超声波检测技术在焊管质量控制中的应用设计说明

1、超声波检测技术在焊管质量控制中的应用摘要本毕业设计的课题是焊管焊缝超声波探伤测试。主要任务是掌握焊管制造流程和焊接缺陷与其产生原因的基础上，研究超声波探伤技术在焊管焊缝探伤检测中的应用，并给出焊缝返修的具体方案。超声无损检测是在现代工业生产中应用的非常广泛的一种无损检测方法，它对于提高产品的质量和可靠性有着重要的意义。本文首先针对波无损检测技术进行理论研究，简明扼要的介绍了超声波无损检测技术的研究意义和发展现状,超声波无损检测技术是当前一种较先进的检测技术,应用领域更广,适用围更宽。然后细致的分析了超声波无损检测技术的工作原理特性，基于超声波的优良特性，和传播机理，进行器件或工程的无损检测。针

2、对给定的焊管焊缝，通过实验检测该焊缝的缺陷。同时给出了现场探伤、缺陷定位和长度测量的具体方法，并通过GB11345-89标准对试验中检测到的缺陷进行了等级评定并得出了检测工艺卡。关键词：焊管 ; 焊缝 ; 超声波探伤 ; 超声波TOFD焊缝检测AbstractThe subject of the paper is Ultrasonic Inspection Test of Steel Welding seam. The main task is to learn the utility of ultrasonic testing technology butt welding joint fl

3、aw detection for pressure vessel, based on mastering the manufacturing procedure of process equipment and the causes of welding defects, and the concrete plan of the weld repairing is described in this paper. As a kind of NDT(Non-Destructive Testing)，UT (Ultrasonic Testing) is widely used in modern

4、industry, which plays a very important role in improving the quality and the reliability of product.This paper according to wave nondestructive testing technology fortheoretical study, brief introduction ultrasonic nondestructive testingtechnology research and development present situation, the ultr

5、asonicnondestructive testing technology is a kind of advanced detection technology, application scope, more extensive more wide. Then a detailed analysis ofultrasonic nondestructive testing technology based on the working principle, characteristics. Selecting of check block and test-components debug

6、ging of equipment , common problems and solving methods in field testing are introduced in this paper Besides the methods of field testing, defect locating and length measuring are also diven. And then the rating tests is made through the GB11345-89 standards. In the end the testing process card is

7、given.Key words: welding seam；ultrasonic testing；check block；Time of Flight Diffraction Technique 47 / 51目录1绪论21.1选题的背景与意义21.2 超声检测技术的发展历程和现状31.3国际超声检测技术的发展历程和现状31.4我国超声无损检测发展现状42. 焊管制造工艺流程和焊接缺陷与缺陷产生原因52.1螺旋焊管制造工艺流程52.2 常见焊接缺陷分类与产生原因82.2.1焊管焊缝熔合不良类缺陷与原因83.焊管常用的无损探伤种类与特点和检测方法123.1焊管焊缝常用的检测方法123.2超声波无

8、损检测的优点144.焊管超声探伤技术154.1.超声波的原理与分类154.1.1超声波探伤的原理154.1.2超声波探伤方法与分类164.2螺旋焊管板材电磁超声检测方法174.2.1基本原理184.2.2 探头布置与数量的确定184.2.3检测工艺204.3自动超声波在线检测焊管焊缝244.3.1探头的电磁机械跟踪244.3.2探伤系统组成254.3.3焊缝跟踪系统机械结构274.3.4焊缝跟踪系统电气系统结构284.3.5自动检测过程295 超声波TOFD新技术在焊管检测中的应用305.1 超声波TOFD焊缝检测技术简介305.1.1 超声波TOFD焊缝检测的基本原理305.1.2 超声波T

9、OFD焊缝检测技术的特点315.1.3 超声波TOFD焊缝检测技术与其它检测技术的对比325.2 超声波TOFD焊缝检测技术的应用345.3 超声波TOFD焊缝检测的缺陷分析375.3.1 缺陷定性375.3.2 缺陷定位定量385.3.3 缺陷定位定量数式395.3.4 试验图片对比分析406.结论44致45参考文献461绪论1.1选题的背景与意义随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术在设备和装备的运行、产品质量的保证、提高生产率、降低成本等领域发挥着越来越大的作用，无损检测也已经发展成为一门独立的综合性学科，而超声波探伤技术在无损检测领域占有极其重要的地位，在很多领域均获得非常广泛的应

10、用。焊管是各个工业部门不可缺少的重要生产设备，用于供热、供电和储存各种工业原料与产品，完成工业生产过程必需的各种物理过程和化学反应。因此它成为石油、化工、电站、核能和军工等工业部门的重要生产装备。其制造工艺以焊接为主，质量要求比较高。焊缝质量直接决定着焊管的使用安全和使用寿命，因此在制造和使用过程中的焊缝检测显得尤为重要。因此，迫切需要寻找一种高效、经济、简便可行的无损检测技术与缺陷评定方法。无损检测技术主要包括射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、声发射等方法其中超声波探伤和射线探伤是检测压力容器焊缝部缺陷的主要手段。超声波探伤以其探伤距离大、探伤装置体积小、重量轻、便于携带、检测速度快

