API石油钢管的超声波探伤原理

API石油钢管的超声波探伤原理
ERW机组配置的超声波探伤设备要符合以下基本要求:
检验品种:高频直缝焊接钢管(ERW)
钢管规格:Φ114.3,Φ355 mm
材料厚度:3.0,14.00 mm
定尺长度:4.5,13 m
探伤速度:10,40 m/min
钢级:H40、J55、N80、A,X70、Q195,Q345
产品标准:API 5CT、API 5L、ASTM A53、GB/T 3091、GB/T 13793
探伤标准:GB 5777、ASTM E213、ASTM E273
设备认证标准:YB 4082
自动化超声检测，是指利用机械装置自动移动探头或被检工件达到自动化扫查，在移动过程中可以利用不同的方式激发不同波型的超声波，以及采用不同的耦合方式对被检工件中的缺陷进行自动化检测，其检测结果可被自动记录在特定的记录介质(如笔式记录纸带、电敏记录纸、计算机存储设备等)上，还可以自动标记(喷漆、打印等)在工件上，还可以将合格与不合格工件进行自动分选等等。

自动化超声检测系统通常还具有监视装置(如示波器、探伤仪的显示屏、电脑监视屏等)，便于检测人员根据检测信号的显示监视系统工作是否正常。

自动化超声检测系统可以分成两大类:
1.在线自动化超声检测系统
这是在自动生产流水线上作为一项检验工序(工位)实施的，它不但对被检工件的合格与否做出判断并自动分选或标记(喷标)，而且其检测速度、检测系统的连续
运行时间、对工作环境条件(例如高温、振动、噪音等)的适应性以及检测系统的自我保护等等，都必须适合自动生产流水线上高速、稳定、可靠等要求。

2.离线(不在线)自动或半自动超声检测系统这是在生产过程中作为单独进行的检验工序，它又可以分为全自动和半自动两种类型。

1)不在线全自动超声检测系统
除了灵敏度调整与整机维护外的所有工步，例如进出料、缺陷报警与记录、标记、被检材料的判废与分选等均全部依靠设备本身自动进行，例如目前国内许多大型企业已经在应用的钢板自动化超声检测系统、上面所述的ERW钢管离线自动化超声检测系统、无缝钢管及棒材、钢坯等的自动化超声检测系统等等。

2)不在线半自动超声检测系统
它的工作程序中有一部分或几部分需要有人工完成，例如被检材料或工件的装卸与上下料、缺陷标记等。

例如航空工业中对涡轮盘、压气机盘等盘形零件以及梁型零件的半自动水浸法超声波探伤系统。

随着科技进步发展，国内的超声波探伤已经多数采用了自动化检测，自动化检测的主要优点是:
由于利用了机械装置使超声探头与被检材料或工件自动作相对运动，和手工检测相比，能保障声耦合性能比较稳定;它能对成批材料进行全面的快速检测，检查面积大、速度快、效率高;能自动记录检测结果并做出
客观记录和标记，避免操作人员的人为操作因素差异及主观判断误差等，保障检测结果的一致性，而且也大大减轻了操作人员的劳动强度。

自动化检测的局限性是:
对进行自动化检测的材料或工件必须有明确的分段和判废(拒收)标准，检测结果的重复性要好，否则容易发生误判或漏检。

为了保证自动检测设备的准确可靠，
必须使设备具有足够的抗干扰性能和经常处于完好的工作状态，要求其机械装置的结构精度高、运行平稳可靠，以保证检测灵敏度的稳定。

应当特别指出的是，实现自动化检测的一个很重要的指标是其检测速度，即探头与被检材料或工件之间的相对移动速度要合适，才能保证探头发射的声束对被检测对象能有足够的覆盖，不致漏检。

而且，还要保证使探头在被检测对象进给运动状态下有充分的探测时间，能够获得足够强度的缺陷信号和足以用于判断的缺陷信号重复次数(一般要求一个缺陷回波信号在探头与工件相对移动的扫查过程中至少重复出现2,3次)，这要根据被检测对象中要求发现的缺陷种类、取向和大小以及探头的声场特性、指向性等综合考虑，而且与超声仪器的超声脉冲重复频率、报警或记录系统的响应频率与响应时间、被检测对象的几何尺寸(例如厚度)等都是密切相关的。

