无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文

无缝钢管缺陷的超声分析研究毕业论文无缝钢管缺陷的超声分析研究摘 要无缝钢管已经广泛应用于石油、化工、电站、锅炉、船舶、电站、航空航天、建筑以及军工等行业随着国内各行业对无缝钢管需求的增长，对于无缝钢管缺陷的研究显得越发重要，而对于其缺陷的研究常规的分析方法是做诸如低倍、金相等，而作为与有损检验对应的无损检测通常还停留在探伤阶段本文就是利用应用最为广泛的超声检测从无损检测角度对无缝钢管缺陷进行检测与分析本文应用实验室超声检测设备对无缝钢管缺陷进行检测参数优化，检测的目的是为了用超声成像技术来对缺陷进行无损分析；在此基础之上利用Visual C++ 6.0与OpenGL（Open Graphics Library）对现有超声成像软件进行二次开发，真实的反映缺陷的形貌、方位以及取向，并通过实例对无缝钢管缺陷加以分析研究主要结论如下：⑴ 无缝钢管水浸聚焦检测的参数的优化是无缝钢管超声成像的基础，通过一系列的优化实验也暴露出传统超声波形检测的不足之处：波形检测受外界干扰大，对缺陷的判断缺乏直观性与重现性；当量法只是评判自然缺陷当量的依据，却不是缺陷的真实反映，对缺陷缺少整体分析的能力⑵ 用超声成像技术对小口径无缝钢管缺陷进行成像检测分析丰富超声检测手段；对实验室现有的超声成像软件进行二次开发改进，实现斜入射超声C扫描成像与三维立体成像，通过成像准确的反映缺陷位置，分布以及形貌为生产反推缺陷的产生提供依据；通过整根无缝钢管缺陷分布，分布与形貌导入建模有限元分析，这就为无缝钢管的安全评定，寿命评估和有限元应力计算等提供了准确的预测依据，从而实现无缝钢管超声无损评价。

⑶ 对小口径无缝钢管缺陷采用无损与有损检测（验）相结合，宏观与微观分析的互补方式对缺陷产生的原因进行反推，有利于实际生产中质量控制。

关键词：小口径无缝钢管缺陷；水浸聚焦；斜入射超声C扫描；超声三维成像引 言超声检测以检测灵敏度高、声束指向性好、缺陷检出率高以及适用性广等优点已经成为无损检测领域应用最为广泛的检测技术对于无缝钢管缺陷的超声检测主要采用水浸式聚焦检测方式，相比于其他超声检测方式，它的最大优势在于可以减少由于无缝钢管曲率较大而引起的声束能量扩散损失作为无缝钢管水浸式聚焦检测关键参数——探头参数、偏心距、水层距离等历来都是超声检测研究分析的重点之一，优化这些参数是能否探测到缺陷的关键，也是实现对小口径无缝钢管缺陷超声无损检测分析的基础目前针对无缝钢管缺陷的超声检测国内外都有大量的研究，国内大部分生产单位的超声检测依然以波形检测为主，侧重于无缝钢管依照相关标准质量是否合格，而国外主要集中在以工业自动化应用为基础的自动检测技术上，在高速自动化检测的同时用超声成像技术来直观的反映缺陷的位置、形貌以及尺寸等超声成像扫描分析代替常规波形判定已经成为主流趋势，要实现成像应用最为广泛的是Visual C++ 6.0与OpenGL（Open Graphics Library）前者由Microsoft开发, 它不仅是一个C++编译器，而且是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）。

而OpenGL作为三维计算机图形软件接口，它是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植随着计算机技术的不断发展，实现无缝钢管缺陷的三维立体成像也为反推缺陷产生原因与后续无损评价提供依据，丰富了对无缝钢管缺陷研究的手段，也为超声检测由原来的无损探伤向无损评价提供了推动力量小口径无缝钢管缺陷的超声检测与分析研究第一章 绪论1.1 课题背景无缝钢管作为一种经济断面钢材，具有较高的屈服强度和耐应力腐蚀性能，从而被广泛应用于石油、化工、电站、锅炉、船舶、电站、航空航天、建筑以及军工等行业[1]伴随着国民经济的发展，我国目前已成为世界第一的钢管生产大国、消费大国和出口大国[2]，但这并不意味着中国现在是钢管生产强国，有些高级专业钢管还依赖于进口[3]无缝钢管生产一般经过管坯加热、管坯穿孔、毛管轧制、钢管定径与减径以及精整等工序[4]，这些工序中无论是原料还是加工操作都用可能使无缝钢管产生缺陷，这就对国产钢管的质量检验水平提出更高的要求由于无缝钢管的工作条件和用途不同，对其形状和尺寸、化学成分、力学性能以及工艺性能等质量指标和技术条件有着不同的要求。