11、、检测费用低等优势，在过程设备制造和在役检测工作中得到越来越多的应用。由于历史的原因，在焊管的检验、检测与缺陷评定仍存在很大的问题。具体表现在：在役过程设备(其中包括国外进口设备)由于设计、制造与安装等所采用的标准不统一，其检验、检测要求难以统一，制造质量难以保证，给设备的维护和在用管理带来很大难度。过去对焊管的验收管理不严，导致了现今在役设备焊缝中存着大量超标缺陷。焊接缺陷的类型主要包括未焊透、未熔合、裂纹、气孔与夹渣等。国外关于缺陷评定的标准不统一。这些缺陷如不进行定期检查与有效的安全评定而盲目使用势必会造成重大恶性事故，给企业带来重大的经济损失。因此，怎样实现对焊缝部缺陷的精确定位、定量

12、和定性分析与缺陷评定，是需迫切解决的课题。在焊缝缺陷检测中，超声检测是目前公认的最有效的常规无损检测方法之一，与其它常规检测相比具有明显的优势。焊缝超声检测一方面以其较为经济、操作轻便灵活而在质量控制和在役设备安全性能检查中得到广泛的应用，而在另一方面由于焊缝超声检测的不直观性，以与检测人员、检测对象、仪器探头等诸多因素，可能产生漏检或误判。因此，针对超声检测技术显示不直观，探伤技术难度大以与探伤结果不便保存等技术难点，深入学习和掌握超声检测技术，在搞清原理、掌握使用的同时发挥创新精神探索超声检测过程中的出现的问题并加以解决。针对焊缝部缺陷的超声波检测与安全评定过程中所涉与的关键性问题进行系统

13、的分析，并依据缺陷检测所得到的结果进行缺陷评定具有重要意义。1.2 超声检测技术的发展历程和现状无损探伤技术是检测压力容器焊缝部缺陷的主要手段。无损探伤是指利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态的所有技术手段的总称。工业生产中常用的无损检测方法有射线检验(RT)、超声检测(UT)、磁粉检测(MT)和液体渗透检测(PT) 四种。其中射线探伤和超声波探伤是检测压力容器焊缝部缺陷的主要手段。1.3国际超声检测技术的发展历程和现状无损检测技术历经一个世纪，尽管无损检测

14、技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。超声无损检测技术(UT)作为四大常规检测技术之一，由于其与其它常规无损检测技术相比，它具有被测对象围广，检测深度大；缺陷定位准确，检测灵敏度高；成本低，使用方便，速度快，对人体无害以与便于现场使用等特点，因而世界各国都对超声无损检测给予了高度的重视。目前，国外工业发达国家的无损检测技术已逐步从NDI和NDT向NDE过渡。无损探伤(NDI)、无损检测(NDT)和无损评价(NDE)是无损检测发展的三个阶段。超声波无损探伤是初级阶段，它的作用仅仅是在不损害零部件的前提下，发现其人眼不可见的部缺陷，以满足工业设

15、计中的强度求。超声无损检测是近20年来应用最广泛的术语，它不仅要检测最终产品，而且还要对生产过程的有关参数进行监测。超声无损评价是超声检测发展的最高界，不但要探测缺陷的有无，还要给出材质的定量评价，也包括对材料和缺陷的物理和力学性能的检测与其评价。本文建立在NDI的基础上，在过程装备制造与维护过程中，对焊缝进行有效检测，并进行缺陷分析和计算，从而对过程装备进行有效的安全评估。1.4我国超声无损检测发展现状近年来我国超声无损检测事业取得了巨大进步和发展。超声无损检测已经应用到了几乎所有工业部门，其用途正日趋扩大。超声无损检测的相关理论和方法与应用的基础性研究正在逐步深入，已经取得了许多突破性进展

16、。比如，用户友好界面操作系统软件；各种扫描成象技术；多坐标、多通道的自动超声检查系统；超声机器人检测系统等。无损检测的标准化和规化，检测仪器的数字化、智能化、图象化、小型化和系列化工作也都取得了较大发展。我国已经制订了一系列国标、部标与行业标准，而且引进了ISO，ATSM等一百多个国外标准。无损检测人员的培训也逐渐与国际接轨。但是，我国超声无损检测事业从整体水平而言，与发达国家之间仍存在很大差距。具体表现在以下几个方面：1）检测专业队伍中高级技术人员和高级操作人员所占比例较小，极大阻碍了超声无损检测技术向自动化、智能化、图象化的进展。由于经验丰富的老一辈检测工作者缺乏把实践经验转化为理论总结，

17、而年轻的检测人员缺乏切实的实践经验，这有可能导致现有的超声检测软件系统不同程度的缺陷，降低了检测的可靠性。2）专业无损检测人员相对较少，现有无损检测设备有待改进。从而导致目前我国产品的质量普遍存在较大问题。更严重的后果是产品的竞争能力差，焊缝的超声波检测技术研究影响产品进入国际市场。3）对无损检测技术领域的信息技术应用重视不够。我国对无损检测信息技术的建设工作还处在相当薄弱的阶段。4）无损检测的标准和规多而杂。我们相信，随着超声检测的广泛应用和对超声检测重视程度的不断提高，我国的超声检测将获得更加快速的发展和进步。2. 焊管制造和焊接缺陷与缺陷产生原因本章主要介绍焊管制造过程、产生的常见的焊接

