大直缝焊管钢板超声波探伤的几种扫查方式浅析
北京华海恒辉科(kē)技有(yǒu)限公司
摘 要 本文(wén)介绍了大直缝焊管用(yòng)钢板超声波探伤的三种扫查方式：横向扫查、纵向扫查和摆动扫查，并分(fēn)别从探头与钢板的相对运动方向、结构、探伤轨迹、探头数量和对探伤机的要求等方面逐一作了分(fēn)析和比较。
关键词 钢板 超声波探伤 扫查 横向 纵向 摆动
Analyses to Several UT Scanning Methods to Steel Plate Used by Large Longitudinal Welded Pipe
Abstract Three types of UT scanning methods of transverse scanning, Longitudinal scanning and swinging scanning to steel plate used by large longitudinal welded pipe are introduced herein. Detailed analyses and comparisons are also made from the aspects such as the relative moving direction between probes and the steel plate, configurations, the inspection traces, the quantity of probes used and requirements to the detector.
Key Words Steel Plate UT Inspection Scanning Transverse Longitudinal Swinging
1.概述
借國(guó)家大力开发西部、建设中哈及西气东输等管線(xiàn)的强劲东风，我國(guó)大力发展了大口径直缝焊管的生产，弥补了螺旋焊管的不足，使我國(guó)的焊管工业又(yòu)跃上了一个新(xīn)的台阶。大口径直缝焊管高压输送是石油天然气長(cháng)输、高压、大流量管道的发展趋势。
大直缝焊管的原料為(wèi)热轧钢板，板厚6~40mm，板宽655~4500mm，板長(cháng)8~12.2m。钢板中常见的缺陷有(yǒu)分(fēn)层、夹渣、裂纹和白点等，其中分(fēn)层和夹渣是钢板中*為(wèi)常见的缺陷。超声波法是检测钢板分(fēn)层缺陷的一种行之有(yǒu)效的方法，在自动扫查时，一般采用(yòng)水膜脉冲反射式探伤。
2. 扫查
2.1基本概念
在进行超声波探伤时，探伤面上探头与试件的相对运动称為(wèi)扫查。扫查一般考虑两个原则，一是保证钢板的整个检查區(qū)有(yǒu)足够的声束覆盖以避免漏检；二是扫查过程中声束入射方向始终符合标准所规定的要求。
2.2扫查方法与探伤标准
直缝焊管的生产标准很(hěn)高，國(guó)际上公认的和应用(yòng)*广泛的管線(xiàn)规范有(yǒu)：
A．API SPEC 5L（第43版）*； B．ISO3183.1（2；3）[equ GB/T 9711.1（2；3）]*。
國(guó)内外许多(duō)石油公司在具體(tǐ)的管線(xiàn)建设中都把这两个标准作為(wèi)基础标准，同时还根据实际需要制定了许多(duō)的补充技术规范。这些标准和补充规范都要求钢板必须先进行超声波探伤后才能(néng)制成钢管。
由于钢管用(yòng)途不同，生产钢管的标准各异，钢板超声波探伤执行的标准也就各异，常见的探伤标准有(yǒu)：
A．ASTM－A578／A 578M－92*； B．GB／2970.91*；
C．SY／T6234.5－1999* D．ZB J74 003－88*
不同的探伤标准决定了扫查方法亦不相同，一般可(kě)分(fēn)為(wèi)**扫查、格子線(xiàn)扫查、边缘扫查及列線(xiàn)扫查。
1)．**扫查：在整个板面上进行**积（100%）扫查。相邻扫查線(xiàn)之间应有(yǒu)100%的有(yǒu)效波束覆盖。
2)．格子線(xiàn)扫查：在板边缘的一定范围，如50mm以内，作**积扫查，其余部分(fēn)划成例如200×200mm的方格子線(xiàn)，探头沿格子線(xiàn)扫查。
3)．边缘扫查：在板材边缘，例如50mm的區(qū)域内**积扫查。
