黄 磊，张鸿博，张宝利，曹孟瑜

（1.中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西 西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101；3.巨龙钢管有限公司，河北 青县 062658；4.西安阳普机电设备一体化有限公司，陕西 西安 710061）

无缝钢管的制造工艺有热轧、冷轧、冷拔和锻造等。对于使用条件苛刻的环境，一般要求无缝钢管以热轧工艺制造，与焊接钢管相比，无缝钢管因管体组织与性能分布连续性好、使用可靠性高、产品钢种及壁厚适应范围大，故安全级别要求较高，在使用条件相对特殊或产品径壁比数值偏低等情形下优势明显。通常，无缝钢管应用于油气集输管线、海底管线以及城市油气管网。因此，对于无缝钢管质量控制是不容忽视的。

无缝钢管是通过穿孔法和高速挤压法得到。穿孔法是用穿孔机穿孔，同时用轧辊滚轧，最后用芯棒轧管机定径压延平整成型；高速挤压法是在挤压机中直接挤压成型，这种方法加工的无缝钢管尺寸精度高。无缝钢管主要缺陷有裂纹、折叠、分层和夹杂等。对于厚壁大直径无缝钢管也可由钢锭经锻造、轧制等工艺加工而成，锻轧管常见缺陷与锻件类似，一般为裂纹、白点、重皮等［1］。

从超声波检测角度，一般将无缝钢管厚径比≤0.2的金属管材称作薄壁管，∧0.2的金属管材称作厚壁管。薄壁管和厚壁管以纯折射横波是否可以到达管材内壁区分［1］。无缝钢管超声波检测目的是发现制造过程中产生的各种缺陷，避免将带有危险缺陷无缝钢管投入使用。无缝钢管中缺陷大多与管体轴线平行；因此，无缝钢管检测以沿管体外圆作周向扫查的横波检测为主。在无缝钢管中也可能存在与管体轴线垂直的缺陷，因此必要时还应沿轴线方向进行斜入射检测。对于某些无缝钢管，可能还需要进行纵波垂直入射声束检测。本文主要从检测方法、探头排列、检测闸门设置、对比样管设计和检测结果显示等方面进行研究，对于无缝钢管全覆盖检测，减少油气集输管线、海底管线以及城市油气管网中出现的各种失效事故至关重要［2-9］。

1 检测方法

无缝钢管主要缺陷为平行于管轴径向缺陷（称纵向缺陷），有时也有垂直于管轴径向缺陷（称横向缺陷）。对于大直径薄壁无缝钢管，可能还需要进行纵波垂直入射检测与管轴平行的周向缺陷（称分层缺陷）。现主要研究接触法检测。如果无缝钢管直径较小，应选取晶片直径较小的探头，不论从耦合效果还是可靠性方面均较好。因此，从纵向、横向和分层缺陷（或厚度检测）检测进行研究。

1.1 纵向缺陷检测

对于薄壁无缝钢管（厚径比≤0.2），用斜探头沿外圆作周向扫查横波检测是无缝钢管检测主要方式，目的是检测内、外壁以及管壁中纵向缺陷。在实际检测时，通常希望无缝钢管中存在单一波形，以便于正确判断缺陷信号。因此，检测中斜探头入射角选择在第一临界角和第二临界角之间，使无缝钢管中只存在纯横波。纵向缺陷的横波周向检测法如图1所示［10］。要实现这种检测，必须满足：

式中βS——斜探头横波折射角，（°）；

R——钢管外半经，mm；

r——钢管内半径，mm。

对于厚壁无缝钢管（厚径比∧0.2），常规斜探头横波声束无法到达无缝钢管内壁，因此用横波实现整个管壁横截面检测是很困难的，可用变形横波斜射法进行补充检测。纵向缺陷的变形横波斜射法如图2所示［10］，选择第一临界角以下小角度入射，进入管壁超声波型既有纵波也有横波，但横波强度很弱，检测主要以纵波为主。纵波斜射法缺点是检测时显示除折射纵波外，还存在折射横波在内壁上产生多次反射回波，波形比较复杂，因此不能用于自动化检测（对于厚径比∧0.2的无缝钢管，应采用变形横波法检测）。

图1 纵向缺陷的横波周向检测法示意

图2 纵向缺陷的变形横波斜射法示意

1.2 横向缺陷检测

用斜探头（一般为45°）横波对横向缺陷进行轴向检测，具体如图3所示［10］。这时声束在内壁反射波进一步发散，声能损失大，因此外壁缺陷灵敏度较低，检测时要注意这一点。

