HFW 焊管串列式超聲波自動探傷技術

陳 鵬，周長忠

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼）HFW 生產線生產的焊管產品外徑范圍為219.1～610 mm，壁厚范圍為4～20.6 mm［1-14］。按照API Spec 5L—2018《管線鋼管規范》和ISO 3183—2019《石油和天然氣工業—管道輸送系統用鋼管》等標準規定，應對焊縫采用超聲波探傷等方法進行無損檢驗。

超聲波檢測主要是基于超聲波在工件中的傳播特性，如聲波在通過材料時能量會損失，在遇到聲阻抗不同的兩種介質分界面時會發生反射。目前用的最多的是脈沖反射法，其原理為：聲源產生的脈沖波進入到工件中—超聲波在工件中以一定方向和速度向前傳播—遇到兩側聲阻抗有差異的界面時部分聲波被反射—檢測設備接受和顯示—分析聲波幅度和位置等信息，評估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。兩側聲阻抗有差異的界面可能是材料中某種缺陷（不連續），如夾雜、裂紋、未焊透、氣孔、夾渣等，也可能是工件的外表面毛刺等缺陷。聲波反射的程度取決于界面兩側聲阻抗差異的大小、入射角以及界面的面積等。

對于大壁厚的HFW 高頻直縫焊管，殼牌等高端用戶提出需對壁厚大于12 mm 的HFW 高頻直縫焊管進行串列式探傷的技術要求。其理論依據為，傳統超聲波探傷方式超聲波聲束有效聲束寬度為6 mm，超過12 mm 壁厚的大壁厚鋼管，中間區域存在盲區，無法檢測到，故需要通過探頭串列的方式進行探傷，方可保證大壁厚鋼管整個壁厚范圍內均可覆蓋。

為此，寶鋼HFW 焊管生產線增設了串列式超聲波自動探傷設備，為國內第一家擁有串列式超聲波自動探傷技術的HFW 焊管制造廠家，有效地保障了大壁厚焊管中間區域的焊縫質量。

1 寶鋼HFW 生產線焊縫探傷設備介紹

寶鋼HFW 生產線共有焊縫探傷2 套，1 套為常規的焊縫超聲波探傷設備，1 套為串列式超聲波自動探傷設備。2 套設備均用于檢測HFW 焊管焊縫區域，常規焊縫超聲波探傷設備檢測近外表6 mm 區域缺陷及近內表6 mm 區域缺陷，串列式超聲波自動探傷設備用于檢測焊縫中間區域缺陷。焊縫超聲波探傷設備與串列式超聲波自動探傷設備配合可對大于12 mm 壁厚的大壁厚HFW 焊管進行全壁厚覆蓋的超聲波檢測，實現焊縫探傷壁厚方向無盲區，滿足殼牌等高端用戶對HFW 大壁厚焊管的探傷技術要求。

2 串列式超聲波自動探傷原理

串列式超聲波探傷：采用水膜耦合脈沖反射法對HFW 焊管焊縫進行探傷，水層距離為0.3 mm左右。采用兩個探頭串列的方式對焊縫進行探傷，探頭晶片為方晶片，靠近焊縫內側的探頭為聲束發射探頭，靠近焊縫外側的探頭為聲束接收探頭。聲束在鋼管內的折射角為45°，聲束發射探頭將聲束發射至鋼管內部，聲束檢測到缺陷后，聲束通過在鋼管內的反射將缺陷回波反射至聲束接收探頭，聲束接收探頭接收到缺陷信號后對信號進行處理，缺陷信號回波在儀表屏幕上反應出來并形成缺陷回波。串列式超聲波自動探傷原理如圖1 所示。

圖1 串列式超聲波自動探傷原理

3 串列式超聲波自動探傷探頭及通道設置

串列式超聲波自動探傷設備共有兩組探頭架，每組探頭架上面有兩對探頭，每組探頭架上共有4個探頭，整個系統共有8 個探頭。串列式超聲波自動探傷探頭分布如圖2 所示。

圖2 串列式超聲波自動探傷探頭分布

當鋼管壁厚在12～18 mm，只需使用1 組探頭架，1～4 探頭架或5～8 探頭架。探傷功能：通道1和通道4；耦合功能：通道2 和通道3。

當鋼管壁厚在18～24 mm，則需使用2 組探頭架，1～4 探頭架和5～8 探頭架。探傷功能：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。