各标准中，对产品质量的有关要求主要包括：化学成分、几何尺寸精度、表面与内部质量、物理化学性能、工艺性能和金相组织以及对特殊用途的钢管提出的特殊要求等[1]其中，钢管的表面与内部质量的检查（验）主要包括人工肉眼检查与有∕无损检测1.2 无缝钢管缺陷的概述我国介绍热轧无缝钢管质量缺陷的主要技术资料是1990年由原冶金工业部情报标准研究所钢铁标准化室编写的《钢铁产品标准化工作手册》该书详细阐述了热轧无缝钢管的19种缺陷,它们分别是：裂缝（裂纹）、发纹、内折、外折叠、轧制折叠、轧折、直道内折、直道、离层、结疤（包括翘皮）、凹坑（凹陷）、凹面（碰瘪）、凸面（鼓包）、麻点（麻面）、矫凹、擦伤、内螺旋、青线和毛刺[5]目前上述的19种缺陷已有多处变动[6]第一，自1999年大范围修订热轧无缝钢管国家标准（以下简称国标）起，“发纹”这一缺陷已经被取消第二，“毛刺”已不再单独列为一种缺陷，只是在产品标准中讲到端头的外形时，有“切口毛刺应予清除”的文字要求以下为无缝钢管主要缺陷的概述：⑴ 内折，钢管的内折是指钢管内表面呈现螺旋形、半螺旋形或无规则分布的锯齿状折叠钢管内表面不允许有内折，局部内折应切除，全长内折应报废。

⑵ 直通内折，钢管的直道内折是指钢管内表面呈现对称或单条直线形的折叠有通长的，也有局部的直通内折可用肉眼观察，钢管内表面不允许存在直通内折，局部直通内折应切除，通长直通内折应报废⑶ 外折，钢管的外折是指在钢管外表面出现的螺旋形状的片状、线状折叠其螺旋旋转方向与穿孔荒管旋转方向相反，且螺距较大、分布于局部或全长外折可用肉眼观察，钢管表面不允许存在外折局部外折可切除，全长外折应报废⑷ 轧折，钢管的轧折是指钢管管壁沿纵向局部或通长呈现外凹里凸的皱折，外表面呈条状凹陷钢管的轧折可用肉眼观察，钢管不得存在轧折⑸ 撕裂，钢管的撕裂是指钢管表面有撕开破裂现象，多发生在薄壁钢管上钢管表面不允许存在撕破，局部撕裂应予切除⑹ 过热及过烧，钢管的过热及过烧是指在管坯表面上生成深厚的氧化铁皮，能使钢管金属塑性迅速降低过热钢坯，金属晶粒粗大，穿孔成管后，表面呈现网状的鳞层过烧管坯，金属晶界被氧化，管坯在出炉后，在辊道上已冒火花，严重的过烧掷在地上会崩裂成碎块有过热和过烧的管坯，穿孔时易于轧长和产生内折有过烧的钢管应判废品当有争议时，可采用金相检验及其他方法鉴定⑺ 发纹，钢管的发纹是指在钢管外表面上呈现的连续或不连续的发状细纹。

其旋转方向与穿孔荒管旋转方向相反，且螺距较大钢管表面不允许存在肉眼可见的发纹，如有应全部清除⑻ 离层（分层），钢管的离层（分层）是指在钢管端部或内表面出现螺旋形或块状金属分离或破裂局部离层（分层）应切除⑼ 结疤，钢管的结疤是指钢管内外表面上呈现边缘有棱角的斑疤结疤一般不生根，容易剥落，呈局部的零星分布钢管表面允许存在深度未超过壁厚负偏差的局部微小结疤较严重的结疤应予清除⑽ 麻面，钢管的麻面是指钢管表面呈现高低不平的麻坑轻微的麻面允许存在，严重的麻面不允许存在，并根据缺陷程度决定是否进行修磨⑾ 直道，钢管的直道是指钢管内外表面有一定宽度的直线形划痕一般结构用钢管和用于加工机械零件的钢管，直道深度不使壁厚超出负偏差时，允许存在对于锅炉的压力管道以及类似用途的钢管，应按相应的技术条件检查⑿ 凹面（碰瘪），钢管的凹面（碰瘪）是指钢管表面局部向内凹陷，管壁呈现外凹里凸而无损伤现象钢管外径不超过负偏差的凹面允许存在，超过的应予切除⒀ 凹坑（凹陷），钢管的凹坑（凹陷）指的是钢管内外表面上出现面积不—的局部凹陷，一般指点豆状的小结疤钢管外径不超过负偏差的凹坑（凹陷）允许存在，超过的应予切除⒁ 矫凹，钢管的矫凹是指钢管端部或表面沿长度方向呈螺旋形凹入。

无明显棱角或内表面不突起的可判为合格品；反之，判为不合格品⒂ 擦伤，钢管的擦伤是指钢管内外表面呈现出的螺旋形状或直线状、有规律或无规律分布的点、线沟疽在穿孔机和均整机处造成的擦伤，螺旋方向与荒管旋转方向一致，且螺距与荒管螺距相同在轧管机处产生的擦伤，如无均整工序而是冷拔工序，钢管的擦伤呈轴向方向的直线；如通过均整，钢管的擦伤呈螺旋状在辊道等运输工具处造成的擦伤为直线状，其方向位置随产生原因而有所不同擦伤可用量具测量其深度对局部的、边缘比较圆滑的擦伤，当其深度不超过直径和壁厚的偏差时，允许存在边缘尖锐或较严重的擦伤，应予清除[1][7]1.3 无缝钢管缺陷的有∕无损检测分析方法1.3.1 无缝钢管缺陷的有损检验（测）分析方法有损检验是相对于无损检测而定义的，也称破坏性检测无缝钢管的有损检验有物理化学性能检验、工艺性能检验以及质量缺陷检验等[1]物理化学性能检验包括常温下或者一定温度条件下的钢管力学性能试验（拉伸试验、韧性试验和硬度试验），液压试验以及腐蚀试验（晶间腐蚀试验、抗氢致开裂试验-HIC、抗硫化物应力开裂试验-SSCC）等工艺性能检验包括钢管的压扁试验、环拉试验、扩口试验和卷边试验、弯曲试验等。