18、缺陷，以与产生这些缺陷的原因。2.1螺旋焊管制造工艺流程过程设备的生产工艺流程大致为下料、成型、焊接、无损检测、组对焊接、无损检测、热处理、压力试验几个阶段。下面分别简要介绍个流程的注意事项。(1)螺旋焊管生产工艺流程图(2)螺旋缝埋弧焊钢管工艺流程图入库 合同/订单平头、倒棱水压试验 超声波探伤成品检验涂层标志补焊、修磨超声波探伤内焊缝外观检查外焊缝外观检查在线超声波检验钢板对焊 圆盘剪铣边铣 边自动内焊焊缝X射线探伤递送、矫平原材料检验采 购 购 购工艺技术准备成 型 型自动外焊 定尺、飞剪1）原材料即带钢卷，焊丝，焊剂。在投入前都要经过严格的理化检验。把合格的钢带吊装在开卷机上，对钢带进

19、行开卷、矫平。2）钢带经矫平后运行到对焊工艺,带钢头尾对接，采用单丝或双丝埋弧焊接，在卷成钢管后采用自动埋弧焊补焊。 3）钢带对焊完毕后，采用电接点压力表控制输送机两边压下油缸的压力，确保了带钢的平稳输送, 成型前，带钢经过矫平、剪边(圆盘剪工序，剪切对钢带剪切毛边)、铣边（钢带剪边后运行到铣边工序，对钢带板边进行进一步处理，去掉毛刺、超过8mm以上钢板铣去坡口等），表面清理、输送和予弯边处理（钢带铣边处理后，为（不知）在成型过程中焊缝形成“噘嘴”现象对钢带边缘进行预弯处理）。4）钢带进行成型器，采用外控或控辊式成型，进行调型。5）钢管成型后，对钢带实施焊缝焊接。钢管焊完毕后，焊缝旋转半周到过

20、钢管上方时，外焊工对焊缝实施外焊缝焊接。利用焊缝间隙控制装置来保证焊缝间隙满足焊接要求，管径错边量和焊缝间隙都得到严格的控制。焊和外焊均采用单丝或双丝埋弧焊接，从而得稳定的焊接。6）焊完的焊缝均经过在线连续超声波自动伤仪检查，保证100的螺旋焊缝的无损检测覆盖率。若有缺陷，自动报警并喷涂标记，生产工人依此随时调整工艺参数，与时消除缺陷。 7）钢管外焊完毕后继续向前运转，当钢管顶端到达客户要求的定尺长度时，通过光电感应器传送到等离子切割机，对钢管定尺切割。8）切成单根钢管后，每批钢管头三根要进行严格的首检制度，检查焊缝的力学性能，化学成份，溶合状况，钢管表面质量以与经过无损探伤检验，确保制管工艺

21、合格后，才能正式投入生产。 9）焊缝上有连续声波探伤标记的部位，经过手动超声波和X射线复查，如确有缺陷，经过修补后，再次经过无损检验，直到确认缺陷已经消除。 10）带钢对焊焊缝与与螺旋焊缝相交的丁型接头的所在管，全部经过X射线电视或拍片检查。 11）每根钢管经过静水压试验，压力采用径向密封。试验压力和时间都由钢管水压微机检测装置严格控制。试验参数自动打印记录。 12）管端机械加工，使端面垂直度，坡口角和钝边得到准确控制。13）根据标准和客户要求在钢管一端、外壁喷涂标识。2.2 常见焊接缺陷分类与产生原因螺旋焊管是一种主要的输送流体的焊接钢管, 由于螺旋焊管可以由一种宽度的钢卷连续成型焊接生产,

22、 容易实现生产自动化, 并且采用双面埋弧自动焊的焊接型式, 又有多种探伤方法检查把关保证焊缝质量。因此敷设输油输气管线时, 螺旋焊管得到了广泛的应用。但在成型焊接过程中, 由于操作失误或工艺欠成熟等方面的原因, 导致焊管产生各种各样的缺陷。下面就螺旋焊管常见的几种焊缝缺陷的产生与典型特征以与应用射线探伤(RT ) 和超声波探伤(V T ) 作一个简单分析与介绍。2.2.1焊管焊缝熔合不良类缺陷与原因(1)熔合不良类缺陷包括未熔合和未焊透,未焊透是指焊接金属母材与母材之间, 未被电弧熔化而留下的空隙, 对于双面焊螺旋焊管一般产生在焊缝中部。未焊透产生原因:1)电流强度不够，运条速度太快；2)管道

23、组对时，坡口的钝边太厚或间隙太小；3)焊条角度不对以与电弧偏吹；4)焊件散热速度太快使焊融金属迅速冷却。常见的未焊透如图2.1 所示:图2.1未焊透 (2)未熔合是指焊缝金属与母材之间、多焊道时焊缝金属之间彼此没有完全熔合在一起的现象。前者称为边缘未熔合, 后者称为层间未熔合, 由于未熔合大面积地降低了焊接接头强度, 相对而言, 未熔合比未焊透更具危害性。产生原因: 焊接电流过小, 焊条焊丝偏于坡口一侧或因焊条偏心使电弧偏于一侧, 使母材或前一道焊缝金属未得到充分熔化就被填充金属所覆盖。当母材坡口或前一层焊缝表面有锈或脏物, 焊接时由于温度不够, 未将其熔化而覆盖上填充金属, 也会形成层间或边