探傷功能實現方法：內側探頭為聲束發射探頭，外側探頭為聲束接收探頭，例如1、2 號探頭組合為1 號通道，2 號探頭為聲束發生探頭，1 號探頭為聲束接收探頭，兩探頭組合為一組串列探傷通道，實現對HFW 大壁厚鋼管中間區域的串列探傷功能。

耦合監控功能實現方法：內側探頭為聲束發射探頭，對側外側探頭為聲束接收探頭，例如2 號探頭為聲束發射探頭，4 號探頭為聲束接收探頭，當4 號探頭可接收到2 號發射的聲束時，則耦合良好，耦合通道顯示正常。

4 串列式超聲波自動探傷設備介紹

串列式超聲波自動探傷設備主要包括：立柱橫梁、探傷小車、串列檢測探架、焊縫識別及跟蹤機構、電氣控制系統、耦合水系統、電控系統及檢測儀器等組成，設備布置如圖3 所示。

圖3 串列式超聲波自動探傷設備布置示意

4.1 立柱橫梁

立柱橫梁全長約23 m，一側安裝有全長輥輪導軌，主要用于探傷小車行走。橫梁上方安裝有全長齒條，鋪設有探傷車拖鏈，橫梁距離地面高度約為1 800 mm。

4.2 探傷小車

探傷小車由探傷小車平移基座及驅動機構（X向）、鋼管規格升降基座及升降機構（Z向）、焊縫跟蹤調節機構（Y向）、平行四邊形焊縫調節結構（Z向）、探頭架及探頭架升降機構等組成。

探傷小車平移、焊縫跟蹤等通過伺服系統進行驅動，探傷小車升降通過。小車通過導柱、導套與平行四邊形機構的底座連接，伺服電機驅動通過驅動平行四邊形機構的底座實現Y方向的焊縫跟蹤。

4.3 焊縫檢測探架

串列焊縫檢測探架可帶2 組串列檢測探頭組。單組串列探頭組由直線軸承以及作用氣缸等實現升降和動態適應。

4.4 串列探架

串列探架主要由連接板、調節安裝板、調節機構、帶導桿氣缸、探頭調節座、相控陣探頭水包、耐磨塊等部件組成。

4.5 噴標裝置

噴標機構主要是由供氣電磁閥、噴槍、料罐、位置編碼器等構成。當檢測結果中存在檢測缺陷，該缺陷到達噴槍位置時進行噴標作業。

4.6 水循環系統

供水系統主要包括袋卷筒紙過濾機的不銹鋼低位水箱、增壓泵、水閥、管路、止回閥、消泡器、排污泵、集水過濾池等，主要功能是提供探傷時耦合水的供給。

4.7 焊縫跟蹤系統

焊縫跟蹤系統利用導向線通過圖像識別的方式對焊縫進行跟蹤。焊縫位置通過焊縫圖像識別跟蹤系統識別后，由探傷小車上的焊縫跟蹤執行機構進行實施，實現焊縫檢測時的焊縫實時跟蹤。

4.8 電控系統

電控系統具有緊急停車控制、安全保護控制，可通過人機界面顯示系統故障信息及報警。

4.9 儀器及軟件系統

軟件功能及特點：

（1）單個通道絕對獨立，獨立擁有自身通道的發射接收及信號處理系統；探傷參數能獨立可調和統一調整，探傷工藝參數允許單獨保存和調用，每個通道有3 個探傷閘門，每個閘門可獨立調節，以適用于不同功能的檢測；

