(shù)量多，因而要求的探傷儀通道數(shù)多。
B．因?yàn)樘筋^數(shù)量多，因而探頭的夾持機(jī)械手及其升降機(jī)構(gòu)（利于上、下料時(shí)保護(hù)探頭）也多。
3. 2 橫向掃查
探頭垂直于鋼板的壓延方向作相對運(yùn)動(dòng)的檢查方法為橫向掃查，結(jié)構(gòu)形式如圖3。
A) B)
圖3 橫向掃查結(jié)構(gòu)工作示意圖
橫向掃查與縱向掃查方式基本一樣，探傷軌跡也為平行直線（見圖4），只是橫向掃查的探頭數(shù)量由于一次掃查的范圍增大而比縱向掃查的探頭數(shù)量多。若探頭數(shù)量不多，則可采用結(jié)構(gòu)圖3- B），鋼板作步進(jìn)（間歇）直線運(yùn)動(dòng)，探頭垂直于鋼板壓延方向往返掃查，但它的檢驗(yàn)節(jié)拍慢。
圖4 橫向掃查探傷軌跡示意圖
3.3擺動(dòng)掃查（即橫向梳掃）
按一定間距固定的若干探頭沿垂直于鋼板壓延方向排布，并沿垂直于鋼板壓延方向作橫向擺動(dòng)，同時(shí)鋼板縱向作勻速直線連續(xù)運(yùn)動(dòng)并通過探頭的檢查方法稱為擺動(dòng)掃查。縱邊探傷由縱邊探頭沿鋼板壓延方向掃查。橫邊探傷由主探頭多次往返作垂直于鋼板壓延方向掃查。在橫邊探傷時(shí)，鋼板必須緩慢前進(jìn)，保證探傷100%。結(jié)構(gòu)見圖5。
圖5 擺動(dòng)掃查結(jié)構(gòu)示意圖 圖6 擺動(dòng)掃查探傷線示意圖
探頭橫向擺動(dòng)裝置一般采用電機(jī)--曲柄滑塊機(jī)械傳動(dòng)。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)曲柄作整周連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過連桿可帶動(dòng)滑塊作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)?；瑝K下垂直掛著一排可上下升降約200mm的主探頭。曲柄長度和探頭間距均可調(diào)。
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)探頭作往返運(yùn)動(dòng)，則探頭沿垂直于鋼板壓延方向作一正（余）弦曲線運(yùn)動(dòng)，而鋼板作勻速直線運(yùn)動(dòng)，我們將這兩個(gè)速度合成，則可得出探頭在鋼板上的探傷軌跡線(見圖6)，在圖6中A為擺幅（擺幅A為曲柄長度的二倍），K為探頭間距，S為螺距（隨鋼板運(yùn)動(dòng)速度而變化），A、K、S可隨板寬和探傷標(biāo)準(zhǔn)不同而調(diào)整，K≤A。
1).探頭數(shù)量：如探頭以250 mm掃查間距擺放，則主探頭需要18只，縱邊探頭需要6只，共計(jì)24只探頭。由此可見，擺動(dòng)掃查所需探頭數(shù)量及儀器通道數(shù)明顯比縱向、橫向掃查的減少很多。
擺動(dòng)掃查的特點(diǎn)：
相對于單純的全覆蓋縱（橫）向掃查及往復(fù)式縱（橫）向掃查，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)度高、體積小、通道數(shù)少、運(yùn)行平穩(wěn)可靠等特點(diǎn)。
A.鋼板兩橫邊：主探頭垂直于壓延方向100%掃查；
B.鋼板兩縱邊：邊探頭平行于壓延方向100%掃查；
C.鋼板內(nèi)部：主探頭垂直于壓延方向擺動(dòng)100%掃查。
2).對探傷機(jī)的要求：
A. 因探頭數(shù)量少，探傷儀通道數(shù)也少。
B. 因探頭數(shù)量少，探傷機(jī)械部分很簡單。
C. 對主探頭有橫向擺動(dòng)的要求。
D. 對邊探探頭的要求：只需兩組縱向邊探。其邊探架與縱向（橫向）掃查方式的邊探架一樣，也應(yīng)有板邊跟蹤和升降功能。
3. 4 比較
將上述三種掃查方式作一比較 (見表2)。
表2 縱向掃查、橫向掃查和擺動(dòng)掃查比較表
內(nèi)容 | 縱向掃查 | 橫向掃查 | 擺動(dòng)掃查 |
主探頭相對鋼板壓延方向 | 平行 | 垂直 | 垂直 |
板四周邊掃查 | 100% |
板內(nèi)部掃查軌跡 | 平行直線 | 平行直線 | 正（余）弦曲線 |
探頭總數(shù)量 | 多 | 圖3-A多 圖3-B少 | *少 |
探傷儀通道數(shù) | 多 | *多 | *少 |
探傷設(shè)備建設(shè)成本 | 多 | *多 | 少 |
探傷設(shè)備維護(hù)成本 | 多 | *多 | 少 |
檢驗(yàn)節(jié)拍 | 快 | 圖3-A快 圖3-B慢 | *快 |
探傷標(biāo)準(zhǔn) | 均能滿足表1中的探傷標(biāo)準(zhǔn) |
說明：
1. 所有比較是對同一規(guī)格鋼板檢測的前提下。
2. 維護(hù)成本包括備品備件和生產(chǎn)成本。
4. 結(jié)束語
我廠直縫分廠的鋼板探傷采用的是擺動(dòng)掃查，該設(shè)備已使用二年多，機(jī)械性能穩(wěn)定，故障少，能滿足不同的探傷標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。
參考資料
1. 西氣東輸工程項(xiàng)目部 《西氣東輸工程X70管線試制與技術(shù)條件》
2. API SPEC5L（第43版） 《管線鋼管規(guī)范》
3. Iso3183 《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件》
4. ASTM A 578/ A 578M-92 《特殊用途普通鋼板和復(fù)合鋼板直射聲速超聲檢測規(guī)范》
5. GB/T9711.1-1997 《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(jí)鋼管》
6. GB/T9711.2-1997 《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(jí)鋼管》
7. GB/T2970-91 《中厚鋼板超聲波檢驗(yàn)方法》
8. SY／T6234.5－1999 《石油天然氣工業(yè)水承壓鋼管無損探傷檢測方法 焊接鋼管制造用鋼帶/鋼板分層缺欠的超聲波檢測》
9. ZB J74003-88 《壓力容器用鋼板超聲波探傷》
10. 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測學(xué)會(huì)編 《超聲波探傷（無損檢測Ⅱ級(jí)培訓(xùn)教材）》
