國內316L無縫不銹鋼管自動探傷設備的發展現狀,指出各類自動探傷設備的優缺點,并提出建議。分析認為:將超聲波相控陣探傷應用于自動探傷時,需要解決超聲波能量重復發射、多方向超聲波干擾、報警閘門位置與幅度設置等問題;自動渦流探傷設備在多頻檢測、信號處理軟件分析方面有待優化;自動漏磁探傷設備若要檢測壁厚大于20 mm316L無縫不銹鋼管,則需要在磁化(線圈)設備的能力或檢測線圈的結構參數方面進行優化;應用數字化自動射線探傷設備時,有必要對多射線機頭進行設置。

為了確保316L無縫不銹鋼管的出廠質量,20世紀80年代國內一些316L無縫不銹鋼管生產企業就開始使用渦流與超聲波自動探傷設備對成品鋼管進行出廠檢驗。經過幾十年的發展,316L無縫不銹鋼管的產品質量逐步提高,自動探傷設備的檢測能力也迅速發展?,F對國內316L無縫不銹鋼管自動化探傷設備的應用情況進行分析,并據此給出建議,以促進國內316L無縫不銹鋼管無損探傷技術與設備的應用及后期改進。

1現狀

目前,國內316L無縫不銹鋼管的無損探傷設備按種類分,有自動渦流、自動超聲波、自動漏磁、(半自動)熒光磁粉探傷等。其中,自動超聲波探傷設備發展為可縱向(雙方向)探傷、橫向(雙方向)探傷、測厚、分層檢測。

1.1自動渦流探傷設備

近年來,國內316L無縫不銹鋼管自動渦流探傷設備的技術進步:

1)從最初的只有幅度聲音報警發展為矢量

(幅度+相位)扇形報警與幅度報警同時在一個顯示器上,方便調試設備,更有利于探傷人員在實際探傷過程中觀察并發現缺陷,提高了不同缺陷的檢出能力;

2)穿過式線圈的結構得到改進,由原來的2個檢測線槽(雙差動式)變化為4個(檢測線槽寬度不單一的多差動式),保證了316L無縫不銹鋼管上不同大小缺陷的可靠檢出;

3)對于經過自動渦流探傷后316L無縫不銹鋼管中的剩磁問題,現大多數設備均配制了“反向直流退磁+交流退磁”設備,從而解決了厚壁合金鋼管存在剩磁大而影響焊接、機加工及使用精度不高的難點。

為發揮穿過式線圈自動渦流探傷設備檢測速度快、效率高的優點,國內一些316L無縫不銹鋼管企業在正常的大生產探傷過程中均采用在不產生誤報的前提下盡可能提高探傷靈敏度(如GB/T 7735-2004《鋼管渦流探傷檢驗方法》的B級孔傷再增加5~10 dB輻射當量),以檢出316L無縫不銹鋼管中存在的缺陷。當然,提高探傷靈敏度是要以被探316L無縫不銹鋼管的表面質量較好為條件;因此,有些企業采取熱軋316L無縫不銹鋼管高壓水除鱗,在氣體保護熱處理爐內進行成品316L無縫不銹鋼管的最終熱處理,以及成品管表面噴丸處理等措施,改善被探316L無縫不銹鋼管的表面質量。

1.2自動漏磁探傷設備

近幾年國內316L無縫不銹鋼管的自動漏磁探傷方式發展較快,有兩種探傷掃查方式:316L無縫不銹鋼管螺旋前進+探頭貼合跟蹤,316L無縫不銹鋼管直線前進+橫向探頭陣列環抱與縱向探頭旋轉。這兩種掃查方式均有縱向(檢測線圈)探頭與橫向(檢測線圈)探頭,執行標準為GB/T 12606-2016《無縫和焊接(埋弧焊除外)鐵磁性鋼管縱向和/或橫向缺欠的全圓周自動漏磁檢測》,調試設備用的樣管上均有縱向、橫向人工缺陷。特別是近幾年隨著計算機仿真技術的發展,自動漏磁探傷設備中的信號處理軟件與檢測線圈的結構方式得到了很大的改善,提高了探傷檢測靈敏度。