此外，随着自动化技术，特别是电子技术的迅速发展，自动化超声检测系统的发展趋势正朝向与微型电子计算机或工业控制机联用，实现智能化，提高信号处理能力，实现数据处理自动化，包括对缺陷性质的识别判断、缺陷大小、缺陷密集度与占积率(在一定面积或空间中的缺陷投影面
积或体积所占比率)、缺陷分布位置与缺陷形状的判断等等，从而对被检测对象的质量做出评价，以求进一步提高自动化超声检测技术与设备的可靠性、准确性以及效率。

自动化超声检测方法的分类:
(一)按声耦合方式分类
(1)直接接触法
在自动化超声检测中，直接接触法的应用不多见，这主要是由于探头与被检测对象作相对运动以实现扫查时，它们之间的声耦合不容易达到均匀稳定，从而影响检测结果(检测灵敏度的稳定性)，不过，如果试件表面光洁度较高，或者要求的检
测速度不是很快，当采用合适的耦合剂以及利用如压缩弹簧或压板等机构时，还是有可能对钢轨、螺旋焊接管焊缝以及无缝管等实现直接接触法的半自动化超声检测，当然，在采用这种方法时，探头的夹持与移动机构往往较为复杂。

(2)局部液浸法
局部液浸法是自动化超声检测系统应用最多的耦合方式，它又可以分为三种:
1)喷水柱法:探头装设在喷嘴内，进入喷嘴的水以均匀水柱形式喷射到被检材料表面来实现声耦合。

这种方法已经较多地应用到中厚钢板的多通道(可以高达数十甚至数百通道)自动化超声穿透法在线或离线检测，以及航空工业中用于飞机垂尾、水平尾翼、机翼等复合材料构件的自动化超声穿透法检测。

2)溢水法:在被检材料下部装设溢水箱，探头装置在水箱内，从下
往上发射超声波束进入被检材料，被检材料在进给移动过程中与溢水面接触，构成声耦合条件。

这种方法常见于大直径棒材或管材的自动化超声反射法检测，可以采用线聚焦甚至相控阵阵列探头。

3)通过式局部水浸法:被检材料通过水密封装置穿过水箱，探头装置在水箱上部，从上往下发射超声波束进入被检材料，也可以装置在水箱下部，从下往上发射超声波束进入被检材料。

这种方法常见于小直径管材或棒材的自动化超声反射法检测，常用水浸点聚焦探头。

(3)全液浸法
多用在半自动检测系统，被检材料全部浸没在水中，因此需要容积较大的水槽，探头置于水槽上部，从上往下发射超声波束进入被检材料。

这种方法常见于盘形或饼形锻件的超声反射法半自动检测。

(二)按探头对被检材料扫查的方式分类
(1)探头旋转，被检材料直线进给
把探头安装在旋转机构(类似车床卡盘或卡爪机构)上，被检材料从旋转机构中心的空间通过。

这种方式可以使用较少的探头(一个或几个)就能实现较高速度的自动化检测。

例如采用多通道超声检测仪器对无缝钢管可实现高达数十米/分钟的检测速度。

探头与仪器的电耦合采用线圈式电刷耦合方式，以利于实现探头围绕被检材料的高速旋转，而被检材料的直线前进则易于控制进给速度和保障“定心”(轴心与探头旋转圆周的中心重合)，传送机械结构也相对较简单，对于长度较大的被检材料，可以避免那种被检材料高速旋转方式所带来的振动影响。

这种方法多用于圆截面材料，如棒材、管材，也有用于异型钢
管的检测，而机械装置部分有的可以直接利用车床改装。

(2)探头固定，被检材料直线进给
这种方式特别适用于多通道法检测板材、带材以及部分棒材与型材、钢坯等，视检测系统的具体能力，其通道可多达数十甚至数百通道。

(3)探头固定，工件边旋转边直线进给
这种方式构成螺旋线扫查，多用于圆截面材料，例如棒材和管材，但是其传动机械装置相对较复杂。

在航空工业中有利用这种方式来检测锻制发动机叶片用的小直径棒材(已经下料、车光的一小段、一小段棒料)。

(4)工件旋转，探头直线移动
这种方式同样构成螺旋线扫查，但传动机械分为两个部分，分别控制被检工件与探头的运动，因此机械结构相对较简单一些，这种方式常见于棒材、管材的检测，也可以用于饼材或盘件类工件。

