【正文】 橫向缺陷檢測(cè)方式. 21 Ultrasonic testing method of transverse defect⑴ 焦點(diǎn)位置理論分析[40]眾所周知，聚焦聲束在進(jìn)入鋼管后要發(fā)生第二次匯聚，那么焦點(diǎn)位置的改變對(duì)鋼管的檢測(cè)影響很大，在此對(duì)斜入射焦點(diǎn)位置變化做理論幾何超聲學(xué)分析，探頭聲束軸線與鋼管軸線方向呈某一夾角，圖中表示探頭軸線的入射角，表示聲線的入射角，為與相對(duì)應(yīng)的折射角，為與相對(duì)應(yīng)的折射角，假設(shè)∠。從物理原理上來(lái)說(shuō)，如果把一個(gè)探頭分成許許多多的小發(fā)射元，只有在球心這點(diǎn)上從球殼各個(gè)發(fā)射元發(fā)出聲波是同相位的。假設(shè)，則： （212）這里就把稱為焦柱直徑，它表述的距離就是在焦平面上，從焦點(diǎn)算起，小球反射聲壓下降6dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的小球偏離軸線的距離的兩倍。⑴ 水浸超聲探頭聲場(chǎng)特性的測(cè)定方法超聲探頭的聲場(chǎng)特性測(cè)量方法有光彈法[41]、光纖探測(cè)法[42]、水聽(tīng)器法[43]、球靶法[40]、數(shù)值計(jì)算法以及有限元模擬[44]等。的人工平底孔缺陷，而聚焦探頭聲能相對(duì)集中，受缺陷傾角的影響要小的多。其他用途鋼管注：表中h代表人工缺陷的深度，t代表鋼管名義厚度實(shí)驗(yàn)室所制樣管均為安徽金安管業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)φ769mm小口徑無(wú)縫鋼管，其材質(zhì)為20鋼，兩圖中未展示的內(nèi)壁側(cè)橫/縱向人工缺陷尺寸與外壁橫/縱向缺陷相同。 人工缺陷尺寸Tab. Dimensions of artificial defects級(jí)別深度寬 度長(zhǎng)度推薦適用范圍h/t /%最小/mm允許偏差規(guī)定值/mm允許偏差/mmL13177。Z軸的運(yùn)動(dòng)不用于對(duì)鋼管的掃描，只用于調(diào)整探頭在垂直方向的位置，采用滾珠圓柱滑軌導(dǎo)向，滾珠絲杠傳動(dòng)，并帶有鎖緊裝置。無(wú)縫鋼管的特殊工藝讓缺陷也有了特殊的取向性。 超聲A掃描如今，超聲檢測(cè)技術(shù)數(shù)字化已經(jīng)成為當(dāng)今的主流趨勢(shì)。 (a) (b) 鋸齒消除前后C掃描圖像對(duì)比Fig. Cscan images pared of before and after antialiasing(a) 消除鋸齒前；(b) 消除鋸齒后李雄兵博士對(duì)曲面工件自動(dòng)超聲檢測(cè)的流程：首先進(jìn)行曲面測(cè)量，通過(guò)曲面重建獲得被測(cè)工件模型并將其入庫(kù)，設(shè)定檢測(cè)路徑生成控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)走位與掃描參數(shù)后即可檢測(cè)掃描。雖然我國(guó)無(wú)縫鋼管超聲檢測(cè)方面的研究起步較晚，與國(guó)外相比還有很大的差距，但近年來(lái)通過(guò)一些高校和企業(yè)對(duì)無(wú)縫鋼管超聲檢測(cè)等相關(guān)技術(shù)與設(shè)備的研究，使得國(guó)內(nèi)無(wú)縫鋼管超聲檢測(cè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。），分層等缺陷檢測(cè)及測(cè)厚功能。⑸ 滲透檢測(cè)滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)用于檢測(cè)非疏孔性金屬和非金屬試件表面開(kāi)口缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。由于漏磁檢測(cè)是用磁化傳感器檢測(cè)缺陷，所以它易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；有較高的檢測(cè)可靠性，可以實(shí)現(xiàn)缺陷的初步量化以及高效無(wú)污染。它的目的，一方面是常規(guī)檢驗(yàn)，根據(jù)已有知識(shí)判斷或確定金屬材料的質(zhì)量和生產(chǎn)工藝及過(guò)程是否完善，如有缺陷時(shí)，借以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生缺陷的原因；另一方面則是更深入地了解金屬材料微觀組織和各種性能的內(nèi)在聯(lián)系，以及各種微觀組織形成的規(guī)律等，為研制新材料和新工藝提供依據(jù)[7]。擦傷可用量具測(cè)量其深度。