4)．列線(xiàn)扫查：在整个板材的探测面上，沿垂直板的压延方向划出例50或100mm间隔
的直線(xiàn)，探头沿此直線(xiàn)扫查，列線(xiàn)亦可(kě)平行压延方向。
将不同的探伤标准与扫查方法作一个分(fēn)析对照（见表1）：
由表1可(kě)知，焊管生产厂家设计、制造钢板超声波探伤设备，首先应灵活而满意地执行國(guó)内（外）所有(yǒu)探伤标准，而且还要满足生产节拍（生产节拍一般為(wèi)4~6分(fēn)钟/张）。
表1 探伤标准与扫查方法对照表
探伤标准 | 板 内 扫 查 方 法 | 板周边
扫查方法 |
ASTM A578-92 | 1． 连续沿着相互垂直的格子線(xiàn)中心进行扫查，格子線(xiàn)间距為(wèi)9
英寸（225mm）或根据制造厂的选择。 2． 连续沿垂直于板的压延方向的平行線(xiàn)的中心进行扫查，扫查
间距4英寸（100mm）或3英寸（75mm）。 3．连续沿着板的主压延方向的平行線(xiàn)的中心線(xiàn)进行扫查，扫查
间距為(wèi)3英寸（75mm）或更小(xiǎo)。 | 2英寸
（50mm）
100%扫查 |
GB/T 2790-91 | 探头沿垂直于钢板轧制方向，间距不大于100mm的平行線(xiàn)进行
扫查。 | 50mm
100%扫查 |
SY/T 6243.5-1999 | 1．沿平行或垂直于钢板轧制方向的等间距扫查線(xiàn)；扫查间距
分(fēn)别為(wèi)100、150和200mm。 2．对应的*小(xiǎo)覆盖范围分(fēn)别為(wèi)20%、10%和5%。 3．探头摆动扫查时，*小(xiǎo)覆盖范围应為(wèi)对应给定值的一半。 | ≥15mm
100%扫查 |
ZB J74 003-88 | 探头沿垂直于钢板压延方向，间距為(wèi)100mm的平行線(xiàn)进行扫查。 | 50mm
100%扫查 |
3. 扫查方式与探头数量
探头相对钢板的扫查方式有(yǒu)：纵向扫查、横向扫查和摆动扫查（即横向梳扫）。
3. 1 纵向扫查：
探头平行于钢板压延方向作相对运动的检查方法為(wèi)纵向扫查，如图1。
图1 纵向扫查结构工作示意图 图2 纵向扫查探伤線(xiàn)示意图
显而易见，纵向扫查的探伤轨迹為(wèi)平行直線(xiàn)（见图2），图中平行線(xiàn)之间的间距T可(kě)随钢管的探伤标准而改变，T=75、100、150、200、225mm。
1).探头数量：探头数量多(duō)少由钢板宽度及探伤标准决定。若钢板作直線(xiàn)运动而探头不动的在線(xiàn)超声波探伤，按扫查要求摆放探头，如：板宽4500mm钢板（φ1420钢管），实施GB/T2970的1级探伤标准，作间距100mm扫查，则需要：
A．主探头：（4500-2×50）/100=44只。
B．两纵边探头：2×3=6只（二边各三只，因為(wèi)一只探头晶片尺寸為(wèi)φ20mm，考虑到50mm之内扫查100%覆盖，至少需要3只探头）。
C．两横边（板头板尾）探头：1×3=3只。在主探架前方平行增加一个横边副探架（横边探头在其探架上可(kě)作返往直線(xiàn)运动），如图1。以上共计探头数量為(wèi)53只。
2).纵向扫查对探伤机的要求：
A．因為(wèi)探头数量多(duō)，因而要求的探伤仪通道数多(duō)。
B．因為(wèi)探头数量多(duō)，因而探头的夹持机械手及其升降机构（利于上、下料时保护探头）也多(duō)。
3. 2 横向扫查
探头垂直于钢板的压延方向作相对运动的检查方法為(wèi)横向扫查，结构形式如图3。
A) B)
图3 横向扫查结构工作示意图
横向扫查与纵向扫查方式基本一样，探伤轨迹也為(wèi)平行直線(xiàn)（见图4），只是横向扫查的探头数量由于一次扫查的范围增大而比纵向扫查的探头数量多(duō)。若探头数量不多(duō)，则可(kě)采用(yòng)结构图3- B），钢板作步进（间歇）直線(xiàn)运动，探头垂直于钢板压延方向往返扫查，但它的检验节拍慢。
图4 横向扫查探伤轨迹示意图
3.3摆动扫查（即横向梳扫）
按一定间距固定的若干探头沿垂直于钢板压延方向排布，并沿垂直于钢板压延方向作横向摆动，同时钢板纵向作匀速直線(xiàn)连续运动并通过探头的检查方法称為(wèi)摆动扫查。纵边探伤由纵边探头沿钢板压延方向扫查。横边探伤由主探头多(duō)次往返作垂直于钢板压延方向扫查。在横边探伤时，钢板必须缓慢前进，保证探伤100%。结构见图5。