(三)按所用超声检测仪器对缺陷的显示、报警与记录的方式分类
显示方式可包括前面章节所述的脉冲波显示、连续波显示、调频波显示，以及A显示、B显示、C显示和其他一些检测结果显示方式;记录的方式包括有摄像记
录、电敏纸纪录(也叫做电火花记录)、描笔纸带记录，经计算机进行数据处理后输出的打字纸带记录等等，以及能在被检材料或工件的有缺陷处进行喷漆标记(喷标、打标)等方式;报警方式包括进波报警(缺陷回波高度达到或超过设定的电平阈值)、失波报警(底面回波降至或低于设定的电平阈值)，以及多电平报警以供实现彩色显示或灰度等级(例如可达108级灰度)的记录等等。

焊缝探伤设备:
355机组配置的北京天波公司生产的TBCT(DSP)A型焊缝探伤仪，是一台基于嵌入式处理器的多通道超声波探伤机，近年来，以CPU为核心的嵌入式处理器在工业生产中得到广泛应用。

本机以8个通道为一个基本单元，在需要时可扩展为16或更多通道。

外形结构上采用积木式灵活组配，使设备适应多种不同用途与现场需要。

工作参数调整与监控显示等采用局域网的方式与主机进行数据交换与处理，这样大大增加了系统操控的灵活性，对于现代化生产操控与管理有着现实意义。

(1) 总通道数:8通道
(2) 每通道工作重复频率大于1KHz
(3) 适用探头:2.5MHz、5MHz、10MHz
(4) 闸门总数:每通道三个进波报警闸门，一个失波闸门
(5) 具有报警延时功能(保证单个小缺陷喷标准确)
(6) 具有图形显示功能与多画面波形显示功能
(7) 本探伤采用嵌入式工控机，机型采用全数字处理电路，网络线
传输抗干扰性高
(8) 水平线性:优于0.4%
(9) 垂直线性:优于4%
(10) 动态范围:优于30dB
(11) 灵敏度余量:2.5MHФ20直探头对Ф2平底孔样
块余量大于
50dB
(12) 频率范围:0.5—10MHZ
(13) 信噪比:20dB，盲区:5N14窄脉冲探头最小探测距离大于4mm
(14) 增益总量:80dB,步进1dB、6 dB
(15) 软硬件均留有按客户要求进行必要更改的能力。

(16) 显示功能:仪器具有同屏多通道显示功能。

每屏最多可显示8
个通道。

同时具有(准)图形显示功能。

(17) 报警延时驱动单元:本仪器专配有一个16通道报警延时驱动
单元，该单元可将报警信号输出长度适当延长，以确保在高速下不漏掉小缺陷的报伤。

板材探伤设备:
高频焊管在线母材探伤采用横向直排形式。

排列如下图:
12只25x10双晶探头相隔横
排钢板运行方向
横向直排形式结构简单，调整简易，维护方便。

造价低。

缺点是相对纵向摆动法探伤覆盖率不高，且无法适应细长纵向缺陷的被发现，为此这
套装置在设计制造中考虑了使用者今后进一步提高探伤覆盖率等要求，特别多加装了一组探头安装平台，在今后需要时，可很快扩充探头数量，在电控方面也相应做了准备。

在成型器入口处加装板探对机组换型引板时会很不方便，甚至无法引板。

在这套装置设计中特别设计了一套滑轨系统，在机组换型可将板探装置拉出让开工作
面，不会影响板探工作。

同时又设计了一套样板校准平台，它是可以移动的，当板探装置被拉出后，这套移动校准平台可方便有效对板探探头进行校准工作。

板边连续探伤采用气动随动系统，在气缸的作用下使探头夹持器与板边随动。

保证板边组合探头与板边缘相对位置不变，在钢板运行中完成探伤。

这套装置共二套，分设钢板左右两边。

每组探头为二只25 x 10双晶探头，确保50 mm宽度的扫查。

其装置如图:
板边探伤装配(1)
板边探伤装配(2)
板边探伤装配(3)
板边探伤装配(4)
板边探伤装配(5)
离线管材探伤设备
机组为多套设备组成，其整体型号为TBCTZL(16)02.
探伤方法:采用蝶形探伤法，6只斜探头分焊缝左右声束轴线垂直于焊道。

