钢管的探伤及可靠性分析

    论述了探伤中使用的漏磁、涡流、超声和电磁超声几种无损检测方法的可靠性，通过对上述几种方法可靠性的比较可以看出，电磁超声方法具有其他无损检测方法不可比拟的优点和广阔的应用前景。
1 前言
    钢管是应用最广泛的钢材品种。它的质量直接影响到经济效益及人员的生命安全。世界各国都对钢管的质量检测给以极大的重视，采用了各种无损检测（NDT）方法对钢管进行了严格的检测。例如，德国的Mannesmann 公司和日本的住友金属公司在检测大直径钢管时采用超场（UT）和漏磁（MFL）方法；检测小直径钢管时，采用超场和涡流（ET）方法，已形成了较为成熟的检测方案。我国的钢管检测大量采用了超声及涡流方法，也愈来愈多地采用漏磁方法。然而，由于钢管生产中产生的自然缺陷用NDT 方法检测不出来的现象。因而，如何提高NDT 的检测可靠性，就成为日益紧迫的课题。
    本文结合钢管检测中曾出现的一些自然缺陷漏检现象，从原理上及检测设备性能上进行深入分析，为制定最佳的检测方案提供了参考建议。
2 MFL（Magnetic Flux Leakage)方法的可靠性
    MFL 法因其对管材表面状态要求不高，检出深度也较大，在国外的钢管检测中大量使用，国内也越来越多地采用，特别是石油用钢管检测中已很普遍地使用了美国Tubescope 公司制造的MFL 探伤设备。
    在MFL 的使用中，由于管理上和技术上的原因，曾出现过一些漏检问题。其中一个是与管轴线成45度角的缺陷常常漏检。如将MFL 设备中的纵向探头与横向探头同时使用，可能会减小漏检率，否则就很难保证这类倾斜伤的可靠检测。
    在MFL 法中影响可靠性的另一重要因素是自然缺陷与管表面的夹角。理论计算与实验研究证明：当人工刻槽沿壁厚方向的取向与管外表面夹角为30度时，即无法用MFL 检测出与表面平行的缺陷，如分层类缺陷。
    些外，如钢管在扎制过程中变形较大，有时会将自然缺陷轧合。这时，缺陷产生的漏磁就很小，导致很难用MFL法探出。
    在生产检测中，曾出现过用MFL法检测不出钢管中透壁大孔洞的现象。抛开管理及人员因素，在技术上也应探入分板并加以防范。对于用MFL 法能探出表面多深的缺陷，一直没 有明确的结论。这与仪器及探头性能及缺陷尺寸形状等都有关系。
3.ET(Eddy Current Testing)法的可靠性
    由于检测速度高，穿过式线圈ET法多年来广泛用于检测钢管质量，特别是其致密性。在使用中证明，它难以探出铁磁性钢管中的裂纹状缺陷，所以在高标准的ET中，采用探针式线圈ET法。此外，对于ET法究竟能探出表面多深的缺隐这样一个简单问题，似乎至今也未形成一个明确的共识。
　对于钢管中常常产生的“外折”类缺陷，不少涡流仪器与探头也往往发现不了。经常出现外折肉眼明显可见，却无法将之用ET仪报警的尴尬现象。自从出现了扇区式相位报警的涡流设备后，这种局面得到了根本的改变。但选择合适的仪器与探头并正确调整它，仍是不容忽视的重要问题
4 UT(Ultrasonic Testing)法的可靠性
    UT 法在钢管探伤与测厚中应用最广。然而，作为一种检测方法，其可靠性会受到各种因素的影响。如对之分析研究不够，甚至会出现严重的漏检、误检现象。下面仅对UT中可能存在的几种降低UT的可靠性的因素做一些讨论。
（1）自然缺陷取向对UT可靠性的影响
    在钢管轧制过程中，出现频度较高的是轴向（纵向）缺陷。然而，与钢管轴线呈一定角度延伸的缺陷也不少见。垂直于管轴线的周向（横向）缺陷也时有发生。NDT的任务就是将这些取向不同的缺陷都探出来。