較嚴(yán)重的結(jié)疤應(yīng)予清除。⑸ 撕裂，鋼管的撕裂是指鋼管表面有撕開(kāi)破裂現(xiàn)象，多發(fā)生在薄壁鋼管上。 無(wú)縫鋼管缺陷的概述我國(guó)介紹熱軋無(wú)縫鋼管質(zhì)量缺陷的主要技術(shù)資料是1990年由原冶金工業(yè)部情報(bào)標(biāo)準(zhǔn)研究所鋼鐵標(biāo)準(zhǔn)化室編寫的《鋼鐵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作手冊(cè)》。⑵ 用超聲成像技術(shù)對(duì)小口徑無(wú)縫鋼管缺陷進(jìn)行成像檢測(cè)分析豐富超聲檢測(cè)手段；對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的超聲成像軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)斜入射超聲C掃描成像與三維立體成像，通過(guò)成像準(zhǔn)確的反映缺陷位置，分布以及形貌為生產(chǎn)反推缺陷的產(chǎn)生提供依據(jù)；通過(guò)整根無(wú)縫鋼管缺陷分布，分布與形貌導(dǎo)入建模有限元分析，這就為無(wú)縫鋼管的安全評(píng)定，壽命評(píng)估和有限元應(yīng)力計(jì)算等提供了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鋼管超聲無(wú)損評(píng)價(jià)。目前針對(duì)無(wú)縫鋼管缺陷的超聲檢測(cè)國(guó)內(nèi)外都有大量的研究，國(guó)內(nèi)大部分生產(chǎn)單位的超聲檢測(cè)依然以波形檢測(cè)為主，側(cè)重于無(wú)縫鋼管依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量是否合格，而國(guó)外主要集中在以工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用為基礎(chǔ)的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)上，在高速自動(dòng)化檢測(cè)的同時(shí)用超聲成像技術(shù)來(lái)直觀的反映缺陷的位置、形貌以及尺寸等。以下為無(wú)縫鋼管主要缺陷的概述：⑴ 內(nèi)折，鋼管的內(nèi)折是指鋼管內(nèi)表面呈現(xiàn)螺旋形、半螺旋形或無(wú)規(guī)則分布的鋸齒狀折疊。有過(guò)熱和過(guò)燒的管坯，穿孔時(shí)易于軋長(zhǎng)和產(chǎn)生內(nèi)折。對(duì)于鍋爐的壓力管道以及類似用途的鋼管，應(yīng)按相應(yīng)的技術(shù)條件檢查。物理化學(xué)性能檢驗(yàn)包括常溫下或者一定溫度條件下的鋼管力學(xué)性能試驗(yàn)（拉伸試驗(yàn)、韌性試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)），液壓試驗(yàn)以及腐蝕試驗(yàn)（晶間腐蝕試驗(yàn)、抗氫致開(kāi)裂試驗(yàn)HIC、抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂試驗(yàn)SSCC）等。它在不損壞被檢測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，應(yīng)用物理方法，檢測(cè)物體內(nèi)部或表面的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)以及性能，檢查物質(zhì)內(nèi)部是否存在缺陷，從而判斷被檢測(cè)物體是否合格，并評(píng)價(jià)其適用性。目前，國(guó)內(nèi)無(wú)縫鋼管漏磁檢測(cè)主要依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有《GB/T126061999 鋼管漏磁探傷方法》與《GB/T 257272010 無(wú)損檢測(cè) 鋼管自動(dòng)漏磁檢測(cè)系統(tǒng)綜合性能測(cè)試方法》等。⑹ 超聲檢測(cè)超聲波在被檢測(cè)材料中傳播時(shí)，材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對(duì)超聲波的傳播將會(huì)產(chǎn)生一定的影響，通過(guò)對(duì)超聲波受影響程度和狀況進(jìn)行探測(cè)來(lái)了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)被稱為超聲檢測(cè)技術(shù)。