对焊道中纵向缺陷探伤，每侧3只探头在沿焊缝长方向排列，与焊
道距离差约三分之二晶片宽。

另外有一组斜探头其声束与焊道成30?—35?角，主要对焊缝横向缺陷进行探伤。

两只直探头分别置于左右近缝区，针对母材中夹层等缺陷进行探伤。

6只K2斜探头每只12X12mm晶片。

每只探头监测焊缝宽度为6mm，6只组合后总监测焊缝宽度约为36mm。

通过左右两组探头，确保以焊缝左右约15-20mm的范围都可监测到。

(有10mm左右重叠)这样在没有焊缝跟踪的条件下也可确保探伤的准确
探头分布见图。

为了保证每分钟30m的探伤速度，将12m长的管体分二段探伤，这样探伤实际速度可降至每分15m。

在伺服机方面采用二个独立运行的小车为伺服机载体。

小车采用直线轴承为导轨，其阻力小，运行精确，保证
20m。

在控制方面采用了探头工作的精准性,其工作速度可达每分14m—
PLC可编程控制,通过12套红外光电传感器完成每部分启动、运行、减速、停车工作准备等必须的动作。

运行采用三套独立变频系统控制自如。

齿条传动保证了小车行走速度的均衡与平稳。

仪器的重复频率是影响探伤速度的一个重要因素，为此在这套探伤机中采用了每通道在每分30m的探伤速度时重复频率大于1K的TBCT(DSP)A型探伤机.每1mm 焊道能有8次左右的声发射，保证了高速探伤时的纵向覆盖。

为了工作在较大的曲率工件上，探头没有采用水套形式，这里采用固定曲率专用探头，每个探头中固定设置五只探头。

四只斜探头，一只直探头。

在探头两边有一组不锈钢金属片，使探头使用寿命较长。

焊缝跟踪监视器:采用工业用电视通过摄象机观察焊缝游动做必要的人工调整。

1管径:Ф114.3—Ф339.7
2壁厚:4mm—12.7mm 3长度:12.8m
4钢级:各种级别的钢材
5探伤速度:综合结果大于每分钟40m(分二段一次完成)
6适应标准:API-5L、API-5CT、SY/T6423.2-1999、SY/T 5989-94、
SY/T6423.4-1999等对焊缝探伤的要求
7运行暂载率:24小时连续工作
8动态范围:优于30dB
9灵敏度余量:2.5MHФ20直探头对Ф2平底孔样块余量大于50dB
10MHZ 10频率范围:0.5—
11信噪比:20dB，盲区:5N14窄脉冲探头最小探测距离大于4mm
12增益总量:80dB,步进1dB、6 dB
13软硬件均留有按客户要求进行必要更改的能力。

14显示功能:仪器具有同屏多通道显示功能。

每屏最多可显示8个通道。

同时具有(准)图形显示功能。

15报警延时驱动单元:本仪器专配有一个16通道报警延时驱动单元，该
单元可将报警信号输出长度适当延长，以确保在高速下不漏掉小缺陷的报
伤。

机械运行系统:
16气动升降台，承重力2吨，起降高度150mm，起降时间3秒
17每台行车速度25m/min
18运行精度(与被测管中心距)小于1mm
192个伺服行车可同步自动运行(统一指令)，也可独立调整运行
超声探伤设备工作条件: 1、电源:AC220V/10A(从变电所引进洁净电源)，
380V/30A，功率10KW在
探伤机附近埋设标准地线。

2、压缩空气:0.5Mpa-0.7Mpa 流量?1000L/min;
3、耦合用水:一般工业用水、流量1吨/小时;
4、环境温度:5?-40?;环境湿度:不大于70%;
API-5CT标准关于无损探伤的有关规定:
9.10 无损检验(NDE)
9.10.1 通则
9.10规定了电焊管的无损检验要求及检验水平。