24、缘未熔合。由于螺旋焊管在成型前用圆盘剪剪去带钢卷两侧各约20mm , 焊接接头部分不会有锈蚀或污物, 并且采用双面埋弧自动焊, 故在自动焊缝中由于焊偏与电流过小等原因可能产生边缘未熔合, 而在补焊焊缝中(多层焊)有可能产生层间未熔合。如图2.2所示:图2.2未熔合a. 边缘未熔合b. 层间未熔合 (3)气孔和夹渣1)气孔是焊接熔池在高温时吸收了过多的气体, 而在冷却时气体在金属中的熔解度急剧下降, 气体来不与逸出而残留在焊缝金属中形成的。气孔可分为孤立气孔、密集气孔、链状气孔和虫孔等, 一般能导致焊接过程中产生大量气体的因素都是产生气孔的原因, 主要有以下几个方面:1)熔化金属冷却太快，气体来

25、不与从焊缝中逸出：如风速过大、温度较低，或者焊工操作技术不良，运条速度太快，使焊肉很薄，冷却过快，气体来不与从焊缝中逸出；2)电弧太长或太短。电弧太长使空气浸入熔池，太短则阻碍气体外逸；焊条受潮；3)焊件与焊条上沾有油漆、油污等，受热后放出气体浸入熔池；基本金属与焊条化学成分不当，含碳气过多，所含的合金成分使铁水发粘。4)使熔渣粘度太大，阻碍气体外逸；气孔的分类与典型特征见图2.3:a. 孤立气孔b. 密集气孔c. 链状气孔d. 虫孔图2.3气孔夹渣是焊接冶金反应产生的, 焊后残流在焊缝金属中的非金属夹杂物。夹渣可分为点状夹渣、密集夹渣和条状夹渣三种。如图2.4 所示。图2.4夹渣a. 点状夹

26、渣b. 密集夹渣c. 条状夹渣产生原因: 坡口角度过小、焊接电流过小, 或焊接速度过快, 使夹杂物不能与液态金属分离并浮出。多层焊时, 如果前一层的熔渣清理不彻底, 焊接操作又未能将其完全浮出, 也会在焊缝中形成夹渣。夹渣的外形很不规则, 大小差异也很悬殊, 对焊接质量的影响一般来说比气孔严重。 (4)裂纹裂纹是危害严重的焊接缺陷, 也是焊缝中常见的缺陷。裂纹是在焊接应力与其它致脆因素共同作用下, 焊接接头局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面(缝隙)。裂纹按照其形成原因可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹。由于螺旋焊管一般采用优质碳素钢和低合金钢材料, 焊完后也不再

27、进行热处理等工艺, 因此大多数裂纹是热裂纹和冷裂纹。冷裂纹经常出现的形态是: 焊道下裂纹、焊趾裂纹、焊缝根部裂纹, 见图2.5。图2.5裂纹1焊缝纵向裂纹 2焊缝横向裂纹3热影响区纵向裂纹 4弧坑裂纹5热影响区横向裂纹 6焊趾裂纹7热影响区贯穿裂纹 8焊缝根部裂纹9焊道下裂纹 10焊缝晶间裂纹(5)在螺旋焊管中由于成型不稳定引起错边, 焊接接头有效面积减少以与钢带对头时由于壁厚在公差带围发生变化而导致成型焊接不稳定, 在焊完焊后, 由于递送力很大也可能造成撕裂, 一般裂纹产生在焊缝中。综合上所述，常见的焊接缺陷大致与下述因素有关。见表2.3。表2.3 焊接缺陷产生的可能因素因素裂纹未焊透夹渣气

28、孔焊瘤咬边材料照管不当材料选用×焊机保养××电源与接地××夹具与转胎×工具与焊工管理××焊条选用×焊条保管×××焊接设计×坡口尺寸与类型×装配精度焊接位置×焊接顺序×焊接条件焊接操作标准××××注：-关系密切；×-关系不大。3.焊管常用的无损探伤种类与特点和检测方法3.1焊管焊缝常用的检测方法钢管是一种金属管道，应用在工业生产的各个方面。金属材料直接决定钢管的质量，优质材料的化学成分、物

29、理性能与几何形状都必须是连续的、单纯的和均匀的。如果这3方面存在不足或者受到破坏，该金属材料即为缺陷材料。钢管的缺陷可通过各种形式的探伤进行检测。常用的无损探伤方法有射线探伤、超声探伤、磁粉探伤、渗透探伤和涡流探伤。下面分别介绍:(1) 射线探伤。射线探伤（RT）是利用电磁波穿透工件，完好部位与缺陷部位透过剂量有差异，其程度与这两部分的材质、射线强度和透过方向与缺陷尺寸有关，从而形成缺陷影像。射线探伤的主要特点如下：1）图片上有完好部位与缺陷部位的黑度差形成的缺陷平面投影影象，一 般无法测量缺陷的深度；2)基本不受焊缝厚度限制； 3)要求焊缝双面靠近，检验成本高，时间长；4)对操作人员有射线损