針對(duì)小口徑無(wú)縫鋼管檢測(cè)，GE公司擁有ROT系列管材超聲檢測(cè)系統(tǒng)與ROTA系列管材檢測(cè)系統(tǒng)，兩套檢測(cè)系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)探頭產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)超聲場(chǎng)，并同時(shí)具有垂直入射和斜入射高密度超聲脈沖，實(shí)現(xiàn)100%斷面聲束覆蓋，并保證周向靈敏度的一致性[18]。但該設(shè)備采用垂直入射法對(duì)無(wú)縫鋼管進(jìn)行檢測(cè)，這就不可避免的存在近表面檢測(cè)盲區(qū)問(wèn)題，對(duì)于薄壁管來(lái)說(shuō)，再小的盲區(qū)都是不能允許存在的。μ+ 超聲系統(tǒng)將采集的超聲數(shù)據(jù)和位置信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可進(jìn)行B，C，D型顯示，以及對(duì)超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析，但文獻(xiàn)中作者沒(méi)有給出B，C，D型顯示的真彩檢測(cè)案例圖像。A型超聲波檢測(cè)因其回聲顯示采用幅度調(diào)制顯示（amplitude modulation Display）而得名，它實(shí)際上是超聲脈沖回波圖形，橫坐標(biāo)代表被探測(cè)物體的深度，縱坐標(biāo)代表回波高度即超聲波的振幅，根據(jù)接收的回波可知缺陷在材料中的深度與大小，檢測(cè)人員根據(jù)回波的一些特性，諸如波幅和波密度等再結(jié)合日常檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)在一定程度上可對(duì)缺陷進(jìn)行模糊的定性分析，但是A掃描是回波圖，只能反應(yīng)局部的回波信息，不能直觀地顯示缺陷形態(tài)等特征[31]。這也是大部分工件檢測(cè)選擇的方式，但對(duì)于無(wú)縫鋼管就不一定適合，特別是小口徑無(wú)縫鋼管。輸入環(huán)節(jié)主要完成操作給定；輸出環(huán)節(jié)主要是執(zhí)行控制信號(hào)；反饋環(huán)節(jié)主要是反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)）的限位信號(hào)。10%10~25177。而聚焦探頭聲束則不會(huì)擴(kuò)散，反而會(huì)出現(xiàn)二次聚焦現(xiàn)象。⑶ 探頭檢測(cè)頻率的選擇超聲波探頭的檢測(cè)頻率能決定超聲檢測(cè)能力的大小，~10MHz，實(shí)際檢測(cè)選用何種頻率要根據(jù)被檢測(cè)工件的材質(zhì)、檢測(cè)范圍、表面狀況以及所要檢測(cè)缺陷性質(zhì)及其分布位置等因素進(jìn)行綜合考慮?？紤]到整個(gè)探頭在焦平面上某一點(diǎn)所建立的聲壓等同于這一點(diǎn)上的一個(gè)點(diǎn)聲源在整個(gè)探頭上所建立的聲壓。它闡述了在焦點(diǎn)附近可以設(shè)想存在著一個(gè)近圓柱形的區(qū)域，其直徑等于焦柱直徑，其長(zhǎng)度等于焦柱長(zhǎng)度。北京航空材料研究院何方成同志針對(duì)小口徑薄壁無(wú)縫鋼管點(diǎn)、線聚焦探頭檢測(cè)差異開(kāi)展了較多的實(shí)驗(yàn)研究，利用參數(shù)相同的點(diǎn)、線聚焦探頭對(duì)不同長(zhǎng)度，不同深度的縱向人工缺陷的進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，主要結(jié)論認(rèn)為：點(diǎn)聚焦探頭在一定范圍內(nèi)可以檢測(cè)到比標(biāo)準(zhǔn)傷長(zhǎng)度短的缺陷，在實(shí)際檢測(cè)中對(duì)短而深的小缺陷敏感，對(duì)長(zhǎng)而淺的大缺陷檢測(cè)效率較低。誠(chéng)然，本實(shí)驗(yàn)室用于小口徑無(wú)縫鋼管檢測(cè)掃描所用的點(diǎn)聚焦探頭晶片為圓盤面，所以探頭聲束軸線與鋼管截面方向也存在夾角。綜上所述，點(diǎn)聚焦探頭由于焦點(diǎn)尺寸小，那么聲反射面積也隨之小，這就使得它對(duì)長(zhǎng)而淺的缺陷不敏感，而線聚焦探頭恰恰相反，它對(duì)短而深的缺陷不敏感，實(shí)際生產(chǎn)中線聚焦探頭的聚焦區(qū)在鋼管的縱向上有一定的長(zhǎng)度，因此，在自動(dòng)檢測(cè)無(wú)縫鋼管時(shí)，可以增大步進(jìn)量以提高檢測(cè)效率，而點(diǎn)聚焦則大受限制，所以在無(wú)縫鋼管的工業(yè)生產(chǎn)檢測(cè)中線聚焦探頭更為實(shí)用，但本文主要是實(shí)驗(yàn)室研究且對(duì)小口徑無(wú)縫鋼管缺陷進(jìn)行超聲成像無(wú)損分析，所以就精細(xì)掃查與超聲成像效果而言，本實(shí)驗(yàn)室采用點(diǎn)聚焦探頭進(jìn)行檢測(cè)分析。