无缝钢管超声涡流联合探伤方法研究

厦门艾帝尔电子科技有限公司 陈金贵

冶金标准研究院 黄 颖

分析了无缝钢管探伤的现状以及各种因素对无缝钢管探伤结果的影响，并详细介绍了将电容耦合旋转超声+穿过式涡流检测用于高要求的无缝钢管联合探伤的特点和设计。

一、无缝钢管探伤现状分析

随着国民经济的发展，我国在“十二五”期间无缝钢管的年需求量大幅度增加，并明显呈现出高性能的发展趋势。耐腐蚀、抗挤压的油井管和高压锅炉管及高质量的石油裂化管、石油石化输送管线管等，将成为需求的热点。由此，对无缝钢管的无损检测提出了新要求。

目前，我国冶金行业对高压锅炉用无缝钢管的检测主要集中应用在φ89～159mm规格，并大多采用传统的穿过式线圈的涡流探伤或者独立水槽式超声检测方法。对于高质量中口径钢管的探伤，一般采用漏磁法或水压实验。在国内，尚没有钢管漏磁探伤设备，而进口漏磁探伤设备价格昂贵，国内大多数企业难以接受；并且水压试验效率低、劳动强度大，特别是在操作者责任心不高的情况下，水压检验形同虚设。因此，实现无缝钢管的探伤已经成为冶金钢管行业亟待解决的课题。

二、旋转超声、穿过式涡流的联合探伤原理

1.超声检测无缝钢管的机理及优缺点

超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响。通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测(见图1)。无缝钢管超声检测方法通常用脉冲反射法。整套系统包括检测装置、检测附件两部分，采用数字超声分析技术、DAC曲线分析、多幅技术，实现缺陷自动检测，并输出自动分选信号、报警及标记信号。

仪器产生的多个高压脉冲，脉冲加到晶体通过耦合剂渗透到被检测材料中，当工件内部存在缺陷、材质不连续等情况时，将引起回波时间的变化，仪器通过对测量回波的时间和声速进行处理，实现缺陷检测和位置判定。

图1 超声检测原理

超声检测法的穿透能力较大，在钢中的有效探测深度可达1 000mm以上，对裂纹、夹层等探伤灵敏度较高，并可测定缺陷的深度和大小，操作简单安全，易于实现自动化。不足之处有：要求被检查表面有一定的粗糙度；需有耦合剂保证耦合；由于超声发射到检查表面，在折射的同时有部分声源被反射回去，因此存在检测盲区，需要其他检测方法来弥补。

旋转式超声波检测主要检测横向、纵向、分层及测厚，探头的布局对检测速度影响非常大，如纵向缺陷检测速度20～40m/min，横向缺陷检测速度4～8m/min，为此，此法可主要针对纵向缺陷，高速高效检测“横向缺陷”时可采用穿过式涡流检测。

导电滑环属于电接触滑动连接应用范畴，特别适合应用于无限制的连续旋转，同时又需要从固定位置到旋转位置传送功率或数据的场所，采用非接触式可以提高旋转速度与信号的除数的稳定性。

2.穿过式涡流检测的机理和优缺点

当载有交变电流的检测线圈靠近导电试件时，试件中会产生涡流，涡流的大小、相位及流动形式受到试件导电性能的影响。涡流也会产生一个磁场，这个磁场反过来又会使检测线圈的阻抗发生变化。因此，通过测定检测线圈阻抗的变化，就可以判断出被测试件的性能及缺陷。常规探头有点式、平面式(见图2)、穿过式、组合式等。

图2 平面线圈涡流检测原理

涡流探伤法对于钢管的横向缺陷或者孔状缺陷的检测灵敏度很高，对沿钢管轴向分布的裂纹和折叠缺陷的检测灵敏度不高，因此采用“穿过式”主要针对横向缺陷。

3.组合方法的优势

电容耦合旋转超声(见图3)与穿过式涡流组合检测，可有效检测无缝钢管的“横向/纵向缺陷”，并能够实现高效的特点，充分发挥各自的优点，并可解决检测盲区、检测深度的问题。

三、无缝钢管自动探伤探头定位机械结构

在自动探伤中，效应和耦合层稳定性差是漏检和误报的主要原因。长期以来，由于提离波动及耦合层厚度变化引起检测可靠性下降问题成为自动探伤技术应用的瓶颈。

图3 电容耦合旋转超声检测

解决提离效应的办法主要有探头的机械跟踪法、探头线圈的桥式接法、改变检测线圈LC回路的电容值和使用多频检测技术等。除机械跟踪法外，其他的几种解决办法都是通过改进探头和仪器来实现的。机械跟踪只改进探头架，防止提离间隙的变化，最常用的探头机械跟踪模式有两种：一是采用辊轮限位与气缸或弹簧顶推相结合的方法，使检测探头与被检工件表面之间保持恒定距离，虽然这种方法对抑制提离效应能起到较好的作用，但同时会使振动噪声加大；另一种采用探头机械跟踪，利用测距探头即时测出探头提离间隙的波动情况，并用测距信号来控制步进电机带动检测探头动作，保证探头与被检工件之间的间隙恒定。这种方法适用于板材或坯材等平面扫查探伤，缺点是反应速度慢、结构复杂。

如果将探头装入一个模块中，采用二级弹簧顶推使检测探头与工件表面距离保持恒定，提高了探头随动性，探伤效果也得到保证。

四、实际应用

无缝钢管分为无缝钢管(冷拨、热扎)、波纹管、螺旋焊管等。以石油套管为例，应用涡流+超声自动探伤检测的结构如图4所示。

图4 穿过式涡流+旋转超声检测钢管

机械传动装置实现了高性能无缝钢管的自动检测，能够满足GB/T7735-2004和GB/T5777-2008标准要求。实践应用表明，它完全能够解决无缝钢管表面和内部检测的难题。