30、伤射线探伤有利于检验出夹渣、气孔等体积形缺陷。对平行于射线方向的开口性缺陷有检出能力（2）渗透探伤。渗透探伤的原理是利用毛细作用将带有颜色的渗透液喷涂在焊缝表面上，使其渗入缺陷，清洗后施加显象剂显示缺陷彩色痕迹。渗透检测适用于各种金属工件，不要电源，缺陷性质容易辨认，渗透操作到显示缺陷约半小时。能够检测出光洁与清洁表面开口缺陷。（3）超声波探伤。超声探头发射的超声波在工件的不连续区产生反射，从而被探头和仪器接收。一般情况下，超声探伤主要用来探测钢管外表面与其部的纵向缺陷，根据用户需要也可探测横向缺陷。超声探伤有较高的检测灵敏度，对钢管中裂纹、直道等缺陷比较敏感，也能探测出非金属夹杂等体积型缺陷

31、。因此，它适用于检测质量高的无缝钢管，但由于检测速度较慢，难以在钢管检测的流水线上进行快速在线检测，因此一般作为高质量钢管的离线检测手段。（4）涡流探伤。涡流探伤是利用探头线圈流动的高频电流可在焊缝表面感应出涡流的效应，有缺陷会改变涡流磁场引起线圈输出(如电压或相位)变化来反映缺陷。涡流探伤检验参数控制相对困难，检验结果的解释稍微困难。可检验各种导电材料焊缝与堆焊层表面与近表面缺陷。适合于钢管质量检验的自动涡流探伤方法有点式探头探伤和穿过式探伤法2种。采用点式探头探伤高速旋转的方法来探测钢管中的纵向缺陷，其检测速度由探头的数量和其旋转的速度而定，一般来说比较慢，加之设备较复杂，因而其应用不太广

32、泛；采用穿过式探头检测钢管中的横向缺陷，这种方法设备简单，探伤速度快，且对钢管表面和近表面的常见缺陷如裂口、凹面、结疤与部分外折等有较高的检测灵敏度，因而成为钢管检测的主要方法。（5）漏磁探伤。钢管的漏磁探伤技术主要分为磁粉探伤法和磁场测定法2种。磁粉探伤是将焊缝磁化利用缺陷部位的漏磁通可吸附磁粉的现象得以形成缺陷痕迹以达到探伤效果的检测手段。磁粉探伤限于检验铁磁材料，要完全接近与工件表面，缺陷性质容易辨认，油漆与电镀面基本不影响检验灵敏度，但应做层膜厚度对灵敏度影响的试验。磁粉检测可以用来检表面与近表面缺陷。可需用肉眼来观察磁痕，因此难以实现自动化。磁场测定法尽管设备复杂，成本高且操作难度大

33、，但却是通过传感器来拾取漏磁场信息的，因此易于实现自动化探伤。（6）电磁超声探伤。超声探伤是利用弹性波在缺陷部位形成反射或衍射的方法提取缺陷信号，其信号强度与波的类型、探伤频率，缺陷的尺寸、取向与其表面状态以与完好部位和缺陷部位的材质有关。超声探伤的主要特点如下：1)显示器屏幕上缺陷波的幅度与位置代表缺陷的尺寸与深度，一般较难测量缺陷真实尺寸，只有采用衍射波法可测缺陷高度；2)厚度小于8mm时，要求特殊检验方法；3)焊缝只须单面靠近，检验时间短，成本低；4)对操作人员无损害。 超声探伤有利于检出裂纹类面积形缺陷。电磁超声传感器激发的超声波可沿着管材圆周方向传播，无须使钢管或传感器转动便可扫描钢

34、管的圆周。电磁超声探伤能同时探出压电超声、涡流、漏磁探伤各自能探出的缺陷，可实现自动检测保证生产节奏。综合分析各种检测方法的特点。不同材质焊缝探伤方法的选择见下表3.1.表3.1不同材质焊缝探伤方法的选择检验方法检验对象超声探伤射线探伤磁粉探伤渗透探伤涡流探伤铁素体钢焊缝 部缺陷××表面缺陷奥氏体钢焊缝 部缺陷××表面缺陷×铝合金焊缝 部缺陷××表面缺陷×其他金属焊缝 部缺陷××表面缺陷塑料接头焊缝×注：很适合 ：适合 ：有附加条件时适合 ×：不适合3.2超声波无损检测的优点

35、在各种检测方法中，磁粉、渗透和涡流三种检测方法，只能检查表面和近表面缺陷，对试件部的裂纹不敏感。射线检测法虽然可以用于检测部缺陷，但是它对裂纹等面形缺陷检测灵敏度低，另外由于其检测速度慢，并且需要专门的防护设备，因而大大限制了该方法的应用围。超声检测与射线检测相比，对不理想的波束方向有更大的适应性。它不仅对平面缺陷很敏感，而且对夹渣和气孔也有较高的灵敏性。此外，超声波对人体无害，并且检测速度快，操作方便，易于实现自动化，因此应用最为广泛。超声检测方法除了具有设备简单，使用方便和安全性好，检测围广等根本性的优点外，超声检测产生的时域波形信号形式，使得计算机信号处理、模式识别和人工智能等技术能够方

36、便的用于检测过程。计算机在超声检测中的应用，也使得超声检测的可靠性越来越高17l。目前已经超过了射线检测，成为最普遍应用的无损检测方法。普遍采用超声检测的另外一个原因，是为了采用断裂力学和损伤力学的知识对检测对象进行寿命估计，超声检测对微型裂纹敏感的特点J下符合这种需要。由此可见，超声检测在焊管的检测中有着广泛的用途，同时也占据着非常重要的作用，下面就超声检测技术加以详细说明4.焊管超声探伤技术4.1.超声波的原理与分类4.1.1超声波探伤的原理超声波无损检测主要是基于超声波在试件中的传播特性。首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自