针对钢管质量缺陷的有损检验主要有低倍检验、金相检验以及扫描电子显微镜（SEM，Transmission Electron Microscope）分析等所谓宏观检验是指人用肉眼或者放大镜在材料或者零件上检查因冶炼、轧制以及各种加工过程中所带来的化学成分及组织等不均匀性或者缺陷的一种检验方法，也称低倍检验低倍检验方法是对钢坯和钢材进行质量检验的一种重要的方法，由于其检验方法简单，能够快速而直观判断钢坯和钢材内部存在的缺陷，因而得到广泛的应用检验方式包括：酸浸试验、断口试验、塔形车削发纹试验和硫印试验等其中酸浸试验是宏观检验中最常用的一种检验方法，就是将制备好的试样用酸液腐蚀，以显示其宏观组织和缺陷可分为热酸浸蚀法、冷酸浸蚀法和电解酸蚀法三种检验人员通过宏观检验肉眼观察无缝钢管表面缺陷与断（裂）口形貌金相检验是指在金相显微镜下观察、辨认和分析金属材料的微观组织状态和分布情况借以判断和评定金属材料质量的一种检验方法它的目的，一方面是常规检验，根据已有知识判断或确定金属材料的质量和生产工艺及过程是否完善，如有缺陷时，借以发现产生缺陷的原因；另一方面则是更深入地了解金属材料微观组织和各种性能的内在联系，以及各种微观组织形成的规律等，为研制新材料和新工艺提供依据[7]。

无缝钢管的金相检验的内容一般包括：非金属夹杂物的鉴定和组织缺陷的分析等SEM则是利用高能电子束，在试样表面上进行光栅状扫描，由于高能电子束与物质的交互作用，结果产生各种信号：二次电子、背散射电子、吸收电子、俄歇电子等，将这些信号相应地接收放大后，送到显象管的栅极上，用来调制显象管的亮度，由于扫描线圈上的电流与显象管上的电流是同步的，因此试样表面上任意一点发射的信号与显象管荧光屏上相应的亮度是一一对应的，即电子束打到试样上一点，在荧光屏上就出现一个亮度，因此试样表面不同位置的信号强度，显示为样品表面的放大像[8]对于无缝钢管缺陷的SEM分析主要有裂口形貌分析与非金属夹杂物成分分析等1.3.2 无缝钢管缺陷的无损检测分析方法无损检测是建立在现代科学技术基础上的一门综合性技术它在不损坏被检测物体内部结构的前提下，应用物理方法，检测物体内部或表面的结构、状态以及性能，检查物质内部是否存在缺陷，从而判断被检测物体是否合格，并评价其适用性无损检测的目的在于：检测各种设备或工业系统在制造、安装、使用过程中存在的不完整性及缺陷情况，以利改进这些设备、工业系统的制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保证他们安全、高效、可靠地运行。

所以，作为一门独立的综合性应用技术学科，无损检测技术水平的先进性与否是衡量一个国家经济发展、科技进步以及工业水平的重要标志之一对于无缝钢管的无损检测一般可以分为在线检测和离线检测两种，在线检测方法主要有射线检测（RT，Radiography Testing）、漏磁检测（MFL，Magnetic Flux Leakage Testing）、涡流检测（ET，Eddy Testing）以及超声检测（UT，Ultrasonic Testing），而离线检测方法包括磁粉检测 （MT，Magnetism Testing）和渗透检测（PT，Penetrate Testing）在实际的工作中，没有哪一种无损检测方法是十全十美的，各种方法之间要取长补短，检测人员首先必须了解各种无损检测方法的优缺点，掌握各种不同方法的适用性和它们之间的相互关系，在综合分析与评价的基础上，根据产品技术要求的差异综合的来选择最佳检测方法，确定最佳的无损检测方案⑴ 射线检测方法射线检测是工程检测中历史最悠久的一种无损检测方法射线检测利用X射线、γ射线、中子射线、高能射线等各种射线对物质的穿透能力以及射线在穿透材料过程中发生的衰减规律来发现工程材料及其构件内部存在的各种形式的宏观缺陷或测定材料的各种性能与物理量的一种无损检测方式。

