HFW 焊管串列式超声波自动探伤技术

陈 鹏，周长忠

（宝山钢铁股份有限公司，上海 201900）

宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢）HFW 生产线生产的焊管产品外径范围为219.1～610 mm，壁厚范围为4～20.6 mm［1-14］。按照API Spec 5L—2018《管线钢管规范》和ISO 3183—2019《石油和天然气工业—管道输送系统用钢管》等标准规定，应对焊缝采用超声波探伤等方法进行无损检验。

超声波检测主要是基于超声波在工件中的传播特性，如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。目前用的最多的是脉冲反射法，其原理为：声源产生的脉冲波进入到工件中—超声波在工件中以一定方向和速度向前传播—遇到两侧声阻抗有差异的界面时部分声波被反射—检测设备接受和显示—分析声波幅度和位置等信息，评估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、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），如夹杂、裂纹、未焊透、气孔、夹渣等，也可能是工件的外表面毛刺等缺陷。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。

对于大壁厚的HFW 高频直缝焊管，壳牌等高端用户提出需对壁厚大于12 mm 的HFW 高频直缝焊管进行串列式探伤的技术要求。其理论依据为，传统超声波探伤方式超声波声束有效声束宽度为6 mm，超过12 mm 壁厚的大壁厚钢管，中间区域存在盲区，无法检测到，故需要通过探头串列的方式进行探伤，方可保证大壁厚钢管整个壁厚范围内均可覆盖。

为此，宝钢HFW 焊管生产线增设了串列式超声波自动探伤设备，为国内第一家拥有串列式超声波自动探伤技术的HFW 焊管制造厂家，有效地保障了大壁厚焊管中间区域的焊缝质量。

1 宝钢HFW 生产线焊缝探伤设备介绍

宝钢HFW 生产线共有焊缝探伤2 套，1 套为常规的焊缝超声波探伤设备，1 套为串列式超声波自动探伤设备。2 套设备均用于检测HFW 焊管焊缝区域，常规焊缝超声波探伤设备检测近外表6 mm 区域缺陷及近内表6 mm 区域缺陷，串列式超声波自动探伤设备用于检测焊缝中间区域缺陷。焊缝超声波探伤设备与串列式超声波自动探伤设备配合可对大于12 mm 壁厚的大壁厚HFW 焊管进行全壁厚覆盖的超声波检测，实现焊缝探伤壁厚方向无盲区，满足壳牌等高端用户对HFW 大壁厚焊管的探伤技术要求。

2 串列式超声波自动探伤原理

串列式超声波探伤：采用水膜耦合脉冲反射法对HFW 焊管焊缝进行探伤，水层距离为0.3 mm左右。采用两个探头串列的方式对焊缝进行探伤，探头晶片为方晶片，靠近焊缝内侧的探头为声束发射探头，靠近焊缝外侧的探头为声束接收探头。声束在钢管内的折射角为45°，声束发射探头将声束发射至钢管内部，声束检测到缺陷后，声束通过在钢管内的反射将缺陷回波反射至声束接收探头，声束接收探头接收到缺陷信号后对信号进行处理，缺陷信号回波在仪表屏幕上反应出来并形成缺陷回波。串列式超声波自动探伤原理如图1 所示。

图1 串列式超声波自动探伤原理

3 串列式超声波自动探伤探头及通道设置

串列式超声波自动探伤设备共有两组探头架，每组探头架上面有两对探头，每组探头架上共有4个探头，整个系统共有8 个探头。串列式超声波自动探伤探头分布如图2 所示。

图2 串列式超声波自动探伤探头分布

当钢管壁厚在12～18 mm，只需使用1 组探头架，1～4 探头架或5～8 探头架。探伤功能：通道1和通道4；耦合功能：通道2 和通道3。

当钢管壁厚在18～24 mm，则需使用2 组探头架，1～4 探头架和5～8 探头架。探伤功能：通道1和通道4、通道5 和通道8；耦合功能：通道2 和通道3、通道6 和通道7。