37、身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。；根据接收的超声波的特征，焊管本身与其部是否存在缺陷与缺陷的特性。超声波无损检测的原理图如下：报警电路电源显示器时基电路同步电路接收放大电路发射电路图4.1 超声无损检测示意图同步电路：是超声波探伤仪的心脏和指挥中心，它有多谐振荡器产生周期性矩形同步脉冲，经微分电路后变成正负尖脉冲，触发闸流管后同时控制发射电路、时基电路、时标电路等部门进行步调一致的工作。发射电路发出频率一定的超声波脉冲,进行器件检测，检测结果通过放大电路送

38、到示波器的显示屏，根据波形显示来确定器件是否有瑕疵。4.1.2超声波探伤方法与分类超声波探伤法的种类很多，根据声耦合方式可分为接触法和液浸法两大类，按声波传播方式可分为反射法和透射法两种。按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调频波等探伤方法。按波形分又可分为纵波、横波、表面波和板波等。超声波探伤作为无损检验的一种重要手段，在工业上已获得广泛的应用。目前，从仪器品种、探头种类、探伤方法、自动化水平等各方面都在不断的革新和发展中。在超声波探伤中，由于使用的波型、发射和接收的方法、信号的显示方式、探头与工件耦合的特点、工件形状和缺陷类型、实现探伤的手段等都不一样，所以从不同的方面出发，就可以按不同

39、的归纳方式分类。如按自动化程度可以分为自动化探伤、半自动化探伤、手工探伤：按缺陷在荧屏上显示的方式可以分为：显示缺陷深度与反射波幅度的A型显示、显示在横截面上缺陷的形状和分布情况的B形显示、显示水平截面上缺陷形状和分布情况的C型显示。所以，要想把探伤的方法按一种格式严格分类是不可能的，现仅就常用的金属超声波探伤方法综合归纳于下表。表4.1 常用超声波探伤方法的分类脉冲反射法是目前运用最广泛的一种超声波探伤法。它使用的不是连续波，而是有一定持续时间按一定频率发射超声脉冲。探伤结果用示波器显示。脉冲发射法包括纵波直探头探伤法与横波斜探头探伤法两种。4.2螺旋焊管板材电磁超声检测方法目前, 螺旋焊管

40、行业一般在带钢或管体上采用压电超声波纵波多通道流状或摆动扫查探伤法。为保证各通道耦合良好、通道增益一致、边探探头跟踪位置正确, 故调校设备时间较长, 且由于探头直径和间距决定的探伤覆盖率等因素的影响, 无法对板厚6mm20mm的焊管板材进行100% 检测。而且探伤时, 如果水量太小, 则耦合不良, 影响探伤结果; 如果水量大, 则不易风干, 会影响焊接质量。而采用电磁超声装置, 其所用通道数量少, 具有调校设备时间短, 无需耦合剂, 覆盖面积大, 发现自然缺陷能力强的优点。经过多年的研究开发, 国有关部门采用电磁超声技术对铁磁性材料进行无损检测,目前已进入了工业应用阶段, 特别是在管材上运用电

41、磁超声检测取得了良好的效果。2007 年笔者单位已将EMA 电磁超声自动探伤装置成功地应用在西气东输二线工程土库曼斯坦阿姆河地面管线1067×12. 7 X70 和哈萨克斯坦中亚管线1067×15. 9 X70 与国东线1219×18. 4X80 螺旋钢管生产线上带钢板材分层的在线探伤。4.2.1基本原理超声波探伤探头机械结构如图4.2所示。其工作原理是: 曲轴转动时由连接杆带动探头支架左右往复摆动, 实现探头在钢板上的左右扫查。钢板的进板速度设置为两档, 快速档6m /m in( L =160mm)、慢速档3m /m in (L = 80 mm )。在单位时间,

42、 两种不同的进板速度使探头扫查钢板的轨迹不同, 因而扫查的面积也就不同, 探头扫查轨迹如图4.3所示。图4.2 探头机械结构图4.3 探头扫查轨迹4.2.2 探头布置与数量的确定（1）探头布置用超声波对钢板进行探伤时, 探头布置如图4.4所示, 探头扫查面积如图4.5所示。探头数量的确定应综合考虑钢板宽度标准、工艺所要求的覆盖面积以与检验速度等因素。图4.4探头布置示意图图4.5探头扫查面积示意图（2）探头的检测区域图3中, 中部探头左右摆动探伤的钢板区域宽度C = A - 2B, A 为钢板总宽度, B 为边探所探伤的钢板区域宽度; 钢板边缘部分的探头固定不动, 每侧各布置3只, 若探头的晶

43、片直径为20mm, 重合量取5mm, 则单侧边探探头扫查有效宽度为50mm。（3）探头扫查面积计算1）单个探头扫查面积已知: 电机转速为1 520 r/m in, 减速比为1：40, 曲轮半径为80mm, 探头直径为20mm, 进板速度选快速档, v = 6m /m in= 100mm / s。则有曲轴转速n= 1 520 /40=38 r /m in。由于曲轴的1转为探头的1个往复, 则探头1个往复的时间为60 ÷38= 1.6 s, 探头1个往复的前进距离为100 ×1.6= 160mm。则: 一只探头的扫查面积为( 2 ×80 ×314) 