同样，为了可靠探出与钢管表面倾斜的折叠类缺陷，必须设置2组沿管周向相反方向入射的探头。
（2）声耦合方工对UT可靠性的影响
    水侵UT中，声波在管壁中传播衰减是很严重的。因为水的声特征阻抗远小于钢，故声波从水向及从钢向水的往复透射率就很小。其次，声波在管壁中的每次反射都伴随着波型转换。而横波向水透射时又要完全被水吸收，故而显著地增大了水侵UT的超声衰减。这就导致超声波沿管壁传播距离很小，甚至连1/4周长也达不到。在不考虑声传播过程中的波型转换，即在横波折射角为45度时，有机玻璃楔块制成的斜的接触法探头，对钢管的声压往复透射率的计算值T（LS）约等于25%。而在钢管外侧浸在水中，内侧仍为空气时T（LS）约等于15%。后者比前者低4dB。如果钢管内孔也充入水（例如水从在孔洞浸入内孔）时，则缺陷回波信号要比接触法或水膜法至少下降6dB。如果因缺陷形状或取向等不利因素的影响造成缺陷回波信号不强，则缺陷就很可能漏检。一个较好的解决此问题的方案是以水膜法代替水浸法进行耦合。
5 电磁超声EMAT （Electronmagnetic Acoustic Transducer)探伤技术
    为解决声耦合给UT带来的各种困难，20世纪60年代末期出现了不需要声耦合而直执着在金属中激发与接收声波的电磁超声换能器（EMAT），经30年来的研究、开发，现今已进入工程化、商品化阶段。美、德、俄、日等国已有商品仪器设备出售。笔者从70年代初也开始了MEAT 的研究与开发，目前，研发的EMAT 设备已经在国内多家钢管、钢板的生产与使用单位成功地应有。
     EMAT 是靠3种方式产生Lorentz力、磁致伸缩力及磁性力来激发与接收超声波的，直接在金属中激发与接收超声，不需要声耦合，所以可在粗糙表面的工件中及高温、高速运动的工件中进行超声检测。它可以很容易选定所需要的超声波模式，特别是能很简单地激发与接收SH波，这在压电超声换能器很难做到。它在钢管中激激发的超声，可绕工件传播几周甚至十几击，这就为用透过波来检测缺陷尺寸奠定了良好基础。如前所述，在UT中如果缺陷与声束不完全垂直时，如其斜超过10度，反射波就大幅度下降。偏斜45度的缺陷就会漏检。
6.MEL、ET、UT及EMAT法的可靠性比较
    用大量自然缺陷分别对MEL、ET、UT及EMAT 方法进行了比较实验。用各种既定深度的人工标准缺陷对每种方法的缺陷深度的测量进行标定。然后对这些自然缺陷进行扫查探测。当折叠类缺陷深度较大时，其测量结果的离散度最小，但当缺陷深度上于2mm时，离散度相当大。而MFL 和ET法的离散度更大，在很多部位上测量深度为0，探测不出来。这可能是。由于在该部位上缺陷被轧合了。而EMAT就不存在这种漏检现象，在我们的EMAT设备使用中也证实了这一优点，不论人工缺陷还是自然缺陷，EMAT设备都有很高的检出率。
7 结论
（1）EMAT 方法不公能检测出各种标准所规定的人工缺陷，而且可以检测出多种自然缺陷，其可靠性是其它NDT法无可比拟的。
（2）在EMAT法检测中，应将探纵、横向缺陷的探头及高、低通滤波器全部使用，以防缺陷漏检。如可能，应开发检测水平分量漏磁场的探头，以确保其可靠性。
（3）在ET法中，应采用相位报警方式，以防折叠类缺陷漏检。在对ET法的可靠性要求高时，应采用点探头线圈的ET仪器与设备，以可靠检测裂纹类缺陷。
（4） 在UT法的钢管探伤中，不宜采用全水浸式探头，而应采用水膜式探头，防止危险性缺陷漏检。