（2）探傷軟件有耦合監控功能，包括界面波、底波耦合監控等；

（3）各通道實時顯示，通道波形顯示區域可單個通道放大顯示，亦可同時顯示特定的通道，顯示序列可自行定義；

（4）檢測過程中，多重檢測圖像單獨或并行顯示，顯示方式為A 掃波形、帶狀圖等，對報警（超標）的缺陷峰值數字化顯示；

（5）軟件須具有較強智能辨偽功能，如水雜波，突發的尖脈沖。報警閘門應隨底波的移動而移動，避免底波前沿進入閘門而造成的誤報問題；

（6）軟件的完備性和可靠性方面，解決軟件長時間運行出現死機，閘門內有傷波不報警等問題，防止系統錯誤，軟件破壞，數據丟失；

（7）探傷軟件能在操作界面上設置底波與傷波比較條件；

（8）底波失波報警、傷波報警、耦合報警，在聲、光報警的同時，在界面上顯示，并表明報警通道和性質；自動聲光報警及噴標輸出；

（9）結合電氣控制，可以完成自動檢測，自動缺陷波捕捉和自動存儲記錄，存儲的記錄需在缺陷波位置處（或耦合不良處）顯示該缺陷波（或耦合不良處）在鋼管上的位置信息，每根被檢測鋼管記錄一個文件，文件名支持自定義。焊縫與母材探傷結果對應一根鋼管整合為一個鋼管缺陷圖形顯示畫面，在畫面上手探人員能準確查看焊縫及母材缺陷位置，方便手探崗位人員有針對性復查；

（10）樣管校驗后可自動生成校驗報告；

（11）檢測過程全信息記錄，按管號保存文件，可自定義保存路徑，探傷過程結束自動保存，保存的文件可分別按工程、日期、班別、管號等信息進行檢索（檢索完畢，可進行質量分析，生成缺陷率，不同類型缺陷比例等信息），并可通過脫機分析軟件進行回放便于后期處理；

（12）可實現探傷工藝參數的批量復制、導出另存、工藝導入等，可實現檢測員動態管理，檢測員可隨時進行添加、刪除和更改等；

（13）探傷記錄報告和探傷統計報表輸出，且修正方便，操作簡單；

（14）檢驗記錄按生產班形成探傷報告，探傷報告符合API 標準要求；樣管校驗記錄、鋼管探傷記錄、探傷報告上傳互制造企業生產過程執行系統（Manufacturing Execution System，MES），便于專業技術人員查閱及統計分析。

5 串列式超聲波自動探傷樣管圖紙設計要求

對于12～17.9 mm 壁厚HFW 高頻焊管壁厚樣管設計要求，人工缺陷平底孔需刻在50%壁厚處，平底孔底部必須為平底且必須垂直于焊縫，底部必須在焊縫上。

對于18～20.6 mm 壁厚HFW 高頻焊管壁厚樣管設計要求，人工缺陷平底孔需刻在40%及60%壁厚處，平底孔底部必須為平底且必須垂直于焊縫，底部必須在焊縫上。

6 串列式超聲波自動探傷樣管校驗樣張

Φ244.48 mm×12 mm 規格HFW 焊管樣管的串列式探傷校驗樣張如圖4 所示。5 號及8 號通道為缺陷檢測通道，顯示的回波為需檢測平底孔的回波反射波形；6 號及7 號通道為耦合監控通道，監控耦合是否正常。

圖4 Φ244.48 mm×12 mm 規格HFW 焊管探傷檢驗樣張

Φ406.4 mm×18.03 mm 規格HFW 焊管樣管的串列式探傷校驗樣張如圖5 所示。1 號、4 號、5號、8 號通道為缺陷檢測通道，顯示的回波為需檢測的平底孔的缺陷回波；2 號、3 號、6 號、7 號通道為耦合監控通道，監控耦合是否正常。

目前，該串列式探傷設備已廣泛應用于HFW產品的檢測作業，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 等規格海管產品及管線管項目。

7 結語

通過探頭串列組合的形式形成串列式探頭探傷組合，可對大壁厚鋼管中間區域進行探傷檢測，有效地保障了大壁厚HFW 焊管中間區域的焊縫質量。寶鋼已成為國內首家實現HFW 焊管產品串列式超聲波自動探傷的廠家，滿足殼牌等高端用戶對HFW 焊管大壁厚鋼管的檢測要求。