表17给出了对电焊管管体要求进行的无损检验。

所有要求无损检验(不包括外观检查)的管子应进行全长(一端到另一端)缺陷检验。

表17 验收(检验)等级
本条款所引用的管子无损检验标准基于传统的并经验证的无损检验方法和技术，这些方法和技术已被国际上用来进行管产品的检验。

但其它无损检验方法/技术，只要经证明具有检测8.12定义的缺陷的能力，就可采用。

记录应按9.10.4规定保存。

由制造厂自行决定，表18中的刻槽可以是探测制造过程中典型缺陷的最佳角度取向。

对方向改变的技术说明应形成文件。

表18 人工参考缺陷
若订单上有规定，则进行购方检验和/或见证无损检验操作应按附录B的规定。

使用表18中的参考标样校准的设备并按9.10进行的检验，不宜理解为一定满足8.12的材料要求。

9.10.2 无损检验人员(10.15.2)
本国际标准所提到的所有无损检验操作(不包括外观检查)应由具有一定资格并按ISO 11484或ANSI-ASNT SNT-TC-1A:1984经过鉴定的无损检验人员进行。

9.10.3 参考标样(10.15.3)
除壁厚检测外，超声和电磁检验系统应使用带有表17和表18所给刻槽或钻孔的参考标样，以验证设备对人工参考标样的响应。

若在正常操作条件下用超声或电磁检验方法能动态检测表18所述人工参考标样，则制造厂可使用任何文件化程序来规定其拒收界限，并应动态证明这种检测能力。

由制造厂选择，可在线或离线检测。

表17和表18列出了制造厂用来规定检出可能带有8.12定义的缺陷的管子的验收(检验)界限和相关人工参考标样。

自动超声或电磁检验过程中使用的参考标样
不应理解为 8.12定义的缺陷尺寸，或被除制造厂外的某一方用来作为管子拒收的依据。

若使用钻孔进行电磁检验设备校准，则该检验系统应能产生来自内外
刻槽的信号，并且这些信号应等于或大于使用钻孔确定的拒收界限。

记录应按9.10.4规定保存。

9.10.4 无损检验系统能力的记录(10.15.4)
制造厂应保留无损检验系统的记录，证实该系统检测用来确定设备试验灵敏度的参考标样的能力。

验证应至少包括下列规范:
a)覆盖范围的计算(即扫描计划)，包括壁厚检测;
b)预期壁厚检测能力;
c)可重复性;
d)探测制造过程中典型缺陷的探头方向(见9.10.1);
e)证明采用表17中的无损检验方法探测制造过程中的典型缺陷的文件;
f)确定界限的参数;
此外，制造厂还应保留与下列有关的文件:
g)无损检验系统操作方法;
h)无损检验设备使用说明;
i)无损检验人员资格信息;
j)证明在生产试验条件下无损检验系统/操作能力的动态试验数据。

9.10.5 管体检验——通则(10.15.5)
除非另有协议，对管子要求的所有无损检验操作(不包括外观检查，但包括按9.10.7规定的最终端部区域检验)应在最终热处理及旋转矫直操作之后进行。

9.10.6 电焊管焊缝的无损检验(10.15.10)
除非另有协议，否则除经淬火加回火的电焊管的焊缝检验应在最终热处理和旋转矫直操作之后进行外，电焊管焊缝检验时间应由制造厂自行决定。

电焊管焊缝无损检验应采用能检验熔合线两侧1.5mm(1/16 in)范围的整个壁厚的检验设备进行。

对于第1组的所有钢级，应采用下列一种或多种方法检测焊缝的纵向缺欠:
a)按ISO 9764或ASTM E273或ISO 9303或ASTM E213规定、符合验收水平L3的超声检验; b)按ISO 9304或ASTM E309规定、符合验收水平L3的涡流检验。

9.10.7 未经检验的管端(10.15.12)
端部区域检验应在所有热处理之后进行。

值得强调的是:本国际标准规定的许多自动无损检验操作中，管子两端可能存在一小段不能被检测到。

在这种情况下，未经检验的端部应:
a)被切掉;
b)对内外表面覆盖整个圆周和未经检验的端部长度进行磁粉检验;
c)进行至少与自动无损检验具有相同检验程度的手工/半自动检验。