图5 摆动扫查结构示意图 图6 摆动扫查探伤線(xiàn)示意图
探头横向摆动装置一般采用(yòng)電(diàn)机--曲柄滑块机械传动。当電(diàn)机带动曲柄作整周连续转动时，通过连杆可(kě)带动滑块作往复直線(xiàn)运动。滑块下垂直挂着一排可(kě)上下升降约200mm的主探头。曲柄長(cháng)度和探头间距均可(kě)调。
曲柄滑块机构带动探头作往返运动，则探头沿垂直于钢板压延方向作一正（余）弦曲線(xiàn)运动，而钢板作匀速直線(xiàn)运动，我们将这两个速度合成，则可(kě)得出探头在钢板上的探伤轨迹線(xiàn)(见图6)，在图6中A為(wèi)摆幅（摆幅A為(wèi)曲柄長(cháng)度的二倍），K為(wèi)探头间距，S為(wèi)螺距（随钢板运动速度而变化），A、K、S可(kě)随板宽和探伤标准不同而调整，K≤A。
1).探头数量：如探头以250 mm扫查间距摆放，则主探头需要18只，纵边探头需要6只，共计24只探头。由此可(kě)见，摆动扫查所需探头数量及仪器通道数明显比纵向、横向扫查的减少很(hěn)多(duō)。
摆动扫查的特点：
相对于单纯的全覆盖纵（横）向扫查及往复式纵（横）向扫查，具有(yǒu)机械结构简单、强度高、體(tǐ)积小(xiǎo)、通道数少、运行平稳可(kě)靠等特点。
A.钢板两横边：主探头垂直于压延方向100%扫查；
B.钢板两纵边：边探头平行于压延方向100%扫查；
C.钢板内部：主探头垂直于压延方向摆动100%扫查。
2).对探伤机的要求：
A. 因探头数量少，探伤仪通道数也少。
B. 因探头数量少，探伤机械部分(fēn)很(hěn)简单。
C. 对主探头有(yǒu)横向摆动的要求。
D. 对边探探头的要求：只需两组纵向边探。其边探架与纵向（横向）扫查方式的边探架一样，也应有(yǒu)板边跟踪和升降功能(néng)。
3. 4 比较
将上述三种扫查方式作一比较 (见表2)。
表2 纵向扫查、横向扫查和摆动扫查比较表
内容 | 纵向扫查 | 横向扫查 | 摆动扫查 |
主探头相对钢板压延方向 | 平行 | 垂直 | 垂直 |
板四周边扫查 | 100% |
板内部扫查轨迹 | 平行直線(xiàn) | 平行直線(xiàn) | 正（余）弦曲線(xiàn) |
探头总数量 | 多(duō) | 图3-A多(duō) 图3-B少 | *少 |
探伤仪通道数 | 多(duō) | *多(duō) | *少 |
探伤设备建设成本 | 多(duō) | *多(duō) | 少 |
探伤设备维护成本 | 多(duō) | *多(duō) | 少 |
检验节拍 | 快 | 图3-A快 图3-B慢 | *快 |
探伤标准 | 均能(néng)满足表1中的探伤标准 |
说明：
1. 所有(yǒu)比较是对同一规格钢板检测的前提下。
2. 维护成本包括备品备件和生产成本。
4. 结束语
我厂直缝分(fēn)厂的钢板探伤采用(yòng)的是摆动扫查，该设备已使用(yòng)二年多(duō)，机械性能(néng)稳定，故障少，能(néng)满足不同的探伤标准技术要求。
参考资料
1. 西气东输工程项目部 《西气东输工程X70管線(xiàn)试制与技术条件》
2. API SPEC5L（第43版） 《管線(xiàn)钢管规范》
3. Iso3183 《石油天然气工业输送钢管交货技术条件》
4. ASTM A 578/ A 578M-92 《特殊用(yòng)途普通钢板和复合钢板直射声速超声检测规范》
5. GB/T9711.1-1997 《石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第1部分(fēn)：A级钢管》
6. GB/T9711.2-1997 《石油天然气工业输送钢管交货技术条件 第2部分(fēn)：B级钢管》
7. GB/T2970-91 《中厚钢板超声波检验方法》
8. SY／T6234.5－1999 《石油天然气工业水承压钢管无损探伤检测方法 焊接钢管制造用(yòng)钢带/钢板分(fēn)层缺欠的超声波检测》
9. ZB J74003-88 《压力容器用(yòng)钢板超声波探伤》
10. 中國(guó)机械工程學(xué)会无损检测學(xué)会编 《超声波探伤（无损检测Ⅱ级培训教材）》