射线检测适用范围很广，几乎对所有的材料都能进行检测；它对被检测工件的几何形状、表面粗糙度没有严格的要求以及能直观地显示缺陷的影像等优势然而对于无缝钢管检测来说，射线检测实际应用的很少，一般它应用在小口径管对接焊缝的检测，而且射线检测速度在无损检测中最慢，清洗与防护的要求都很高，对人体的伤害性远高于其他无损检测方法[9]目前，国内钢管的射线检测的标准有《SY/T 6423.1-1999 石油天然气工业 承压钢管无损检测方法 埋弧焊钢管焊缝缺欠的射线检测》⑵ 漏磁检测漏磁检测是指铁磁性材料被外磁场磁化后，材料内表面、外表面和内部缺陷会在材料表面形成漏磁场，通过传感器对材料表面进行扫查，将表面缺陷漏磁场转化为缺陷信号来发现缺陷位置和缺陷参数的一种无损检测技术由于漏磁检测是用磁化传感器检测缺陷，所以它易于实现自动化；有较高的检测可靠性，可以实现缺陷的初步量化以及高效无污染当然，漏磁检测方法也有一定的局限性：只适用于铁磁材料或者能感生涡流的非金属材料，检测灵敏度低以及缺陷的量化粗略对于无缝钢管来说，表面及近表面缺陷检测效果远高于内部缺陷的检测漏磁检测设备体积较大、线圈质量重，操作不方便而且探头扫描与磁化同时进行，检测信号受背景磁场的影响较大，增加了信号处理的难度，降低了仪器的可靠性；检测后还需要对钢管进行退磁处理[10~12]。

目前，国内无缝钢管漏磁检测主要依据的国家标准有《GB/T12606-1999 钢管漏磁探伤方法》与《GB/T 25727-2010 无损检测 钢管自动漏磁检测系统综合性能测试方法》等⑶ 涡流检测涡流检测是建立在电磁感应原理之上的一种无损检测方法，适用于导电材料当导体置于交变磁场之中，导体中就会有感应电流产生，这种电流称为涡流由于导体自身各种因素（如电导率、磁导率、形状、尺寸与缺陷等）的变化，会导致感应电流的变化，利用这种现象来判知导体性质、状态以及有无缺陷的检测方法叫做涡流检测法综上概述，涡流检测的对于钢管的检测不需要接触，无需耦合介质，检测速度较快，易于实现自动化；对于钢管表面缺陷的探测灵敏度高，且在一定范围内具有良好的线性指示，可对大小不同的缺陷进行评价，故可用作质量管理与控制；检测时不需要接触钢管又不用耦合介质，也可在高温下的检测但涡流检测的局限性在于：涡流检测的对象必须是导电材料，而且只适用于检测钢管表面缺陷，不适用于检测深层的内部缺陷；采用穿过式线圈进行涡流检测时，线圈获得的信息是钢管一段长度的圆周上影响因素的积累结果，对缺陷所处圆周上的具体位置无法判定，采用旋转探头式涡流检测可准确探出缺陷位置，灵敏度和分辨率也很高，但检测区域狭小，全面扫查检测速度较慢；检测后还需要对钢管进行退磁处理[11][13]。

作为钢管重要的无损检测方法，国内无缝钢管涡流检测主要依据的标准有《GB/T 7735-2004 钢管涡流探伤检验方法》以及《YB/T 4083-2000 钢管自动涡流探伤系统综合性能测试方法》等⑷ 磁粉检测磁粉检测是利用磁现象来检测铁磁性材料表面及近表面缺陷的一种无损检测方法当钢管被磁化时，若钢管表面及近表面存在裂纹等缺陷，就会在缺陷部位形成泄漏磁场（也称漏磁场），泄露磁场将吸附、聚集检测过程中施加的磁粉，形成磁痕，从而提供缺陷显示磁粉检测作为一项较为成熟的无损检测技术，具有自身的特点：显示直观；检测灵敏度高；适应性好；效率高、成本低、设备简单，操作方便，检测速度快，费用低廉，但是，它只适用于检测铁磁性金属材料；只适用于检测钢管表面与近表面缺陷；通常用目测检查缺陷，磁痕的判断和解释需要检测人员有较高的经验与水平[11]国内关于无缝钢管的磁粉检测可以参考国际标准《ISO 13665-1997 Seamless and welded steel tubes for pressure purposes—Magnetic particle inspection of the tube body for the detection of surface imperfections》等。

⑸ 渗透检测渗透检测是一种以毛细作用原理为基础用于检测非疏孔性金属和非金属试件表面开口缺陷的无损检测方法渗透检测的工作原理是：钢管表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透剂后，在毛细作用下，经过一定时间，渗透剂可以渗入表面开口缺陷中；去除表面多余的渗透剂，经干燥后，再在钢管表面施涂吸附介质（显像剂）；同样在毛细作用下，显像剂将吸引缺陷中的渗透剂，即渗透剂回渗到显像剂中；在一定的光源下（黑光或白光），缺陷处的渗透剂痕迹被显示（黄绿色荧光或鲜艳红色），从而探测出缺陷的形貌及分布状态渗透检测不受材料组织结构与化学成分的限制；具有较高的检测灵敏度；显示直观，容易判断；而且操作方法快速、简单但是它只适合检查出钢管表面开口性缺陷；对于表面粗糙的钢管，易造成假象，影响检测效果；渗透检测只能检出缺陷的表面分布，难以确定缺陷的实际深度[14]国内关于无缝钢管的渗透检测可以参考国际标准《ISO 12095-1994 Seamless and welded steel tubes for pressure purposes—Liquid penetrant testing》等⑹ 超声检测超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播将会产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况进行探测来了解材料性能和结构变化的技术被称为超声检测技术。

