钢质管线采用全自动超声波检测横波声速测定方法研究

闫留青，裴 彪

（海洋石油工程股份有限公司技术服务分公司，天津 300452）

随着地下管道的应用越来越广泛，全自动超声波检测技术（AUT）以其高效、精确、环保的优势，成为地下管道环焊缝检测的首选方法。而钢质管线在制造过程中，由于各管厂的钢材轧制和制造工艺的差异，导致不同管厂生产的管材的超声波声速[1]存在较大差异。如果声速差异较大，根据Snell 定律可知，超声波聚焦声束将偏离工艺设计中的聚焦区域，导致我们无法准确检测焊缝各个分区[2]。

为确保AUT 检测系统焊缝检测聚焦区域以及后续系统校准的准确度，需对管材的横波声速进行测定并输入AUT 系统开展后续的系统校准工作。

本文依托管径为323.9mm，壁厚15.9mm 的钢质管线，加工了横波声速测定试块，详细描述了运用AUT 检测系统和横波声速探头，测定管线中实际的横波声速的步骤和方法。

1 AUT技术简介及系统校准概述

1.1 AUT 技术简介

全自动超声波检测技术（AUT）早期亦称之为焊缝分区检测技术。该技术主要是根据检测焊缝的坡口形式、壁厚等参数进行工艺设计，并对AUT 检测系统进行校准，通过AUT 扫查器对焊缝进行数据采集，通过系统分析软件对采集到的信号进行数字信号处理，并转化成带状图进行显示（如下图1 所示），最终技术人员根据带状图信号评估焊缝的焊接质量。AUT 检测系统如下图2 所示。

图1 AUT 带状图显示

图2 AUT 检测系统

1.2 AUT 系统校准概述

AUT 系统校准是将系统初始设置中各个通道在校准试块（如图3 所示）与之对应反射体上，将反射体回波调整到80%FSH基准波高，以此实现对AUT 系统进行校准，AUT 系统校准图如下图4 所示。

图3 AUT 校准试块

图4 AUT 系统校准图

2 横波声速测定试验原理和试块设计

2.1 试验原理

钢质管线横波声速测定需依托横波声速测定试块开展。横波声速测定试块需选用与管材同一管厂生产的、同一材质、同一管径、同一壁厚的材料进行加工。使用专用横波声速探头、非牛顿流体耦合剂和AUT 设备进行测定。

横波声速计算方法为：V=2d/t。

其中V 为横波声速；d 为试块厚度；t 为AUT 设备通过脉冲反射法测得的时间间隔。

2.2 横波声速试块设计

由于管厂的钢材轧制和制造工艺存在差异，为准确测定管材横波声速，需至少通过3 个角度位置，即0°，20°和90°，分别测定管材横波声速。

为实现3 个角度的声速测定，基于管径为323.9mm，壁厚15.9mm 的管材设计加工了一个横波声速测定试块（声束试块中3 个位置壁厚加工精度为±0.1mm），如下图5 所示。

图5 横波声速试块

3 横波声速测定试验方法

由于管材的各项异性，横波在材料各个方向上的声速有较大区别，因此，基于2.2 节设计加工了管径为323.9mm，壁厚15.9mm 的横波声速试块，采用横波声速探头与AUT 设备进行横波声速测定。

首先，采用游标卡尺精确测量声速试块0°，20°和90°三个位置的实际壁厚，每个位置测量三次取平均值，依次将三个位置实际壁厚平均值记录在声速测定记录表（如下表1）中。

将横波声速探头与AUT 设备1#常规通道连接并按声速测定要求进行参数设置，随后将横波声速探头依次放置0°，20°和90°三个位置（如下图6 所示），使用非牛顿流体耦合剂（蜂蜜），并扭转探头，观察双折射回波（如下图7 所示），将快波第一次底波和第二次底波之间的时间间隔，每个位置分别记录3 次间隔时间并将平均值记录在表1 中。

图6 声速测定位置

图7 声速测定双折射回波图

根据2.1 节所示的横波声速公式以及声速试块0°，20°和90°三个位置的实测厚度，分别计算3 个位置横波快波声速，并依次填入声速测定记录表，如下表1 所示。

表1 横波声速测定记录表

根据计算所得的横波声速绘制横波声速图，如下图8 所示，由图谱可以计算出超声波任何入射角度的横波声速值（其中横坐标为横波入射角度，纵坐标为横波声速）。

图8 横波声速图

4 结论

本文基于管径为323.9mm，壁厚15.9mm 的钢质管线加工了横波声速测定试块，并基于该试块详细描述了在0°，20°和90°三个位置分别测定横波快波第一次底波和第二次底波时间间隔，计算各个位置横波实际声速的试验方法。以便后续将实际测定的横波声速输入AUT 系统进行参数设置，实现后续对AUT检测系统的精确校准。

同时，本文描述的横波声速测定方法不仅能够确保后续AUT 检测工艺校准的精度，还对其他相控阵或常规超声检测声速测定具有很好的指导作用。