超声波检测技术在焊管质量控制中的应用毕业设计(编辑修改稿)

超声波检测技术在焊管质量控制中的应用毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

非金属夹杂等体积型缺陷。 因此，它适用于检测质量高的无缝钢管，但由于检测速度较慢，难以在钢管检测的流水线上进行快速在线检测，因此一般作为高质量钢管的离线检测手段。 （ 4）涡流探伤。 涡流探伤是利用探头线圈内流动的高频电流可在焊缝表面感应出涡流的效应，有缺陷会改变涡流磁场引起线圈输出 (如电压或相位 )变化来反映缺陷。 涡流探伤检验参数控制相对困难，检验结果的解释稍微困难。 可检验各种导电材料焊缝与堆焊层表面与近表面缺陷。 适合于钢管质量检验的自动涡流探伤方法有点式探头探伤和穿过式探伤法 2种。 采用点式探 头探伤高速旋转的方法来探测钢管中的纵向缺陷，其检测速度由探头的数量和其旋转的速度而定，一般来说比较慢，加之设备较复杂，因而其应用不太广泛；采用穿过式探头检测钢管中的横向缺陷，这种方法设备简单，探伤速度快，且对钢管表面和近表面的常见缺陷如裂口、凹面、结疤及部分外折等有较高的检测灵敏度，因而成为钢管检测的主要方法。 （ 5）漏磁探伤。 钢管的漏磁探伤技术主要分为磁粉探伤法和磁场测定法 2 种。 磁粉探伤是将焊缝磁化利用缺陷部位的漏磁通可吸附磁粉的现象得以形成缺陷痕迹以达到探伤效果的检测手段。 磁粉探伤限于检验铁磁材料，要 完全接近与工件表面，缺陷性质容易辨认，油漆与电镀面基本不影响检验灵敏度，但应做层膜厚度对灵敏度影响的试验。 磁粉检测可以用来检表面与近表面缺陷。 可需用肉眼来观察磁痕，因此难以实现自动化。 磁场测定法尽管设备复杂，成本高且操作难度大，但却是通过传感器来拾取漏磁场信息的，因此易于实现自动化探伤。 （ 6）电磁超声探伤。 超声探伤是利用弹性波在缺陷部位形成反射或衍射的方法提取缺陷信号，其信号强度与波的类型、探伤频率，缺陷的尺寸、取向及其表面状态以及完好部位和缺陷部位的材质有关。 超声探伤的主要特点如下： 1)显示器屏幕上缺 陷波的幅度与位置代表缺陷的尺寸与深度，一般较难测量缺陷真实尺寸，只有采用衍射波法可测缺陷高度； 2)厚度小于 8mm 时，要求特殊检验方法； 3)焊缝只须单面靠近，检验时间短，成本低； 4)对操作人员无损害。 13 超声探伤有利于检出裂纹类面积形缺陷。 电磁超声传感器激发的超声波可沿着管材圆周方向传播，无须使钢管或传感器转动便可扫描钢管的圆周。 电磁超声探伤能同时探出压电超声、涡流、漏磁探伤各自能探出的缺陷，可实现自动检测保证生产节奏。 综合分析各种检测方法的特点。 不同材质焊缝探伤方法的选择见下表 . 表 质焊缝探伤方法的选择 检验方法 检验对象 超声探伤 射线探伤 磁粉探伤 渗透探伤 涡流探伤 铁素体钢焊缝 内部缺陷 ◎ ◎ — 表面缺陷 △ △ ◎ ◎ △ 奥氏体钢焊缝 内部缺陷 △ ◎ 表面缺陷 △ △ ◎ △ 铝合金焊缝 内部缺陷 ◎ ◎ 表面缺陷 △ △ ◎ △ 其他金属焊缝 内部缺陷 — ◎ 表面缺陷 — △ — ◎ △ 塑料接头焊缝 △ ○ ○ 注：◎：很适合 ○：适合 △：有附加条件时适合 ：不适合 在各种检测方法中，磁粉、渗透和涡流三种检测方法，只能检查表面和近表面缺陷，对试件内部的裂纹不敏感。 射线检测法虽然可以用于检测内部缺陷，但是它对裂纹等面形缺陷检测灵敏度低，另外由于其检测速度慢，并且需要专门的防护设备，因而大大限制了该方法的应用范围。 超声检测与射线检测相比，对不理想的波束方向有更大的适应性。 它不仅对平面缺陷很敏感，而且对夹渣和气孔也有较高的灵敏性。 此外，超声波对人体无害，并且检测速度快，操作方便，易于实现自动化，因此应用最为广泛。 超声检测方法除了具有设备简单，使用方便和安 全性好，检测范围广等根本性的优点外，超声检测产生的时域波形信号形式，使得计算机信号处理、模式识别和人工智能等技术能够方便的用于检测过程。 计算机在超声检测中的应用，也使得超声检测的可靠性越来越高 17l。 目前已经超过了射线检测，成为最普遍应用的无损检测方法。 