實(shí)際通過(guò)機(jī)械走位，調(diào)整水層逐層測(cè)量。同時(shí)，在焦距比探頭直徑大得多的情況下，可以認(rèn)為隨的變化很小，可近似為常數(shù)。探頭一旦確定，排除外界環(huán)境的干擾（如水溫等），它的聲場(chǎng)空間分部也就確定了[39]。試驗(yàn)步驟：先將聚焦探頭檢測(cè)到傾角為0176。15%20~40177。該版本相比于此前頒布的GB/T 57771996版主要做了幾處修改：增加了對(duì)斜向缺陷的檢驗(yàn)及檢驗(yàn)方法；修改了管端人工槽位置的限制；修改了人工缺陷的尺寸與代號(hào)；~10MHz修改為1MHz~15MHz等[37]，從這些變動(dòng)的實(shí)質(zhì)還是對(duì)檢測(cè)一些關(guān)鍵參數(shù)提出了優(yōu)化。 （a） （b） （c） （d） 小口徑無(wú)縫鋼管檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方式 Ultrasonic testing movement pattern of smalldiameter seamless tube（a）鋼管直行不旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)式組合探頭方式；（b）鋼管直行不旋轉(zhuǎn)、固定組合式探頭方式（c）鋼管螺旋前進(jìn)、探頭固定方式；（d）鋼管原地旋轉(zhuǎn)、探頭往復(fù)直行方式四種檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方式各有千秋，應(yīng)該結(jié)合自身實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)特點(diǎn)與目的來(lái)選擇自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方式。管坯在斜軋穿孔過(guò)程中所產(chǎn)生的缺陷與穿孔管坯在變形區(qū)中的變形條件有著密切的關(guān)系。第二章為無(wú)縫鋼管缺陷超聲檢測(cè)與關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化，主要內(nèi)容：從無(wú)縫鋼管成型工藝入手分析缺陷取向性，進(jìn)而提出實(shí)驗(yàn)方法以及對(duì)無(wú)縫鋼管水浸式聚焦檢測(cè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管橫向、縱向缺陷的優(yōu)化檢測(cè)。 在役鋼管C掃描成像Fig. Cscan imaging of inservice tube杭州浙大奔月科技有限公司以浙江大學(xué)周曉軍教授為代表的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研制成功國(guó)內(nèi)第一家基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的超聲波掃描成像系統(tǒng)以及復(fù)雜曲面超聲波C掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)。[19]。美國(guó)IRIS公司生產(chǎn)的IRIS 9000超聲檢測(cè)系統(tǒng)是一種全自動(dòng)管內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)。作為鋼管重要的無(wú)損檢測(cè)方法，國(guó)內(nèi)無(wú)縫鋼管渦流檢測(cè)主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)有《GB/T 77352004 鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法》以及《YB/T 40832000 鋼管自動(dòng)渦流探傷系統(tǒng)綜合性能測(cè)試方法》等。射線檢測(cè)利用X射線、γ射線、中子射線、高能射線等各種射線對(duì)物質(zhì)的穿透能力以及射線在穿透材料過(guò)程中發(fā)生的衰減規(guī)律來(lái)發(fā)現(xiàn)工程材料及其構(gòu)件內(nèi)部存在的各種形式的宏觀缺陷或測(cè)定材料的各種性能與物理量的一種無(wú)損檢測(cè)方式。其中酸浸試驗(yàn)是宏觀檢驗(yàn)中最常用的一種檢驗(yàn)方法，就是將制備好的試樣用酸液腐蝕，以顯示其宏觀組織和缺陷。無(wú)明顯棱角或內(nèi)表面不突起的可判為合格品；反之，判為不合格品。⑻ 離層（分層），鋼管的離層（分層）是指在鋼管端部或內(nèi)表面出現(xiàn)螺旋形或塊狀金屬分離或破裂。