图3 横向缺陷的横波轴向检测法示意

1.3 分层缺陷检测（或厚度检测）

由于分层缺陷在管壁中沿周向分布且平行于钢管表面，一般采用纵波双晶直探头（或单晶直探头）检测，分层缺陷（或厚度检测）纵波垂直检测法如图4所示。当缺陷较小时，缺陷波与底波同时出现，这时可根据缺陷波高度来评价缺陷大小。当缺陷较大时，底波将会消失，这时可用半波高度法来确定缺陷面积大小。

图4 分层缺陷（或厚度检测）纵波垂直检测法示意

2 探头排列

由于无缝钢管可能存在纵向、横向和分层3种类型缺陷形式［11-14］，因此探头排列应按照能检测出这3种类型缺陷进行考虑。目前，对于无缝钢管自动化检测大约有3种模式：一、探头旋转，钢管直线前行；二、探头固定，钢管螺旋前行；三、探头直线运动，钢管原地旋转。本研究的探头排列以模式三为例，探头直线运动速度与管体均匀旋转速度应匹配，必须满足全管体被探头100%扫查。为了防止检测速度太大而造成漏检，一般采取阵列式组合探头。

2.1 纵向缺陷探头排列

检测无缝钢管纵向缺陷，用斜探头产生横波进行周向检测。另外，为了检测不同取向缺陷，应从正反两个方向进行检测。检测纵向缺陷阵列式组合探头采用2组6个晶片组成（如L11-L21-L31-L41-L51-L61和L12-L22-L32-L42-L52-L62），纵向缺陷探头排列如图5所示。

图5 纵向缺陷探头排列示意

2.2 横向缺陷探头排列

为了检测无缝钢管横向缺陷，用斜探头（一般为45°）横波进行轴向检测。另外，为了检测不同取向的缺陷，应从正反两个方向进行检测。检测横向缺陷的阵列式组合探头采用2组6个晶片组成（如 T11-T21-T31-T41-T51-T61和 T12-T22-T32-T42-T52-T62），横向缺陷探头排列如图6所示。

图6 横向缺陷探头排列示意

2.3 分层缺陷（或厚度检测）探头排列

为了检测无缝钢管的分层缺陷（或厚度检测），一般采用纵波双晶直探头（或单晶直探头）。检测分层缺陷（或厚度检测）的阵列式组合探头采用1组6个晶片组成（如WT1-WT2-WT3-WT4-WT5-WT6），分层缺陷（或厚度检测）探头排列如图7所示。

图7 分层缺陷（或厚度检测）探头排列示意

3 检测闸门设置

主要研究检测探头在壁厚范围全覆盖，即研究检测闸门设置问题。检测闸门设置从纵向、横向和分层缺陷（或厚度检测）3个方面进行研究。

3.1 纵向缺陷检测闸门设置

纵向缺陷检测时，需要监测一次波和二次波的缺陷情况，因此设置双闸门检测。纵向缺陷检测闸门设置如图8所示。T为始脉冲波，F内为内表面纵向刻槽反射波，F外为外表面纵向刻槽反射波。探头L11一次波检测闸门起点在图8所示始波后端至少1～2 mm处，闸门终点设置在内表面刻槽反射波前端至少1～2 mm处；探头L11二次波检测闸门起点在图8所示内表面刻槽反射波后端至少1～2 mm处，闸门终点设置在外表面刻槽反射波前端至少1～2 mm处。其余纵向缺陷检测闸门设置与探头L11检测闸门设置相似。

3.2 横向缺陷检测闸门设置

横向缺陷检测时，也要监测一次波和二次波缺陷情况，因此设置双闸门检测。横向缺陷检测闸门设置如图9所示，探头T11一次波检测闸门起点在图9所示始波后端至少1～2 mm处，闸门终点设置在内表面刻槽反射波前端至少1～2 mm处；探头T11二次波检测闸门起点在图9所示内表面刻槽反射波后端至少1～2 mm处，闸门终点设置在外表面刻槽反射波前端至少1～2 mm处。其余横向缺陷检测闸门设置与探头T11检测闸门设置相似。