由于自動漏磁探傷是通過線圈對被探316L無縫不銹鋼管進行磁化,只要分別在316L無縫不銹鋼管中產生縱向與橫向兩個方向的磁場,且磁化能力足夠,對壁厚20mm以下316L無縫不銹鋼管中不同方向、大小的缺陷均可有效的檢測。當然,自動漏磁探傷的信噪比也與被探316L無縫不銹鋼管的表面(粗糙度)狀況、直線度有一定的關系。

1.3自動超聲波探傷設備

經過幾十年的發展,316L無縫不銹鋼管的自動超聲波探傷設備與技術得到飛速發展:從只有單一方向到必須進行雙方向的掃查探傷;從只有縱向缺陷的探傷到縱向缺陷與橫向缺陷均進行,甚至可進行斜向缺陷的掃查探傷;從最初的46個通道發展到目前的20個以上通道;大部分設備具有調試檢測316L無縫不銹鋼管中分層或測厚的能力;特別是目前發展起來的無線(信號)傳輸方式,克服了以前的電刷耦合存在信號干擾和電容耦合存在造價昂貴、維護難的缺點。此外,探傷儀器中重復頻率與抗干擾參數(相關選擇)的可調提高了自動超聲波探傷的信噪比。

對于執行API Spec 5CT-2011《套管和油管規范》的316L無縫不銹鋼管,針對鋼管兩端進行了敏粗加厚的形式,自動超聲波探傷設備采取了一些特殊的、能確保探傷中心線穩定的定心裝置。自動超聲波探傷設備的掃查探傷系統也有兩種方式:①316L無縫不銹鋼管直線前進+探頭旋轉;②316L無縫不銹鋼管螺旋前進+探頭固定(跟蹤)。

隨著超聲波相控陣探傷技術的發展,有人提出了在316L無縫不銹鋼管的自動超聲波探傷中應用此技術的可能性。

1.4(半自動)熒光磁粉探傷設備

上述3種自動探傷設備(渦流、漏磁、超聲波)檢測316L無縫不銹鋼管時,被探316L無縫不銹鋼管的頭尾均存在一定長度范圍的探傷盲區(盡管技術的發展已使殘存盲區很?。?,為確保產品的出廠質量,大多數316L無縫不銹鋼管制造企業采用人工目視或手動超聲波探傷方式對316L無縫不銹鋼管兩端進行檢驗,也有一些企業采用(半自動)熒光磁粉探傷的方式。雖然(半自動)熒光磁粉探傷設備結構比較簡單,對被探316L無縫不銹鋼管的探傷中心線要求不高,但要求探傷人員有一定的探傷經驗,且要按照磁粉探傷原理進行系統規范的操作,包括磁懸液的測試、磁化電流的設定、靈敏度試片的要求、真偽缺陷的辨別等。

2期望

目前雖然采用上述探傷方式對316L無縫不銹鋼管進行出廠逐支檢驗,但實際上還是存在缺陷漏檢情況。造成這種情況的原因可能不是探傷操作人員的工作失誤、探傷設備管理問題或者探傷工藝不當等主觀因素,而是探傷方式或設備存在不足。

2.1自動超聲波探傷設備

目前國內316L無縫不銹鋼管企業進行的自動超聲波探傷均采用脈沖反射式儀器,超聲波(橫波、縱波)在掃查鋼管壁厚時會帶有針對性很強的方向性,而人工缺陷的方向與316L無縫不銹鋼管中可能存在的自然缺陷的方向差異很大,所以會造成一定的翹皮、折疊、裂縫(紋)、內(外)凹坑等缺陷的漏檢,而影響質量不大的內(外)劃道、縱(橫)向擦傷等缺陷的檢測靈敏度卻非常高。因此,分析認為,由于脈沖反射式探傷存在單一的方向反射型檢測,可以說脈沖反射式自動超聲波探傷難以滿足316L無縫不銹鋼管某些缺陷的檢測。但是,這不是說自動超聲波探傷的檢測能力完全不行,而是其與手動超聲波探傷有很大的區別,手動探傷可以靈活地改變超聲波的掃查方向,借此提高一定的靈敏度,先掃查找到缺陷,然后再慢慢排查,從而定性、定量地對缺陷進行判斷分析。