普遍采用超声检测的另外一个原因，是为了采用断裂力学和损伤力学的知识对检测对象进行寿命估计，超声检测对微型裂纹敏感的特点 J下符合这种需要。 由此可见， 超声检测在焊管的检测 14 中有着广泛的用途，同时也占据着非常重要的作用，下面就超声检测技术加以详细说明 伤技术 超声波探伤的原理 超声波无损检测主要是基于超声波在试件中的传播特性。 首先通过激励超声发射换能器产生超声波并使其进入工件，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号，缺陷作为与构件材料不同的介质将会产生不同的特征信号，接着再对接收到的信号进行分析，从而获得有关缺陷或材料的特性信息。 ；根据接收的超声波的特征，焊管本身及其内部是否存在缺陷及缺陷的特性。 超声波无损检测的原理图如下： 图 超声无损检测示意图 同步电路：是超声波探伤仪的心脏和指挥中心，它有多谐振荡器产生周期性矩形同步脉冲，经微分电路后变成正负尖脉冲，触发闸流管后同时控制发射电路、时基电路、时标电路等部门进行步调一致的工作。 发射电路发出频率一定的超声波脉冲 ,进行器件检测，检测结果通过放大电路送到示波器的显示屏，根据波形显示来确定器件是否有瑕疵。 报警电路 发射电路 同步电路 接收放大电路 时基电路 显示器 电 源 15 超声波探伤方法及分类 超声波探伤法的种类很多，根据 声耦合方式可分为接触法和液浸法两大类，按声波传播方式可分为反射法和透射法两种。 按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调频波等探伤方法。 按波形分又可分为纵波、横波、表面波和板波等。 超声波探伤作为无损检验的一种重要手段，在工业上已获得广泛的应用。 目前，从仪器品种、探头种类、探伤方法、自动化水平等各方面都在不断的革新和发展中。 在超声波探伤中，由于使用的波型、发射和接收的方法、信号的显示方式、探头与工件耦合的特点、工件形状和缺陷类型、实现探伤的手段等都不相同，所以从不同的方面出发，就可以按不同的归纳方式分类。 如按自 动化程度可以分为自动 化探伤、半自动化探伤、手工探伤：按缺陷在荧屏上显示的方式可以分为：显示缺陷深度及反射波幅度的 A型显示、显示在横截面上缺陷的形状和分布情况的 B 形显示、显示水平截面上缺陷形状和分布情况的 C型显示。 所以，要想把探伤的方法按一种格式严格分类是不可能的，现仅就常用的金属超声波探伤方法综合归纳于下表。 表 常用超声波探伤方法的分类 脉冲反射法是目前运用最广泛的一种超声波探伤法。 它使用的不是连续波，而是有一定持续时间按一定频率发射超声脉冲。 探伤结果用示波器显示。 脉冲发射法包括纵波直探头探伤 法及横波斜探头探伤法两种。 16 目前 , 螺旋焊管行业一般在带钢或管体上采用压电超声波纵波多通道流状或摆动扫查探伤法。 为保证各通道耦合良好、通道增益一致、边探探头跟踪位置正确 , 故调校设备时间较长 , 且由于探头直径和间距决定的探伤覆盖率等因素的影响 , 无法对板厚 6mm～ 20mm 的焊管板材进行 100% 检测。 而且探伤时 , 如果水量太小 , 则耦合不良 , 影响探伤结果。 如果水量大 , 则不易风干 , 会影响焊接质量。 而采用电磁超声装置 , 其所用通道数量少 , 具有调校设备时间短 , 无需耦合剂 , 覆盖面积大 , 发现自然缺陷能力强的优点。 经过多年的研究开发 , 国内有关部门采用电磁超声技术对铁磁性材料进行无损检测 ,目前已进入了工业应用阶段 , 特别是在管材上运用电磁超声检测取得了良好的效果。 2020 年笔者单位已将 EMA 电磁超声自动探伤装置成功地应用在西气东输二线工程土库曼斯坦阿姆河地面管线 1067 12. 7 X70 和哈萨克斯坦中亚管线 1067 15. 9 X70 及国内东线 1219 18. 4X80 螺旋钢管生产线上带钢板材分层的在线探伤。 基本原理 超声波探伤探头机械结构如 图。 其工作原理是 : 曲轴转动时由连接杆带动探头支架左右往复摆动 , 实现探头在钢板上的左右扫查。 钢板的进板速度设置为两档 , 快速档 6m /m in( L =160mm)、慢速档 3m /m in (L = 80 mm )。 