其螺旋旋轉(zhuǎn)方向與穿孔荒管旋轉(zhuǎn)方向相反，且螺距較大、分布于局部或全長(zhǎng)。伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)目前已成為世界第一的鋼管生產(chǎn)大國(guó)、消費(fèi)大國(guó)和出口大國(guó)[2]，但這并不意味著中國(guó)現(xiàn)在是鋼管生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)，有些高級(jí)專業(yè)鋼管還依賴于進(jìn)口[3]。無(wú)縫鋼管缺陷的超聲分析研究畢業(yè)論文無(wú)縫鋼管缺陷的超聲分析研究摘 要無(wú)縫鋼管已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、電站、鍋爐、船舶、電站、航空航天、建筑以及軍工等行業(yè)。小口徑無(wú)縫鋼管缺陷的超聲檢測(cè)與分析研究第一章 緒論 課題背景無(wú)縫鋼管作為一種經(jīng)濟(jì)斷面鋼材，具有較高的屈服強(qiáng)度和耐應(yīng)力腐蝕性能，從而被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電站、鍋爐、船舶、電站、航空航天、建筑以及軍工等行業(yè)[1]。⑶ 外折，鋼管的外折是指在鋼管外表面出現(xiàn)的螺旋形狀的片狀、線狀折疊。鋼管表面不允許存在肉眼可見(jiàn)的發(fā)紋，如有應(yīng)全部清除。⒁ 矯凹，鋼管的矯凹是指鋼管端部或表面沿長(zhǎng)度方向呈螺旋形凹入。檢驗(yàn)方式包括：酸浸試驗(yàn)、斷口試驗(yàn)、塔形車削發(fā)紋試驗(yàn)和硫印試驗(yàn)等。⑴ 射線檢測(cè)方法射線檢測(cè)是工程檢測(cè)中歷史最悠久的一種無(wú)損檢測(cè)方法。但渦流檢測(cè)的局限性在于：渦流檢測(cè)的對(duì)象必須是導(dǎo)電材料，而且只適用于檢測(cè)鋼管表面缺陷，不適用于檢測(cè)深層的內(nèi)部缺陷；采用穿過(guò)式線圈進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)，線圈獲得的信息是鋼管一段長(zhǎng)度的圓周上影響因素的積累結(jié)果，對(duì)缺陷所處圓周上的具體位置無(wú)法判定，采用旋轉(zhuǎn)探頭式渦流檢測(cè)可準(zhǔn)確探出缺陷位置，靈敏度和分辨率也很高，但檢測(cè)區(qū)域狹小，全面掃查檢測(cè)速度較慢；檢測(cè)后還需要對(duì)鋼管進(jìn)行退磁處理[11][13]。 國(guó)外無(wú)縫鋼管的超聲檢測(cè)研究現(xiàn)狀從上個(gè)世紀(jì)70年代以來(lái)，無(wú)縫鋼管的超聲檢測(cè)研究在國(guó)外主要集中在以工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用為基礎(chǔ)的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)上。其中RTIS使用相控陣技術(shù)對(duì)管材進(jìn)行全管體檢測(cè)，這個(gè)系統(tǒng)基于“水楔”概念，通過(guò)膜狀材料，使一個(gè)儲(chǔ)水容器發(fā)揮持續(xù)穩(wěn)定的效用，可以快速進(jìn)行耦合，并具有較短的非檢測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度。從缺陷顯示來(lái)說(shuō)，渦輪每旋轉(zhuǎn)一周創(chuàng)建一個(gè)被檢鋼管的截面掃描圖像，當(dāng)探頭進(jìn)入到管子內(nèi)部時(shí)，連續(xù)的圖像形成管壁的彩色C掃描成像，從文獻(xiàn)中作者提供的掃描圖像可見(jiàn)，檢測(cè)受一定的干擾，不穩(wěn)定。論文共分四章，各章內(nèi)容概括如下：第一章為緒論，主要內(nèi)容：課題背景的論述，無(wú)縫鋼管缺陷的概述，無(wú)縫鋼管各種檢測(cè)方式的比較以及國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)縫鋼管超聲檢測(cè)研究的現(xiàn)狀。作為無(wú)縫鋼管穿孔工序中應(yīng)用最為廣泛的就是斜軋穿孔工藝。為保證對(duì)無(wú)縫鋼管“W”形全面覆蓋檢測(cè)不發(fā)生漏檢，結(jié)合水浸式檢測(cè)方式特點(diǎn)，一般有四種自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方式可以實(shí)現(xiàn)：①鋼管直行不旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)式組合探頭，（a）所示；②鋼管直行不旋轉(zhuǎn)、固定式組合