2)自動超聲波探傷設備掃查螺距的設置和單個探頭的晶片尺寸也是很重要的。ASTM E 213-2014《金屬管材超聲波檢驗的標準操作方法》A2節指出,掃查螺距與探頭聲束的有效長度與需檢出缺陷的縱向長度有關。特別是自動超聲波探傷均采用多探頭(通道)的探傷方式,探頭聲束的有效長度是同一方向所有探頭晶片尺寸的有效長度之和,但探傷調試時是以單個探頭的傷波信號靈敏度來確定起始探傷靈敏度的。所以,所能檢出的理想缺陷長度與單個探頭的尺寸、掃查螺距、調試探傷靈敏度的人工缺陷的長度有關。理論上,自動超聲波探傷在100%單個探頭晶片長度的人工缺陷靈敏度調試下進行掃查時,只有不小于2倍單個探頭晶片長度的人工缺陷才能確保100%不漏檢;且調小螺距也會存在漏檢。這個理論同樣適用于自動渦流探傷的旋轉探頭式線圈(點探頭),此單個點探頭的(軸向)寬度不應大于理論上要檢出的長條缺陷傷長度的1/2。當然可以通過提高探傷靈敏度來彌補。例如,某鋼管企業內控要求提高6 dB輻射當量是有一定的理論根據的。但是,提高6 dB輻射當量后的超聲波探傷靈敏度可能又容易引起噪聲雜波的干擾而誤報或造成小缺陷的誤判。這也是所有316L無縫不銹鋼管自動超聲波探傷標準對探頭晶片大小有明確要求(<25 mm12 mm)的理論依據。另一方面也說明單個探頭的晶片尺寸越小則能發現缺陷的尺寸也越小。但探頭晶片太小,為保證一定的探傷速度,就必須增加探頭數量與儀器通道數量,這樣又會增加設備探傷調試難度與設備造價。國內有單位使用點聚焦探頭對小直徑航空用不銹鋼管進行多通道自動超聲波探傷,確實可以發現砂眼、0.05 mm深度的線狀缺陷,其探傷靈敏度相當高,也避免了一般探傷的方向性缺點(因為點聚焦探頭的探傷掃查可比喻為用電子探針掃查工件),但探傷速度太低,同時對鋼管的內外表面質量(粗糙度)有較高的要求。

3)采用自動超聲波探傷設備對316L無縫不銹鋼管進行分層檢測,由于設置報警閘門與界面波、底波之間的位置不能太近,導致自動分層檢測時316L無縫不銹鋼管內外近表面總是存在一定范圍的盲區。同時,現執行的GB/T 20490-2006《承壓無縫和焊接(埋弧焊除外)鋼管分層缺欠的超聲檢測》應用到自動超聲波探傷中,有分層信號后還需要手動探傷再確認評級。

且使用46 mm平底孔或底波下降10 dB調試靈敏度的方式需要在理論上進行探討,因此在實際應用中存在一定的難度。而且使用同一探頭進行測厚與分層檢測時,應該同時分別進行閘門報警設置+分開顯示,以避免當鋼管中存在全壁厚的一定比例

1/2,1/4、1/8等)厚度的分層缺陷時,該類特殊厚度位置的分層缺陷所產生的多次反射底波因顯示時基位置的特殊性而造成的測厚誤報。

目前超聲波相控陣探傷主要采用手動方式,解決了脈沖反射式探傷存在單一方向反射型檢測的缺點;但如將超聲波相控陣探傷應用于自動化探傷,可能還需解決超聲波能量重復發射的保證能力、多方向超聲波干擾、報警閘門位置與幅度的差異如何設置等問題。因此,引進自動化超聲波探傷設備時,一定要先從理論(原理分析、參數計算缺陷檢出能力)上進行可行性認證。

2.2自動渦流探傷設備

316L無縫不銹鋼管的自動渦流探傷,可以理解為能量損失型的當量比較式檢測方式,只要316L無縫不銹鋼管中自然缺陷影響的渦流信號(阻抗參數)與樣管上人工缺陷的類似,則可以有效檢出,完全可以保證316L無縫不銹鋼管中危險缺陷(有一定深度的點狀缺陷)不漏檢。只是,目前316L無縫不銹鋼管企業普遍采用的穿過式線圈,其產生的渦流信號具有單一方向性,且鋼管外徑越大或壁厚越厚,導致受鋼管上一些淺而窄的自然缺陷影響的渦流信號較小,從而造成漏檢。至于渦流點探頭或扁平式線圈,解決了渦流信號的單一方向性問題,但對壁厚較大的鋼管,其內表面缺陷還是存在漏檢的風險。