记录应按9.10.4规定保存。

9.10.8 要求进一步评定的管子(10.15.14)
在各种情况下，规定的无损检验发现产生较高报警显示信号的管子后，应按9.10.9对显示信号进行评定，除非能够证明引起该显示信号的缺欠不
是8.12所述的缺陷。

9.10.9 显示信号的评定(探明)(10.15.15)
制造厂应根据本条款对等于或大于拒收界限的显示信号进行评定，或者按
9.10.10规定对显示为缺陷的信号进行处理。

显示信号的评定应由具有?级资格的检验人员在具有?级或?级资格的检验人员的监督下进行，或有具有?级或?级资格的检验人员进行。

显示信号的评定应按照文件化程序进行。

若在原显示信号区域未发现缺欠，且对该显示信号无法解释，则该管子应被拒收，或者由制造厂选择，采用相同的检验方法或采用超声检验方法对整个管进行重新检验。

由制造厂选择，应将检验设备调整至与用于进行原检验的设备具有相同的灵敏度，或调整至满足规定要求的较低的灵敏度。

对于所显示的缺欠的评定，应按下列一种方法测量其深度:
a)采用机械测量装置(如麻坑深度仪、测径仪等)。

为便于测量而用磨削或其它手段除去材料不应使剩余壁厚减少到规定壁厚的87.5,。

应消除由坑磨引起的壁厚突变。

b)采用超声方法(时间和,或振幅为基准)或其它相当的方法。

对用超声方法进行的验证应形成文件，并且该验证方法具有辨别缺欠尺寸大于或小于8.12规定的相应缺陷尺寸的能力。

如果购方与制造厂对评定试验结果有争议，则任一方可要求对材料进行破坏性检验;检验后，应按B.4所述处理。

已评定和发现是缺陷的缺欠，应按9.10.10处理。

API-5L标准关于无损探伤的有关规定:
8.7 无损检验 ( 9.7 )
8.7.1 购方检验 ( 9.7.1 )
当购方订货合同注明购方检验时，应采用附录H的规定。

8.7.2 检验方法 ( 9.7.2 )
除A25级钢管外，尺寸不小于2/8的焊接钢管焊缝应按下述规定的方法对焊缝全长(100%)进行检验。

检验设备的位置由制造厂自行安排。

8.7.2.1 电焊焊缝应采用超声波或电磁检验方法按照8.7.3.1,8.7.3.3的规定进行检验。

如必须满足8.7.2中全长(100%)检验要求，管端应采用手动超声波横波检验设备或购方与制造厂商定的其它无损检验(NDT)方法进行检验。

经购方与制造厂协商并在订货合同中注明时，电焊钢管焊缝应按补充要求
SR17(附录F)进行无损检验。

8.7.3 超声波和电磁检验 (9.7.4 )
8.7.3.1 设备 ( 9.7.4.1 )
任何利用超声波原理或电磁原理并能够连续不间断检验焊缝的设备均可使用。

为了证实检验设备及检验程序的有效性，检验设备应采用8.7.3.2规定的适当的对比标样进行校验，校验频次为每工作班每8小时至少校验一次。

当检验设备以模拟产品检验的方式扫查制造厂所采用的对比标样时，应调整检验设备，使其产生清晰的指示信号，同时，该设备还应能够检验焊缝两侧各1/16in(1.6mm)范围内的整个壁厚。

对钢管剩磁的限制见8.7.5
的规定。

8.7.3.2 无损检验对比标样 ( 9.7.4.2 )
对比标样应与被检产品具有相同的规定直径和壁厚，其长度则由制造厂视方便而定。

对比标样的内外表面应分别有一个机械加工刻槽，或图5所示的钻孔，具体采用哪种由制造厂决定。

刻槽应与焊缝平行，且相互之间应有一定的距离，以便足以产生两个分离的可辨别的信号。

1/16in(1.6mm)
或1/8in(3.2mm)钻孔应钻透壁厚并垂直对比标样表面，如图5所示(见注)。

注:上述规定的对比标样是校准无损检验设备用的较方便的标样。

不应将这些对比标样的尺寸解释为这些设备所能检测的最小尺寸缺陷。

8.7.3.3 验收标准 ( 9.7.4.3 ) 3。