超声波检测方便简单通用；灵敏度较高，指向性较好；可以检测钢管表面及其内部缺陷但是，由于超声检测的特性，如果利用水浸检测法，会对钢管有一定的氧化腐蚀；检测速度也没有漏磁检测与涡流检测快[15][16]目前，国内关于无缝钢管的超声检测主要依据的国家标准为《GB/T5777-2008 无缝钢管超声波探伤检验方法》与黑色冶金行业标准《YB/T 4082-2000 钢管自动超声探伤系统综合性能测试》；可以参考的国际标准有《ISO 9303：1989（E）承压无缝钢管和焊接（埋弧焊除外）钢管纵向缺陷的全周向超声波试测》等然而，无缝钢管作为重要的工业产品，由于材质或者使用环境的不同，对于某一特殊的钢种或者行业，需要其他相关标准进行参照，例如，国内有《GB/T 12969.1-1991 钛及钛合金管材超声波检验方法》，《GB/T 4163-1984 不锈钢管超声波探伤方法》，航空行业标准《HB/Z 75-1983 航空用小直径薄壁无缝钢管超声波检验说明书》，中国船舶工业总公司部标准《CB 1134-1985 BFe 30-1-1管材的超声波探伤方法》，中华人民共和国石油天然气行业标准《SY/T 6699-2007 管材缺欠超声波评价推荐作法》等，这些标准的制定都从一个侧面反映出无缝钢管高质量要求以及超声检测的重要性，说明超声检测已经成为无缝钢管检测中应用最广泛、使用频率最高、目前发展较快的一种无损检测技术。

1.4无缝钢管的超声检测国内外研究现状1.4.1 国外无缝钢管的超声检测研究现状从上个世纪70年代以来，无缝钢管的超声检测研究在国外主要集中在以工业自动化应用为基础的自动检测技术上美国IRIS公司生产的IRIS 9000超声检测系统是一种全自动管内检测系统这套检测系统主要针对气∕水冷热交换管的无损检测，可以精确地检测管道内部和外部的腐蚀和点蚀等缺陷，软件包含有便携式旋转彩色B扫描成像系统，如图1.1所示该设备检测对象较为固定，检测的针对性强，但对于其他用途的无缝钢管以及非腐蚀类缺陷检测是否适用，IRIS公司相关资料未加以说明[17]图1.1便携式IRIS 9000软件系统Fig.1.1 Portable IRIS 9000 software systems美国GE公司拥有的Krautkramer（德国K-K公司）超声波大型钢管检测设备GRP-PAT，该设备采用最新相控阵检测技术，实现全管体纵向，横向，斜向（0~20），分层等缺陷检测及测厚功能检测为部分液浸方法，利用精确延时时序控制，来控制合成波束偏转和动态聚焦位置，实现快速和高灵敏度的电子扫查，克服了常规超声扫查速度慢，且需要多次更换探头规格和调整入射角度等不便，检测设备如图1.2所示[18]。

美国GE公司还拥有“CLUSTER”检测系统该设备特点：“簇”式探头架，允许周向布置9个检测探头，全面检测纵向，横向，斜向，分层缺陷，厚测及耦合监测，或采用高速“簇”式探头架检测纵向厚度及耦合监测；不同管径和壁厚尺寸可灵活选择不同“CLUSTER”探头架；缺陷处自动报警和喷标，为后续分选提供依据；最大检测速度达2米/秒，检测设备如图1.3所示[18] 图1.2 GRP-PAT检测系统 图1.3 “CLUSTER”检测系统 Fig.1.2 GRP-PAT detection systems Fig.1.3 "CLUSTER" detection system上述两种检测设备主要是针对石油天然气管道，适用管径都是在60mm以上的大口径无缝钢管，管径小于60mm的小口径无缝钢管不适用针对小口径无缝钢管检测，GE公司拥有ROT系列管材超声检测系统与ROTA系列管材检测系统，两套检测系统采用旋转探头产生旋转超声场，并同时具有垂直入射和斜入射高密度超声脉冲，实现100%断面声束覆盖，并保证周向灵敏度的一致性[18]GE公司的管材超声检测设备中GRP-PAT检测系统、“CLUSTER”检测系统以及ROT系列检测系统采用的是UNI-VIS软件，可显示多通道彩色带状模式条线图，如图1.4所示。

ROTA系列检测系统采用的是NUscan软件，这是一个专利成像软件，可提供A，B，C扫描和对被检部件缺陷的准确显示功能，如图1.5所示[18]这两种显示软件对缺陷的展示都是以一维或者二维平面形式，而无缝钢管作为非平面件产品，钢管缺陷用平面图像显示并非最佳效果 图1.4 UNI-VIS应用软件 图1.5 NUscan应用软件Fig.1.4 UNI-VIS application software Fig.1.5 NUscan application softwareOlympus（泛美）有限公司也是世界知名的无损检测公司，拥有检测无缝钢管的设备主要有旋转管材检测系统（RTIS）与在线∕离线ERW管材检测系统其中RTIS使用相控阵技术对管材进行全管体检测，这个系统基于“水楔”概念，通过膜状材料，使一个储水容器发挥持续稳定的效用，可以快速进行耦合，并具有较短的非检测区域长度设备系统如图1.6所示[19] （a） （b）图1.6 RTIS检测系统Fig.1.6 RTIS detection system(a) 机械系统； (b) 软件系统从图1.6(b)可见系统缺陷检测以常规的波形检测为主，对缺陷的描述不直观。