探伤功能实现方法：内侧探头为声束发射探头，外侧探头为声束接收探头，例如1、2 号探头组合为1 号通道，2 号探头为声束发生探头，1 号探头为声束接收探头，两探头组合为一组串列探伤通道，实现对HFW 大壁厚钢管中间区域的串列探伤功能。

耦合监控功能实现方法：内侧探头为声束发射探头，对侧外侧探头为声束接收探头，例如2 号探头为声束发射探头，4 号探头为声束接收探头，当4 号探头可接收到2 号发射的声束时，则耦合良好，耦合通道显示正常。

4 串列式超声波自动探伤设备介绍

串列式超声波自动探伤设备主要包括：立柱横梁、探伤小车、串列检测探架、焊缝识别及跟踪机构、电气控制系统、耦合水系统、电控系统及检测仪器等组成，设备布置如图3 所示。

图3 串列式超声波自动探伤设备布置示意

4.1 立柱横梁

立柱横梁全长约23 m，一侧安装有全长辊轮导轨，主要用于探伤小车行走。横梁上方安装有全长齿条，铺设有探伤车拖链，横梁距离地面高度约为1 800 mm。

4.2 探伤小车

探伤小车由探伤小车平移基座及驱动机构（X向）、钢管规格升降基座及升降机构（Z向）、焊缝跟踪调节机构（Y向）、平行四边形焊缝调节结构（Z向）、探头架及探头架升降机构等组成。

探伤小车平移、焊缝跟踪等通过伺服系统进行驱动，探伤小车升降通过。小车通过导柱、导套与平行四边形机构的底座连接，伺服电机驱动通过驱动平行四边形机构的底座实现Y方向的焊缝跟踪。

4.3 焊缝检测探架

串列焊缝检测探架可带2 组串列检测探头组。单组串列探头组由直线轴承以及作用气缸等实现升降和动态适应。

4.4 串列探架

串列探架主要由连接板、调节安装板、调节机构、带导杆气缸、探头调节座、相控阵探头水包、耐磨块等部件组成。

4.5 喷标装置

喷标机构主要是由供气电磁阀、喷枪、料罐、位置编码器等构成。当检测结果中存在检测缺陷，该缺陷到达喷枪位置时进行喷标作业。

4.6 水循环系统

供水系统主要包括袋卷筒纸过滤机的不锈钢低位水箱、增压泵、水阀、管路、止回阀、消泡器、排污泵、集水过滤池等，主要功能是提供探伤时耦合水的供给。

4.7 焊缝跟踪系统

焊缝跟踪系统利用导向线通过图像识别的方式对焊缝进行跟踪。焊缝位置通过焊缝图像识别跟踪系统识别后，由探伤小车上的焊缝跟踪执行机构进行实施，实现焊缝检测时的焊缝实时跟踪。

4.8 电控系统

电控系统具有紧急停车控制、安全保护控制，可通过人机界面显示系统故障信息及报警。

4.9 仪器及软件系统

软件功能及特点：

（1）单个通道绝对独立，独立拥有自身通道的发射接收及信号处理系统；探伤参数能独立可调和统一调整，探伤工艺参数允许单独保存和调用，每个通道有3 个探伤闸门，每个闸门可独立调节，以适用于不同功能的检测；