44、5;201×10¹º。说明: 钢板前进和探头左右摆动同时进行,因而探头在钢板上的扫查轨迹为正弦波轨迹; 探头晶片直径20mm与一个正弦波轨迹的长度的乘积所形成的面积就是单个探头的扫查面积。2）探头数量确定探头数量可按( 1)式确定, 即探头数量= (钢板宽度- 边探覆盖面积)/一只探头扫查面积×探头一个周期长度×要求扫查面积(1)。说明: 边探覆盖面积按实际布置探头数量并减去重合量计算; 要求扫查面积依据标准与工艺而确定数值;该探头数量计算值与边探探头布置数量无关。以西气东输1 016mm×21mm钢管用钢板的探伤为例, 钢板宽度A

45、= 3 090mm, 使用探头晶片直径20mm, 探头1个扫查周期的长度L = 80mm,边探单边探头扫查有效宽度B = 50mm, 单只探头的扫查面积S = 10 000mm2, 要求扫查面积比例为50%, 则按( 1) 式可计算出该钢板探伤时所需的探头数量。探头数量=( 3 090- 100) ×80/10 000×50%= 11.9612(只)4.2.3检测工艺（1）工艺流程工艺流程见图4.6。钢管制造拒收或切除C.超声手动探伤 （评定结果）带钢移动电磁超声 板中扫查A自动探伤 板边扫查B合 B再测验 格 或检测 A（2）扫查方法扫查方法见表4.3。表4.3带钢板材扫

46、查方法项目检测方式检测围A.带钢体中固定扫查电磁超声脉冲反射法A. 对带钢板体母材25%的表面覆盖面积进行超声波自动扫查探伤。B. 对带钢两侧边缘45mm围母材, 进行100%超声波自动探伤。B.带钢两侧固定扫查C.评定结果手动检测A型超声脉冲反射法对板边缘和板体中部的母材可疑缺陷喷标部位进行压电超声手动复检。（3）闸门设置板面A1、A 2 探头报警闸门位置设置( 带钢体中) : 将板面A 1、A2 探头落到钢板表面, 施加磁化电流, 显示屏幕上出现始波和板边反射波, 将报警闸门的前沿紧靠始波的后沿, 报警闸门的后沿紧靠板边反射波的前沿, 此时闸门宽度围即为检测围。将6mm人工分层反射波高调节

47、为满幅度的100% 作为合格极限。板边B1、B2 探头报警闸门位置设置( 带钢两侧) : 将板边B1、B2 探头置于试板上, 探头声束对准6mm人工分层, 施加磁化电流, 移动探头找到6mm人工分层反射波的最高波, 调节发射频率和磁化电流, 使6mm人工分层反射波形最佳, 调节报警闸门的前沿紧靠始波后沿, 将报警闸门的后沿套住6mm人工分层反射波形, 调整增益调节器使6mm人工分层反射波高为满幅度的100% 作为合格极限。1. 组焊完成后将对接焊缝余高去除，粗糙度不低于6.32. 图中的 部分为线切割部位（a）1. 组焊完成后将对接焊缝余高去除，粗糙度不低于6.32. 图中的 部分为线切割部位

48、(b)1. 组焊完成后将对接焊缝余高去除，粗糙度不低于6.32. 图中的 部分为线切割部位(c)图4.7人工分层缺陷试样应用电磁超声波在螺旋焊管生产线上对板材进行自动化检测, 探伤灵敏度高, 检测速度快, 探头布置少, 扫查围广, 无需耦合剂, 对焊接质量无影响,仪器调校效率高, 操作便利, 完全满足现行钢管检测和附加标准的要求, 能有效地检测出板材分层缺陷。4.3自动超声波在线检测焊管焊缝钢管焊缝的无损检测一直是各企业难以解决而又巫待解决的重要问题，迫切需要开发一种适合于我国生产条件的自动化焊缝检测设备。本文将首先介绍一种用于螺旋焊接钢管焊缝检测的自动化超声波探伤系统整体组成，然后介绍作为检

49、测设备核心的焊缝跟踪机构的机械和电气结构，并介绍了系统自动探伤的工作过程。4.3.1探头的电磁机械跟踪探头跟踪是在电磁传感器的监控下完成 1 , 其工作原理是当钢管一端焊缝旋转到正上方位置时,系统启动, 探头落下, 钢管螺旋运动, 机械跟踪机构和电磁传感器也同时工作, 并不断将偏差数据送回控制部分, 经比较将执行信号传回跟踪伺服机构。这样在检测过程中始终保证探头架处于动态平衡状态( 图4.8) 。图4.8电磁检测信号采集精度高, 可鉴别1mm的偏差, 跟踪围达±15mm。整个系统操作简便、不怕水、无漂移、信号拾取可靠、跟踪平稳。两个探头对同一段焊缝扫查, 其分布情况如图1 所示。图中