另一套在线∕离线ERW管材检测系统如图1.7所示在图1.7(b)中加入了彩色二维带状图像，但就设备设计特性而言，这种二维带状图更适合于电阻焊接（ERW）管材进行焊缝和热影响区（HAZ）的检测设计，气动悬挂可以使检测头跟踪管材的移动，并在出现烧剥孔或卷材板之间的对接焊缝时，基于渡越时间分析的独特算法（公司专利）可以对烧剥区域进行自动检测，并将反馈信息发送到PLC，以自动调整每个水楔，检测头的旋转能力可以使每个探头在-120~+120度之间独立移动，如图1.8所示为ERW检测系统自动焊缝跟踪，但是对于无缝钢管而言，如外折在钢管外表面呈螺旋形状且螺距较大、分布于局部或全长，这使得跟踪范围远远大于焊缝跟踪的范围，虽然采用自动跟踪对于缺陷的描述较为直观形象，但局部跟踪不能反映缺陷在整个无缝钢管中的位置分布[19][20] (a) (b)图1.7 在线∕离线ERW检测系统Fig.1.7 On-line / Off-line ERW detection system(a) 机械系统；(b)软件系统图1.8 ERW检测系统自动焊缝跟踪Fig.1.8 ERW detection system of automatic weld tracking1.4.2 国内无缝钢管的超声检测研究现状目前，国外许多公司的超声设备的先进性主要是体现在一些关键技术上，国内由于机械制造加工水平相对落后，精密程度较低，从而对产品的功能性、可靠性和美观性等方面有较大影响，故国内无缝钢管生产厂家的管材超声检测设备主要还是依赖于进口。

虽然我国无缝钢管超声检测方面的研究起步较晚，与国外相比还有很大的差距，但近年来通过一些高校和企业对无缝钢管超声检测等相关技术与设备的研究，使得国内无缝钢管超声检测取得了长足的进步合肥工业大学何辅云教授研制了喷淋水耦合式旋转多探头高能超声动态检测系统，可以对管材壁厚和钢管内部的折叠缺陷进行检测因为是多通道检测可对缺陷分区定位，检测精度为0.1mm[21][22]设备利用DSP的多通道缓冲串口接受和处理超声信号的回波数据，在采集同时采用LZW压缩算法，实现数据的实时快速准确的采集和处理[23]但该设备采用垂直入射法对无缝钢管进行检测，这就不可避免的存在近表面检测盲区问题，对于薄壁管来说，再小的盲区都是不能允许存在的天津市特种设备监督检验技术研究院刘怿欢等同志利用内置旋转式超声波检测技术（简称IRIS）对钢管内壁和外壁进行全面检测, 并对其进行精确定量[24]内置旋转式超声波检测技术是利用反射镜的旋转实现周向的扫查, 从而达到对管子进行全面扫查的效果从检测手段来说，利用IRIS技术检测无缝钢管存在一定的不足之处，首先，由于这种检测技术的特殊性，使得探头需要特制其次，检测结果受钢管清洁状况和现场检测条件影响较大，例如，耦合条件较为苛刻，水脏或者气泡会导致信号不稳定和数据丢失，水压过小会导致水泄漏或者涡轮驱动压力丢失。

从缺陷显示来说，涡轮每旋转一周创建一个被检钢管的截面扫描图像，当探头进入到管子内部时，连续的图像形成管壁的彩色C扫描成像，如图1.9所示，从文献中作者提供的扫描图像可见，检测受一定的干扰，不稳定图1.9 在役钢管C扫描成像Fig. 1.9 C-scan imaging of in-service tube杭州浙大奔月科技有限公司以浙江大学周晓军教授为代表的科研团队设计研制成功国内第一家基于计算机技术的超声波扫描成像系统以及复杂曲面超声波C扫描成像检测系统其中棒（管）材水浸超声波无损探伤系统：7个自由度联动，管件轴线自动跟踪功能，能以轴向成像、径向成像等方式给出内部缺陷的定性和定量分析[25]在超声自动检测C扫描成像方面，由于机械回程间隙和超声信号采集滞后等，使成像图元和实际测试的工件位置不重合，周晓军教授的研究生李雄兵博士为消除机械回程间隙产生的定位误差，一方面，在运动控制上加编码器实现闭环控制，保证探头位姿误差相对最小；另一方面为减少信号采集过程中的时耗，通讯接口采用总线方式，或提高信号采样频率、降低检测速度等，这些措施在一定程度上能改善图像锯齿错位的现象为此，他们先在标准试块上扫描成像，确定缺陷样件的错位量，然后用其去修正其它C扫描图像，如图1.10所示为文献提供的某一圆形缺陷修正锯齿错位前后C扫描图像[26]。

这不仅改善了成像的质量，更重要的是对缺陷的精确定位、定量分析意义重大 (a) (b)图1.10 锯齿消除前后C扫描图像对比Fig. 1.10 C-scan images compared of before and after anti-aliasing(a) 消除锯齿前；(b) 消除锯齿后李雄兵博士对曲面工件自动超声检测的流程：首先进行曲面测量，通过曲面重建获得被测工件模型并将其入库，设定检测路径生成控制机械运动走位与扫描参数后即可检测扫描如图1.11所示为文献提供的某一曲面超声C扫描图像[26]图1.11 曲面C扫描图像Fig. 1.11 Curved surface C-scan images通过上以上概述可知周晓军教授团队在超声波检测系统的研制与开发上是国内较为先进的，但对于无缝钢管的检测在其相关学术案例鲜有出现，更多的是对于棒材以及航空构件等曲面构件的检测成像[27~29]中核集团核动力运行研究所在役检查中心对核电站蒸汽发生器传热管和CANDU 堆压力管利用自行设计的自动扫查装置与μ+（Micro plus）16通道超声数据采集和分析系统进行检测，如图1.12所示。