在单位时间内 , 两种不同的进板速度使探头扫查钢板的轨迹不同 , 因而扫查的面积也就不同 , 探头扫查轨迹如图。 图 探头机械结构 17 图 探头扫查轨迹 探头布置及数量的确定 （ 1）探头布置 用超声波对钢板进行探伤时 , 探头布置如图 , 探头扫查面积如图。 探头数量的确定应综合考虑钢板宽度标准、工艺所要求的覆盖面积以及检验速度等因素。 图 探头布置示意图 18 图 探头扫查面积示意图 （ 2） 探头的检测区域 图 3中 , 中部探头左右摆动探伤的钢板区域宽度 C = A 2B, A 为钢板总宽度 , B 为边探所探伤的钢板区域宽度。 钢板边缘部分的探头固定不动 , 每侧各布置 3只 , 若探头的晶片直径为 20mm, 重合量取 5mm, 则单侧边探探头扫查有效宽度为 50mm。 （ 3） 探头扫查面积计算 1） 单个探头扫查面积 已知 : 电机转速为 1 520 r/m in, 减速比为 1： 40, 曲轮半径为 80mm, 探头直径为 20mm, 进板速度选快速档 , v = 6m /m in= 100mm / s。 则有曲轴转速 n= 1 520 /40=38 r /m in。 由于曲轴的 1转为探头的 1个往复 , 则探头 1个往复的时间为 60 247。 38= s, 探头 1个往复的前进距离为 100 = 160mm。 则 : 一只探头的扫查面积为 ( 2 80 3． 14) 20≈ 1 10185。 186。 ㎡。 说明 : ① 钢板前进和探头左右摆动同时进行 ,因而探 头在钢板上的扫查轨迹为正弦波轨迹。 ② 探头晶片直径20mm与一个正弦波轨迹的长度的乘积所形成的面积就是单个探头的扫查面积。 2） 探头数量确定 探头数量可按 ( 1)式确定 , 即探头数量 = (钢板宽度 边探覆盖面积 )/一只探头扫查面积 探头一个周期长度 要求扫查面积 (1)。 说明 : ① 边探覆盖面积按实际布置探头数量并减去重合量计算。 ② 要求扫查面积依据标准及工艺而确定数值。 ③ 该探头数量计算值与边探探头布置数量无关。 以西气东输 Ф 1 016mm 21mm钢管用钢板的探伤为例 , 钢板宽度 A = 3 090mm, 使用探头晶片直径 20mm, 19 探头 1个扫查周期的长度 L = 80mm,边探单边探头扫查有效宽度 B = 50mm, 单只探头的扫查面积 S = 10 000mm2, 要求扫查面积比例为 50%, 则按 ( 1) 式可计算出该钢板探伤时所需的探头数量。 探头数量 =( 3 090 100) 80/10 000 50%= ≈ 12(只 ) 检测工艺 （ 1） 工艺流程 工艺流程见图。 合 B 再测验 格 或检 测 A （ 2）扫查方法 扫查方法见表。 带钢移 动 电磁超声 板中扫查 A 自动探伤 板边扫查 B （评定结果） 钢管制 造 拒收或切 除 20 表 带钢板材扫查方法 项目 检测方式 检测范围 A. 带钢体中 固定扫查 电磁超声脉冲 反射法 A. 对带钢板体母材≥ 25%的表面覆盖面 积进行超声波自动扫查探伤。 B. 对带钢两侧边缘 45mm 范围内母材 , 进 行 100%超声波自动探伤。 B. 带钢两侧 固定扫查 C. 评定结果 手动检测 A型超声脉冲反射法 对板边缘和板体中部的母材可疑缺陷喷 标部位进行压 电超声手动复检。 （ 3）闸门设置 板面 A A 2 探头报警闸门位置设置 ( 带钢体中 ) : 将板面 A A2 探头落到钢板表面 , 施加磁化电流 , 显示屏幕上出现始波和板边反射波 , 将报警闸门的前沿紧靠始波的后沿 , 报警闸门的后沿紧靠板边反射波的前沿 , 此时闸门宽度范围即为检测范围。 将 6mm 人工分层反射波高调节为满幅度的 100% 作为合格极限。 板边 B B2 探头报警闸门位置设置 ( 带钢两侧 ) : 将板边 B B2 探头置 21 于试板上 , 探头声束对准 6mm 人工分层 , 施加磁化电流 , 移动探头找到 6mm人工分层反射波的最高波 , 调节发射频率和磁化电流 , 使 6mm 人工分层反射波形最佳 , 调节报警闸门的前。