鑒于自動渦流探傷設備具有檢測速度快、效率高的優勢,可以在多頻檢測(低頻檢測內表面、高頻檢測外表面)、信號處理軟件分析方面進行研究優化,以進一步提高探傷靈敏度。

2.3自動漏磁探傷設備

316L無縫不銹鋼管的自動漏磁探傷,也可以理解為能量損失型的當量比較式檢測方式,只要縱向、橫向的磁化(線圈)能力足夠大,對鋼管上不同方向的自然缺陷還是具有可靠的檢出能力。但對壁厚大于20mm316L無縫不銹鋼管,有必要在磁化(線圈)設備的能力或檢測線圈的結構參數方面進行研究提高,可通過以下方式:①改變磁化鐵芯的材質或加大線圈的結構尺寸;②增加磁化線圈的匝數(同時線圈的冷卻能力也要加強);③提高磁化電源能力的額定值(極限值);④優化檢測線圈的結構,以提高拾取漏磁場的能力等。同時,對信號處理分析軟件進一步優化,希望對316L無縫不銹鋼管內、外表面的缺陷信號能檢出與準確分辨并區別顯示報警。

2.4數字化自動射線探傷設備

隨著計算機和數字化圖像處理技術的發展,傳統膠片式的射線檢測可能會被數字化射線檢測代替。當前數字化射線檢測的靈敏度已經達到了一定的要求,且具有可視性、直觀性(便于缺陷定性)的自動化檢測優勢,對形狀規則而且單一(特別是長條型)的316L無縫不銹鋼管,已具備一定的可成套應用數字化自動射線探傷(特殊的雙壁雙影法)的條件,可對鋼管中差異性很大的自然缺陷有效檢出。但由于射線檢測存在一定的方向性,有必要通過多射線機頭的設置,以驗證一定速度的自動化射線探傷可對“米”字型缺陷(不同方向、多個深度)或不同方向布置的金屬絲型像質計(符合一定要求的靈敏度)進行有效的檢出,同時以解決316L無縫不銹鋼管全體積的檢測覆蓋范圍。

當然,數字化自動射線探傷設備在鋼管領域的應用與推廣還需解決以下問題:①現場的安全防護與許可問題;②鋼管缺陷自動評級的軟件問題;③相應的鋼管數字化自動射線探傷標準的制(修)訂,可通過CSTM中國材料與試驗團體標準的方式加快標準的制(修)訂進程;④有一批會制定數字化自動射線檢測工藝的現場探傷技術人員。

2.5紅外熱成像無損檢測技術

近期,紅外熱成像無損檢測技術已在個別鋼管企業進行嘗試,其效果還有待驗證。希望能成為種有效的316L無縫不銹鋼管自動探傷方式。

3結語

對國內316L無縫不銹鋼管自動探傷設備的上述淺述,并不是對其中某種自動探傷方法的全盤否定或全部肯定,而是以理論與實踐相結合的方式來比較多種探傷方法的優缺點,以期減輕鋼管行業自動探傷人員的壓力(自動化探傷設備正常檢測,但出廠鋼管仍存在個別特殊缺陷的漏檢),也可進一步理解ASTM美國材料與試驗協會鋼管產品標準中對自動渦流、超聲波、漏磁3種探傷方式只作選擇性要求,以及其對3種方式作出的解釋:渦流探傷設備能夠檢測重大缺陷,特別是短陡型缺陷;超聲波探傷設備探測不同取向的缺陷時,應當采用不同的測試技術,且不能檢測短而深的缺陷;采用漏磁探傷設備進行檢測時,應采用不同的測試技術來檢測不同取向的缺陷。希望探傷設備研發設計生產企業能夠盡早研發出一種自動化探傷設備,完美地滿足316L無縫不銹鋼管這種形狀單一工件的不同自然缺陷的有效檢出。