探头在充满水的压力管内部以周向扫查和轴向扫查，从而探测分布于不同方向的缺陷μ+ 超声系统将采集的超声数据和位置信号进行存储，并可进行B，C，D型显示，以及对超声数据进行离线分析，但文献中作者没有给出B，C，D型显示的真彩检测案例图像 (a) (b)图1.12 μ＋（Micro plus）16通道数字式超声波管道检测系统Fig.1.12 μ + (Micro plus) 16-channel digital ultrasonic pipe inspection system（a）压力管自动扫查装置；（b）管道超声检测扫查器诚然，通过国内学者与专家的努力，我国无缝钢管超声检测水平与国际水平的差距正在缩小，但目前我国超声检测大部分还集中在手持式单/多通道超声波仪研制，通过波形判断来对缺陷进行判定检测综合无缝钢管的超声检测国内外研究现状可见伴随着计算机技术，传感技术以及自动控制技术的发展，超声检测技术正向快速化、标准化、数字化、程序化和规范化的方向发展另一个趋势是对无缝钢管缺陷的超声检测与分析正从以往的波形判定检测转向于数字化图像分析检测，让检测结果更加直观便捷，减少人为因素的干扰，开创从无损检测角度对缺陷进行分析而不是仅仅探测有无超标缺陷，这也为无损检测向无损评价发展起推动作用。

1.5 本论文研究的主要内容本学位论文研究主要是利用超声检测技术与超声成像技术对无缝钢管的缺陷进行无损检测的分析与研究论文共分四章，各章内容概括如下：第一章为绪论，主要内容：课题背景的论述，无缝钢管缺陷的概述，无缝钢管各种检测方式的比较以及国内外对无缝钢管超声检测研究的现状第二章为无缝钢管缺陷超声检测与关键参数优化，主要内容：从无缝钢管成型工艺入手分析缺陷取向性，进而提出实验方法以及对无缝钢管水浸式聚焦检测关键参数进行分析与优化实现对钢管横向、纵向缺陷的优化检测第三章为无缝钢管缺陷的超声成像分析，主要内容：对无缝钢管缺陷进行超声成像扫描分析，以现有实验室检测软件为基础，对扫描成像软件进行二次开发与改进，实现三维立体成像第四章无缝钢管缺陷实例分析，主要内容：把超声无损检测与有损检测（验）相结合对小口径无缝钢管缺陷进行实例检测分析，分析缺陷产生的工序与原因第五章对本论文研究结论进行总结第二章 无缝钢管缺陷超声检测与关键参数优化利用超声波技术来对无缝钢管缺陷开展无损方式的分析工作，首先是要用超声波来精确的检测到缺陷，否则，用超声成像技术来分析缺陷就成为空谈2.1 超声A扫描如今，超声检测技术数字化已经成为当今的主流趋势。

通常超声检测进行的处理是去除信号中的噪声，其次是将已经去除噪声的信号进行再处理，包括增益控制、衰减补偿、信号包络、FFT分析及图像显示等超声信号经接收部分放大后，由数/模转换器变为数字信号传给计算机，换能器的位置可受编码电机控制或由人工操作，由转换器将位置变为数字传给计算机计算机再把随时间和位置变化的超声波形进行复杂的处理，得出了检测的各种扫描数据，进而设置有关参数或将处理结果波形、图形等在屏幕上显示、打印出来或给出光、声识别及报警信号[31]目前应用最为广泛的数字化超声检测方式是波形检测，即通常所说的A型扫描检测A型超声波检测因其回声显示采用幅度调制显示（amplitude modulation Display）而得名，它实际上是超声脉冲回波图形，横坐标代表被探测物体的深度，纵坐标代表回波高度即超声波的振幅，根据接收的回波可知缺陷在材料中的深度与大小，检测人员根据回波的一些特性，诸如波幅和波密度等再结合日常检测经验在一定程度上可对缺陷进行模糊的定性分析，但是A扫描是回波图，只能反应局部的回波信息，不能直观地显示缺陷形态等特征[31]，如图2.1所示图2.1 超声A扫描示意图Fig.2.1 Schematic diagram of ultrasonic A-scan虽然波形检测受检测条件与人为因素较大，但作为最基础的检测方式，超声B扫描，超声C扫描以及相控阵扫描等成像检测技术都离不开超声波回波信号的分析处理等，所以在小口径无缝钢管缺陷超声检测分析过程中波形检测显得极为重要，这就要求检测人员对无缝钢管的超声检测的关键参数进行优化，最为准确的检测到钢管的缺陷。