图8 纵向缺陷检测闸门设置示意

图9 横向缺陷检测闸门设置示意

3.3 分层缺陷（或厚度检测）检测闸门设置

分层缺陷检测（或厚度检测）时，采用双晶探头（或单晶探头）进行检测，主要监测一次波缺陷情况。分层缺陷（或厚度检测）检测闸门设置如图10所示，S为双晶探头界面波，B为底面反射波。探头WT1检测闸门起点在图10所示界面波后端至少1～2 mm处，闸门终点设置在底面反射波前端至少1～2 mm处。其余分层缺陷（或厚度检测）检测闸门设置与探头WT1检测闸门设置相似。

图10 分层缺陷（或厚度检测）检测闸门设置示意

4 对比样管设计

对比样管中包含一系列不同类型的人工缺陷，不同类型人工缺陷可以模拟不同部位和种类无缝钢管缺陷，可以客观评价无缝钢管质量水平。一个设计不合格对比样管或样管上人工缺陷加工精度不高都会导致缺陷的漏检或误判。对比样管设计目的是保证被检测对象中所有缺陷能检测出来。

对于检测纵向和横向缺陷采用内外表面刻槽（如无缝钢管超声波检测的对比样管人工缺陷主要分为3种：纵向刻槽、横向刻槽和平底孔L2、L2.5或L3）校验检测灵敏度，且内外刻槽也可用作设置闸门起点和终点。对于检测分层缺陷采用不同深度平底孔（如Ф6 mm平底孔）校验检测灵敏度和设置闸门起点和终点。所有人工缺陷必须保持一定间距，不同人工缺陷不会受相邻人工缺陷超声波干扰。设计的无缝钢管对比样管人工缺陷分布如图11所示［15］。其中，①②⑥⑦为内外表面纵向刻槽，③④⑧⑨为内外表面横向刻槽，尺寸均为50.0 mm×1.0 mm×nt mm（长度×宽度×深度），与内外表面垂直，深度为nt（最小为0.5 mm），长度50.0 mm（一般探头宽度1.5倍），n一般取5%、8%或10%，t为钢管壁厚；⑤为Φ1.6 mm竖通孔；⑩11○12○为内侧平底孔，孔径为6.0 mm，埋深分别为壁厚的25%、50%和 75%［12-14］。

图11 设计的对比样管人工缺陷分布示意

对比样管及其使用要求：①对比样管应与被检测无缝钢管具有相同的公称尺寸，相同或相近的表面状态和声学特性；②加工对比样管之前需要对制作样管的管材进行无损检测，保证其内部没有超过Φ2.0 mm平底孔的缺陷；③对比样管中的人工缺陷必须由计量部门校准，合格后方可使用。

5 检测结果显示

由于无缝钢管自动超声波检测的速度快、自动化程度高，要求每一根无缝钢管在进行自动检测后，应能同步显示检测波形和检测数据，这样才能保证检测结果永久保存和质量追溯性。因此，要求检测结果应自动显示每个通道缺陷位置、缺陷分布等信息。

试验用无缝钢管规格为Ф73 mm×9.19 mm，检测纵向缺陷采用2组6个晶片组成的阵列式组合探头（如L11-L21-L31-L41-L51-L61和 L12-L22-L32-L42-L52-L62），检测横向缺陷采用2组6个晶片组成的阵列式组合探头（如T11-T21-T31-T41-T51-T61和T12-T22-T32-T42-T52-T62），检测分层缺陷（或厚度检测）采用1组6个晶片组成的阵列式组合探头（如WT1-WT2-WT3-WT4-WT5-WT6），试验检测结果自动显示。

可以看出：无缝钢管检测显示图显示出了每个通道人工缺陷位置与分布。设计的对比样管中纵向、横向和分层缺陷在扫描图中均显示出来，这就证明了对无缝钢管自动超声波检测方法研究结果是正确的、可靠的。

6 结 语

无缝钢管超声波检测技术是一种常规无损检测技术，但无损钢管自动超声波检测技术和常规无缝钢管超声波检测技术还是有很大的区别，必须从检测方法、探头排列、检测闸门设置、对比样管设计和检测结果显示等方面研究，才能有效地检测无缝钢管的各种缺陷。通过对无缝钢管自动超声波检测方法进行研究，得出以下结论：

（1）保证了无缝钢管中各个方向的缺陷（纵向、横向和分层）100%检测；

（2）实时显示了钢管中缺陷在每个检测通道中位置和分布情况；

（3）检测结果永久性记录形式，实现了自动超声波检测结果长久保存和可追溯要求。