热轧板HIC试样缺陷的超声判定技术

2017-10-11徐振亚

焊管 2017年5期

关键词：声波钢管超声波

董斌，徐振亚

（宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部，上海201900）

热轧板HIC试样缺陷的超声判定技术

董斌，徐振亚

（宝山钢铁股份有限公司钢管条钢事业部，上海201900）

为了快速检测出热轧板HIC试样中的夹杂和裂纹，并对缺陷进行准确定位、定性和测长，首先采用60°斜探头对夹杂和裂纹进行定位和定性，再用直探头检测出缺陷的长度，最后给出了夹杂和裂纹的静态和动态反射波形。该超声波判定技术可以用来确认试样是否符合标准要求，并进一步判定相应产品是否合格。与传统检测方法相比，该技术能够快速准确地定位和定性缺陷，并且定量精度由原来的2 mm提高至0.5 mm，能够满足API SPEC 5L的相关要求。

检测；超声波；HIC;夹杂；缺陷

Abstract:In order to quickly inspect the slag and crack in HIC specimen of hot rolled plate,and conduct accurate positioning,qualitative and length measurement for defects,firstly,it adopted 60°oblique sensor to carry out positioning and qualitative,and then used straight probe to detect defect length,finally gave the static and dynamic state reflection waveform of the slag and crack.The ultrasonic technology can be used to confirm the sample whether accord with standard requirements,and further determine the corresponding product is qualified.Compared with the traditional detection method,the technology can rapidly and accurately positioning and qualitative defects,and the quantitative accuracy was increased from 2 mm to 0.5 mm,can meet the requirements of the relevant API SPEC 5L.

Key words:detection;ultrasonic;HIC;inclusion;defect

随着国内外在陆地上和海洋中容易开采的浅层油气和纯净度高的油气资源不断减少，深度大、压力高、腐蚀强的油气田开采越来越多，油气中大都富含H2S、CO2等介质，要求输送此类油气资源的焊接钢管必须具备抗硫、抗酸等特性[1-3]。因此，用于制管的热轧板也必须具备抗硫和抗酸特性。宝钢集团公司生产的热轧板大量用于制造油气输送用埋弧焊接钢管，为了适应输送富含H2S、CO2等腐蚀介质油气资源焊接钢管的需要，热轧板在化学成分设计和连铸连轧工艺中进行了脱磷、脱硫和脱渣。

根据国际通用标准DNV—2012（挪威船级社海管标准）和 API SPEC（45版）PSL3（美国石油协会海管和抗腐蚀管标准）[4-5]，要求对试制焊管进行抗硫化氢 HIC（hydrogen induced cracking）试验，试验结束后对试样进行无损探伤，找出试样中的裂纹缺陷，并对其进行精确定位和测长。从而确认此试样是否符合标准要求。一方面验证该化学成分设计和连铸连轧工艺是否具备抗硫、抗酸等效果，另一方面通过精确定性和定长，能够快速地对产品质量进行准确判定。

本研究介绍了一种HIC试样缺陷超声波探伤技术。由于热轧板HIC试样一般存在夹杂，因此重点介绍了如何在超声波探伤过程中，对存在的夹杂和裂纹进行判定及测定裂纹长度的技术。

1 超声波探伤原理

超声检测主要是基于超声波在通过材料时能量会损失，在遇到声阻抗不同的两种介质分界面时会发生反射。其工作原理是[6-7]：声源产生超声波，采用一定的方式使超声波进入工件。超声波在工件中传播并与工件材料以及其中的缺陷相互作用，使其传播方向或特性被改变。改变后的超声波通过检测设备被接收，并可对其进行处理和分析。根据接收的超声波特征，评估工件本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超声波检测用的最多的是脉冲反射法，其原理为[8-9]：声源产生的脉冲波进入到工件中，当超声波在工件中以一定方向和速度向前传播，当遇到两侧声阻抗有差异的界面时部分声波被反射。检测设备接收和显示反射信息，并分析声波幅度和位置等信息，评估缺陷是否存在及存在缺陷的大小、位置等。两侧声阻抗有差异的界面可能是材料中某种缺陷（不连续），如裂纹、气孔、夹渣等，也可能是工件的外表面。声波反射的程度取决于界面两侧声阻抗差异的大小、入射角以及界面的面积等。通过测量入射声波和接收声波之间声传播的时间，可以得知反射点距入射点的距离。通常用来发现缺陷和对其进行评估的基本信息为：①是否存在来自缺陷的超声波信号及幅度；②入射声波与接收声波之间的传播时间；③超声波通过材料以后能量的衰减。