2.2 缺陷形貌对检测的影响分析应用波形检测通常是根据缺陷回波波高来确定其大小，而波高的大小与缺陷的实际尺寸往往不是一致的，甚至有很大差距，这是因为缺陷回波波高与缺陷形状、取向、大小和性质等因素都有关系其中缺陷的取向包含缺陷所处方位及其指向性，方位是指缺陷反射面相对于入射声束轴线的位置与缺陷本身与探头的相对位置实际检测中缺陷反射面与入射声束轴线垂直的情况是少见的，当有倾角时，缺陷回波随倾角的增大而急剧下降，所以认知无缝钢管的成型工艺对于研究缺陷的取向性是十分重要的作为无缝钢管穿孔工序中应用最为广泛的就是斜轧穿孔工艺管坯在斜轧穿孔过程中所产生的缺陷与穿孔管坯在变形区中的变形条件有着密切的关系就以二辊式斜轧穿孔工艺为例，由于斜轧穿孔工艺的特点，在整个变形区中均存在金属的附加变形，这对于穿孔毛管的质量是不利的斜轧穿孔时，金属的附加变形包括扭转变形、轴向（沿穿孔方向）剪切变形和切向（沿圆周方向）剪切变形等附加变形是由于金属各部分（各层）的变形不均匀（不协调）所产生的金属的附加变形会带来一系列的不良后果，如由金属的附加变形所引起的附加应力（内应力）容易导致毛管的内、外表面和内部产生质量缺陷，并使得所需变形能量增大等[1][32][33]。

无缝钢管的特殊工艺让缺陷也有了特殊的取向性，如图2.2所示在穿孔工艺研究中，国内外对二辊斜轧穿孔时圆管坯端面上变形强度研究也有很多，其中有结论认为变形强度沿圆管坯截面上呈“W”形分布形态[34~36]，这就要求我们在检测钢管时，超声波声束路径也应该是一个“W”形，如图2.3所示，这样才能检测出诸如表面倾角30~60的横向或者斜向的缺陷，如何实现超声波声束“W”形路径，这就对检测方式与检测运动方式提出了要求图2.2 无缝钢管缺陷类型示意图Fig.2.2 Schematic diagram of seamless steel tubes defect type图2.3 “W”形超声波声束路径示意图（只示意钢管表面声束轨迹）Fig.2.3 Schematic diagram of "W"-shaped ultrasonic beam path2.3无缝钢管检测方式与检测运动方式选择2.3.1 无缝钢管检测方式选择超声检测方式的分类方式有很多种，例如按检测工作原理可分为穿透法与脉冲反射法；按检测波形可分纵波法、横波法、表面波以及板波法；按探头可分单探头、双探头和多探头；按超声波耦合方式可分直接接触法与液浸法[15][16]。

图2.3示意的检测方式就是直接接触法，这也是大部分工件检测选择的方式，但对于无缝钢管就不一定适合，特别是小口径无缝钢管一般而言，大口径无缝钢管的管壁比较厚，又由于它曲率较小，因此探头与管壁表面较容易耦合但小口径无缝钢管曲率较大，一方面直接接触法耦合效果不佳，另一方面由于声束在管壁内的能量扩散已经变得相当严重，所以不能用接触法检测，这就要选择水浸式聚焦检测法，它的最大优势在于可以减少由于小口径无缝钢管曲率较大而引起的声束能量扩散损失，如图2.4所示图2.4 小口径无缝钢管水浸式超声检测Fig.2.4 Immersion ultrasonic testing of small-diameter seamless steel tubeF—聚焦探头在水中的焦距；H—水层距离；X—偏心距；T—钢管壁厚；R—钢管外半径；r—钢管内半径；α—入射角；β—折射角从图2.4中看出小口径无缝钢管利用圆周方向横波倾斜声束来检测，横波在管壁内以“W”形声束路径传播2.3.2 无缝钢管检测运动方式选择小口径无缝钢管选择水浸聚焦法检测也给检测运动带来了便捷：①探头可以在机械系统驱动下运行，便于实现自动检测，减少影响检测可靠性的人为因素；②探头和试件不接触，超声波的发射和接收都比较稳定，试块表面粗糙度的影响在水浸法中也存在，但粗糙表面引起的声能损失比接触法小的多；③通过调节探头角度，可方便地改变探头发射的超声束的方向，从而很容易地实现斜入射检测，以及沿曲面表面进行的扫查对于获得不同取向缺陷的最大回波高度也是有利的；④由于探头不直接接触试件，探头损坏的可能性较小，探头寿命较长；⑤便于实现聚焦声束检测，满足高灵敏度、高分辨率检测的需要。

为保证对无缝钢管“W”形全面覆盖检测不发生漏检，结合水浸式检测方式特点，一般有四种自动检测运动方式可以实现：①钢管直行不旋转、旋转式组合探头，如图2.5（a）所示；②钢管直行不旋转、固定式组合式探头，如图2.5（b）所示；③钢管螺旋前进、探头固定，如图2.5（c）所示；④钢管原地旋转、探头往复直行，如图2.5（d）所示 （a） （b） （c） （d）图2.5 小口径无缝钢管检测运动方式Fig.2.5 Ultrasonic testing movement pattern of small-diameter seamless tube（a）钢管直行不旋转、旋转式组合探头方式；（b）钢管直行不旋转、固定组合式探头方式（c）钢管螺旋前进、探头固定方式；（d）钢管原地旋转、探头往复直行方式四种检测运动方式各有千秋，应该结合自身实验或生产特点与目的来选择自动检测运动方式，如表2.1所示表2.1 检测运动方式的比较Tab.2.1 Comparison of ultra。