50、L 为焊缝宽度, 一般约16mm。设L= L / 8, 当探头的K = 2 时, sin0. 9(是超声波折射角) , 则超声波在tL 中的往返传播时间为式中C-钢中的横波速度C = 3 230m/ s一个探头扫查6t, 焊缝另一侧探头也扫查6t两探头主声束覆盖整个焊缝以防止漏检。程序设计中, 保证缺陷波出现在始波到6. 5t之间有效。程序中设缺陷波闸门宽度为9us。实际探伤时, 可根据现场生产情况设置缺陷波闸门宽度。4.3.2探伤系统组成焊缝探伤比较有效的手段是采用脉冲反射式超声波检测技术。由于主要是判断是否存在缺陷，这里我们采用A型显示(A扫描)的超声波探伤仪。它利用超声波的反射特性，在荧

51、光屏上以纵坐标代表反射回波的幅度，以横坐标代表反射回波的传播时间，根据缺陷反射波的幅度和时间来确定缺陷的大小和存在的位置，如图4.9所示。图中，T为工件表面反射波，F为缺陷波，B为底面反射波。图4.9 扫描显示缺陷采用超声波探伤仪的自动化探伤系统组成结构如图6.2所示，整个系统由超声波探伤仪、运输小车和焊缝跟踪机构组成。超声波探伤仪用于焊缝探伤，这里采用沿圆周对称分布的6个斜探头以检测焊缝中存在的气孔、裂纹、夹渣、未焊透和未熔合等缺陷;运输小车用于移动钢管，检测时，将钢管放在运输小车上送到焊缝跟踪系统下方，小车一边前进，一边旋转钢管，两种运动合成为钢管的螺旋运动，理想情况下，钢管的进给和旋转严

52、格同步，在钢管焊缝螺旋角不变的条件下，焊缝严格位于探伤系统的检测围。焊缝跟踪系统是超声探伤仪的载体，用于跟踪钢管焊缝的中心。为保证检测的精度和可靠性，超声探头系统需要安装在焊缝跟踪系统上进行工作。其原因是:(1)探伤仪的探头系统对位置精度要求较高。由于超声探头系统本身的原理和结构的限制，要求探头系统必须具有很高的定位精度。(2)焊缝条件限制。理想情况下，钢管的焊缝为一参数固定的螺旋线，但在钢管焊接过程中有时会出现偏差，造成钢管焊缝几何参数发生变化，因而要求检测设备能够补偿这一种变化。(3)由于运输小车的运动不精确，难以保证进给和旋转两种运动的严格同步，从而导致焊缝相对探头系统发生偏移，因此，要

53、求检测设备必须能跟踪焊缝的偏移。图4.10 螺旋钢管焊缝自动超声探伤系统结构 在图4.10的系统中，采用两台交流变频调速电机实现运输小车的进给和钢管的旋转，由于钢管的质量大，钢管的进给和旋转无法严格同步，在检测初始阶段尤显著，因而焊缝跟踪系统是焊缝自动探伤设备的关键部分。4.3.3焊缝跟踪系统机械结构自动化超声波探伤对焊缝跟踪系统的要求很高，通常焊缝跟踪系统满足下述指标要求:1)适用钢管围:螺旋埋弧焊管外径337-1200;带钢宽度550-1500mm ;焊缝螺旋角10°-75°焊缝余高2 mm.;焊缝宽度8-30mm.2)焊缝切线运动速度:8m/min;3)焊缝位置跟踪精

54、度:士1 mm; 4)水平跟踪围:士300 mm;5)垂直跟踪围: 士150 mm根据指标要求，在设计焊缝跟踪系统时，在机械上采用两个平移自由度:一个为垂直方向，带动超声波探头架上下移动;另一个为水平方向，带动探头架在水平面沿钢管母线方向移动，以实现对钢管焊缝偏移的跟踪。焊缝跟踪系统机械结构如图3所示。探头架安装在垂直螺母上。两个自由度均采用丝杠副实现平移运动，各采用一台交流伺服电机通过减速器驱动。电机轴到丝杠轴的减速比为9，丝杠的螺距为6mm,电机最高转速为300 r/min，由上述参数得到水平垂直机构的最大跟踪线速度为2m/min，根据实际条件下测得的焊缝偏移统计数据，此系统能够满足跟踪速

55、度的要求。根据传动方式和系统机械结构参数，将所有转动惯量折算到电机轴上，依照公式:W（额）(3一4) W（轴）计算，取两个交流伺服电机的额定功率为200 W。上式Wo为电机的额定转矩，WM为电机轴上的转矩。4.3.4焊缝跟踪系统电气系统结构焊缝跟踪系统电气部分组成如图4.11所示，它主要由以下几部分构成。(1)工业控制计算机。系统不仅要实现各种控制功能，还要具有良好的操作界面。这里采用一台Pentirun586工业控制计算机作为系统主机，编制了基于Windows95的图形模式操作软件，可在显示器上实时显示焊缝外观的三维信息，并且具有设备的各种状态显示和报警提示，易于掌握和使用。操作面板焊缝位置传感器伺服电机 驱动器焊缝传感器接口卡数字量输出卡数字量输入卡定时器/计数器卡ISA总线工控机图4.11焊缝跟踪系统电气结构(2)数字量输人卡用于扫描操作面板上各种操作按钮的状态、伺服驱动器的状态以与各个轴方向的零位和极限开关，通过ISA总线传递给工控机，以确定应该采取的操作。数字量输出卡用于控制伺服系统的上电、操作模式以与指示灯的状态。(3)焊缝位置传感器。目前的探伤跟踪系统中多采用电磁式差动传感器和摄像头作为焊