（2）探伤软件有耦合监控功能，包括界面波、底波耦合监控等；

（3）各通道实时显示，通道波形显示区域可单个通道放大显示，亦可同时显示特定的通道，显示序列可自行定义；

（4）检测过程中，多重检测图像单独或并行显示，显示方式为A 扫波形、带状图等，对报警（超标）的缺陷峰值数字化显示；

（5）软件须具有较强智能辨伪功能，如水杂波，突发的尖脉冲。报警闸门应随底波的移动而移动，避免底波前沿进入闸门而造成的误报问题；

（6）软件的完备性和可靠性方面，解决软件长时间运行出现死机，闸门内有伤波不报警等问题，防止系统错误，软件破坏，数据丢失；

（7）探伤软件能在操作界面上设置底波与伤波比较条件；

（8）底波失波报警、伤波报警、耦合报警，在声、光报警的同时，在界面上显示，并表明报警通道和性质；自动声光报警及喷标输出；

（9）结合电气控制，可以完成自动检测，自动缺陷波捕捉和自动存储记录，存储的记录需在缺陷波位置处（或耦合不良处）显示该缺陷波（或耦合不良处）在钢管上的位置信息，每根被检测钢管记录一个文件，文件名支持自定义。焊缝与母材探伤结果对应一根钢管整合为一个钢管缺陷图形显示画面，在画面上手探人员能准确查看焊缝及母材缺陷位置，方便手探岗位人员有针对性复查；

（10）样管校验后可自动生成校验报告；

（11）检测过程全信息记录，按管号保存文件，可自定义保存路径，探伤过程结束自动保存，保存的文件可分别按工程、日期、班别、管号等信息进行检索（检索完毕，可进行质量分析，生成缺陷率，不同类型缺陷比例等信息），并可通过脱机分析软件进行回放便于后期处理；

（12）可实现探伤工艺参数的批量复制、导出另存、工艺导入等，可实现检测员动态管理，检测员可随时进行添加、删除和更改等；

（13）探伤记录报告和探伤统计报表输出，且修正方便，操作简单；

（14）检验记录按生产班形成探伤报告，探伤报告符合API 标准要求；样管校验记录、钢管探伤记录、探伤报告上传互制造企业生产过程执行系统（Manufacturing Execution System，MES），便于专业技术人员查阅及统计分析。

5 串列式超声波自动探伤样管图纸设计要求

对于12～17.9 mm 壁厚HFW 高频焊管壁厚样管设计要求，人工缺陷平底孔需刻在50%壁厚处，平底孔底部必须为平底且必须垂直于焊缝，底部必须在焊缝上。

对于18～20.6 mm 壁厚HFW 高频焊管壁厚样管设计要求，人工缺陷平底孔需刻在40%及60%壁厚处，平底孔底部必须为平底且必须垂直于焊缝，底部必须在焊缝上。

6 串列式超声波自动探伤样管校验样张

Φ244.48 mm×12 mm 规格HFW 焊管样管的串列式探伤校验样张如图4 所示。5 号及8 号通道为缺陷检测通道，显示的回波为需检测平底孔的回波反射波形；6 号及7 号通道为耦合监控通道，监控耦合是否正常。

图4 Φ244.48 mm×12 mm 规格HFW 焊管探伤检验样张

Φ406.4 mm×18.03 mm 规格HFW 焊管样管的串列式探伤校验样张如图5 所示。1 号、4 号、5号、8 号通道为缺陷检测通道，显示的回波为需检测的平底孔的缺陷回波；2 号、3 号、6 号、7 号通道为耦合监控通道，监控耦合是否正常。

目前，该串列式探伤设备已广泛应用于HFW产品的检测作业，如Φ273 mm×14.3 mm、Φ323.9 mm×15.9 mm、Φ355.6 mm×14.3 mm、Φ355.6 mm×15.9 mm、Φ457 mm×15.9 mm、Φ457 mm×17.5 mm、Φ406.4 mm ×14.3 mm、Φ406.4 mm ×18.03 mm、Φ457 mm×20.6 mm 等规格海管产品及管线管项目。

7 结语

通过探头串列组合的形式形成串列式探头探伤组合，可对大壁厚钢管中间区域进行探伤检测，有效地保障了大壁厚HFW 焊管中间区域的焊缝质量。宝钢已成为国内首家实现HFW 焊管产品串列式超声波自动探伤的厂家，满足壳牌等高端用户对HFW 焊管大壁厚钢管的检测要求。