钢质管线采用全自动超声波检测横波声速测定方法研究

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钢质管线采用全自动超声波检测横波声速测定方法研究
闫留青，裴 彪
（海洋石油工程股份有限公司技术服务分公司，天津 300452）
摘 要：
在钢质管线制造过程中，由于各管厂的钢材轧制和制造工艺的差异，导致管材具有高度的各向异性，进而导致不同管厂生产的钢质管线的超声波声速有较大差异。

由Snell 定律可知，超声波声速变化使得聚焦声束将偏离工艺设计中的聚焦区域，导致我们无法准确检测焊缝各个分区。

根据DNVGL-ST-F101标准要求，全自动超声波检测工艺（AUT）应用中，横波声速的偏差不能大于±20m/S。

为测量钢质管线中横波的实际声速，本文依托管径为12寸（323.9mm），壁厚15.9mm 的钢质管线，参照DNVGL-ST-F101标准要求，加工了横波声速测定试块。

详细描述了运用AUT 检测系统和横波声速探头，测定该规格管线中实际的横波声速，为后续AUT 系统校准提供了有力的数据支持。

关键词：
钢质管线；Snell 定律；AUT ；横波声速中图分类号：TG115.285 文献标识码：A 文章编号：
11-5004（2020）23-0211-2收稿日期：
2020-12作者简介：闫留青，男，生于1987年，工程师，研究方向：海洋工程质量控制、NDT 技术的应用。

随着地下管道的应用越来越广泛，全自动超声波检测技术
（AUT）以其高效、精确、环保的优势，成为地下管道环焊缝检测的首选方法。

而钢质管线在制造过程中，由于各管厂的钢材轧制和制造工艺的差异，导致不同管厂生产的管材的超声波声速[1]存在较大差异。

如果声速差异较大，根据Snell 定律可知，超声波聚焦声束将偏离工艺设计中的聚焦区域，导致我们无法准确检测焊缝各个分区[2]。

为确保AUT 检测系统焊缝检测聚焦区域以及后续系统校准的准确度，需对管材的横波声速进行测定并输入AUT 系统开展后续的系统校准工作。

本文依托管径为323.9mm，壁厚15.9mm 的钢质管线，加工了横波声速测定试块，详细描述了运用AUT 检测系统和横波声速探头，测定管线中实际的横波声速的步骤和方法。

1 AUT技术简介及系统校准概述1.1 AUT 技术简介
全自动超声波检测技术（AUT）早期亦称之为焊缝分区检测技术。

该技术主要是根据检测焊缝的坡口形式、壁厚等参数进行工艺设计，并对AUT 检测系统进行校准，通过AUT 扫查器对焊缝进行数据采集，通过系统分析软件对采集到的信号进行数字信号处理，并转化成带状图进行显示（如下图1所示），最终技术人员根据带状图信号评估焊缝的焊接质量。

AUT 检测系统如下图2
所示。

图1 AUT
带状图显示
图2 AUT 检测系统
1.2 AUT 系统校准概述
AUT 系统校准是将系统初始设置中各个通道在校准试块（如图3所示）与之对应反射体上，将反射体回波调整到80%FSH 基准波高，以此实现对AUT 系统进行校准，AUT 系统校准图如下图4
所示。

图3 AUT
校准试块
图4 AUT 系统校准图
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2 横波声速测定试验原理和试块设计
2.1 试验原理
钢质管线横波声速测定需依托横波声速测定试块开展。

横波声速测定试块需选用与管材同一管厂生产的、同一材质、同一管径、同一壁厚的材料进行加工。

使用专用横波声速探头、非牛顿流体耦合剂和AUT设备进行测定。

横波声速计算方法为：V=2d/t。

其中V为横波声速；d为试块厚度；t为AUT设备通过脉冲反射法测得的时间间隔。

2.2 横波声速试块设计
由于管厂的钢材轧制和制造工艺存在差异，为准确测定管材横波声速，需至少通过3个角度位置，即0°，20°和90°，分别测定管材横波声速。

为实现3个角度的声速测定，基于管径为323.9mm，壁厚15.9mm的管材设计加工了一个横波声速测定试块（声束试块中3个位置壁厚加工精度为±0.1mm），如下图5
所示。

图5 横波声速试块
3 横波声速测定试验方法
由于管材的各项异性，横波在材料各个方向上的声速有较大区别，因此，基于2.2节设计加工了管径为323.9mm，壁厚15.9mm的横波声速试块，采用横波声速探头与AUT设备进行横波声速测定。

首先，采用游标卡尺精确测量声速试块0°，20°和90°三个位置的实际壁厚，每个位置测量三次取平均值，依次将三个位置实际壁厚平均值记录在声速测定记录表（如下表1）中。

将横波声速探头与AUT设备1#常规通道连接并按声速测定要求进行参数设置，随后将横波声速探头依次放置0°，20°和90°三个位置（如下图6所示），使用非牛顿流体耦合剂（蜂蜜），并扭转探头，观察双折射回波（如下图7所示），将快波第一次底波和第二次底波之间的时间间隔，每个位置分别记录3次间隔时间并将平均值记录在表1中。

图
6 声速测定位置
图7 声速测定双折射回波图
根据2.1节所示的横波声速公式以及声速试块0°，20°和90°三个位置的实测厚度，分别计算3个位置横波快波声速，并依次填入声速测定记录表，如下表1所示。

表1 横波声速测定记录表
No.位置入射角度厚度（mm）
时间间隔
测定声速
（m/S）
快波（us）
10°0°15.99.743265.02
220°70°14.98.893350.81
390°90°16.09.703297.65注：由于20°位置槽加工宽度为15.9mm，但横波脉冲反射距离为两表面
的垂直距离。

根据计算所得的横波声速绘制横波声速图，如下图8所示，由图谱可以计算出超声波任何入射角度的横波声速值（其中横坐标为横波入射角度，纵坐标为横波声速）。

图8 横波声速图
4 结论
本文基于管径为323.9mm，壁厚15.9mm的钢质管线加工了横波声速测定试块，并基于该试块详细描述了在0°，20°和90°三个位置分别测定横波快波第一次底波和第二次底波时间间隔，计算各个位置横波实际声速的试验方法。

以便后续将实际测定的横波声速输入AUT系统进行参数设置，实现后续对AUT 检测系统的精确校准。

同时，本文描述的横波声速测定方法不仅能够确保后续AUT检测工艺校准的精度，还对其他相控阵或常规超声检测声速测定具有很好的指导作用。

参考文献
[1] 李云飞,韦利明,万强.X80管线钢不同缺陷类型的磁记忆检测试验研究[J].材
料科学与工艺,2019,27(01):53-58.
[2] 王旭.超声相控阵检测技术在9Ni钢工艺管线焊缝上的应用[J].无损探
伤,2020,44(01):41-42.
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