2 快速准确的HIC试样超声波探伤技术

2.1 探头选择

（1）斜探头，角度60°，晶片尺寸是4 mm×5 mm，频率4 MHz。

（2）直探头，晶片尺寸Ф5mm，频率20MHz。

2.2 灵敏度校验

（1）使用标准样块（其长宽深规格为20 mm×1 mm×1 mm）刻槽作为基准；

（2）用60°斜探头中心对准标准样块的刻槽，平行扫查，左右扭动，找到最高波，记录当前的当量值；

（3）根据试样和标准样块的表面耦合差异，提高2 dB进行补偿。

2.3 斜探头探伤

夹杂一次反射回波如图1所示。如图1（a）把斜探头（60°）放置到左侧。若发现试样厚度的下半部分有近侧一次回波，即一次横波反射明显；再把探头放置到右侧（见图1（b）），发现远侧无明显回波，近侧的当量一般低于标准样块（其长宽深规格为 20 mm×1 mm×1 mm）刻槽2～4 dB，缺陷波为2～3根回波，此时可初步判定为近探头侧夹杂。

图1 夹杂一次反射回波示意图

夹杂二次反射回波如图2所示。如图2（a）把斜探头（60°）放置到左侧，若发现试样厚度的上半部分有近侧二次回波，反射明显，再把探头放置到右侧（见图2（b）），发现远侧二次无明显回波，近侧的当量一般低于标准样块（其长宽深规格为 20 mm×1 mm×1 mm）刻槽 0～2 dB，缺陷波为2～3根回波，此时可初步判定该回波为夹杂。

裂纹一次反射回波如图3所示。如图3（a）把斜探头放置到左侧，若发现试样厚度的下半部分有近侧一次回波，再把探头放置到右侧（见图3（b）），发现远侧也有明显一次回波；近侧的当量一般高出标准样块（其长宽深规格为20 mm×1 mm×1 mm）刻槽 8 ～10 dB，远侧高出 6～8 dB，缺陷波为单根回波，此时可初步断定该回波为裂纹。

图2 夹杂二次反射回波示意图

图3 裂纹一次反射回波示意图

裂纹二次反射回波如图4所示。如图4（a）把斜探头放置到左侧，若发现试样厚度的上半部分有近侧二次回波，再把探头放置到右侧（见图4（b）），发现远侧也有明显二次回波，即缺陷回波近侧的当量一般高出标准样块（其长宽深规格为 20 mm×1 mm×1 mm）刻槽 8～10 dB，远侧高出6～8 dB，此时初步断定该回波为裂纹。

图4 裂纹二次反射回波示意图

为了验证裂纹还需用斜探头扫查。当发现纵向缺陷，静止状态下其波形为2～3条反射波且呈“山”字形。同时，前后移动探头，会发现动态移动时的横波包络线为“马鞍”形，如图5所示。这是因为夹杂中含有其他杂质，这些杂质的声速与无杂质处不同，故静态反射会出现2～3根波幅不同的反射波，此时，可进一步判定为夹杂。若用斜探头扫查，当发现纵向缺陷，静止状态下其波形为单条反射波，同时，前后移动横波探头，会发现动态移动时的横波包络线为一尖锐的“山丘”形，如图6所示。因为裂纹中存在空气，超声波发射到空气后的反射波很明显。

图5 夹杂的金相照片及其波形图

图6 裂纹的金相照片及其波形图

2.4 直探头探伤

通过斜探头定性为裂纹后，采用直探头（由于晶片尺寸小，其近场长度小，信噪比和分辨率高，同时其中心频率很高，能量集中，故能对裂纹进行精确测定指示长度），放在裂纹位置上略做左右移动通过半波法就能准确地测定裂纹的指示长度[10]。

3 结束语

本研究介绍了对热轧板HIC试样缺陷进行快速准确的超声波探伤方法，总结了超声波对存在夹杂物试样和裂纹试样的一次反射回波和二次反射回波特征，以及测定裂纹长度的方法。该技术能够快速准确地对缺陷进行定性和定量，传统方法的缺陷定量精度为2 mm，该技术对缺陷定量精度可达到0.5 mm，满足API SPEC 5L标准要求。

[1]Q/SY GJX 0125―2007，西气东输二线管道工程用 X70直缝埋弧焊管技术条件[S].

[2]GB/T9711.1―1997，石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分:A级钢管[S].

[3]GB/T9711.2—1997，石油天然气工业输送钢管交货技术条件第2部分:B级钢管[S].

[4]API SPEC 5L（第45版），管线钢管规范[S].

[5]DNV-OS-F101:2013，Submarine Pipeline Systems[S].

[6]郑辉，林树青.超声检测（第二版）[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[7]胡天明.超声探伤[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1994.

[8]中国特种设备检验协会.超声波探伤（无损检测II级培训教材[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2008.

[9]ASTM E273—2015，焊接钢管焊接区超声波检验标准做法（英文版）[S].

[10]超声探伤编写组.超声波探伤[M].北京：劳动人事出版社，1989.

Ultrasonic Determination Technology of Hot-Rolled Plate HIC Specimen Defects

DONG Bin,XU Zhenya
（Tube,Pipe and Bar Business Unit,Baoshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China）