用于在自动超声检查中使用高频换能器评定钢管中的夹杂物水平的方法

摘要

本发明涉及一种用于在自动超声检查中使用高频换能器(2)来评定钢管中夹杂物水平的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：输送管(1)通过床(10)到声学耦合单元(3)；通过换能器(2)关于管外表面(1)的近似径向移动(16)将声学耦合单元(3)与管(1)耦合；沿着管(1)的长度检测至少一个扫描区域(11)中的夹杂物信息；将夹杂物信息发送至声波发射和接收单元(9)；确定管(1)或特定区域的夹杂物指数；在检查线中继续管输送(1)；以及使检查周期与生产流程中的下一个管(1)继续进行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用非破坏性超声波测试来评定钢管中的宏观挤压(macroprussion)的方法，该方法是通过使用高频超声波换能器同时与由标准和/或客户规范定义的用于检测内部、外部、层流和表面的不连续性以及进行厚度测量的自动超声波检查来进行的，通过将在管的超声波测试中获得的宏观纯度(macropureness)水平与在炼钢工艺中采用的参数和条件，以及在最终产品的腐蚀测试中获得的结果(如适用)相关联，来用作控制和改进炼钢工艺的辅助工具。

背景技术

近年来，除了其他原因之外，由于石油和天然气工业的高质量要求和更严格的应用，对稳定增长的钢管、优质产品和高纯度指数的钢的市场需求显著增长。非破坏性测试在确保满足这些市场需求方面起到极其重要的作用。为了使生产的管满足钢中夹杂物纯度和密度的必要要求，当前进行了不同类型的非破坏性测试。

钢块的生产工艺和管制造工艺，无论是通过热轧或拉拔，都可能在管的外表面或内表面，甚至在被测试体积的中间产生大量的不连续性，这些不连续性会影响最终产品的质量。炼钢工艺的一个特征是夹杂物的存在，夹杂物即具有不同化学成分(氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物及其他类型)的化合物颗粒，它们可能出现在不同类型的钢的基体的中间，夹杂物的存在可能根据其应用对钢管的质量产生不同的影响。

在生产实践中，通常将夹杂物按其尺寸分成显微、中型和大型夹杂物，取决于类型和尺寸，这些夹杂物对产品的应用可能产生不利影响。当夹杂物的存在对金属合金的机械强度或腐蚀产生不利影响时，含有超过可接受水平的夹杂物的钢管可能会对金属合金有害，因为待降低至可接受等级的夹杂物具有不同于钢的特性的化学和机械特性。

如在非破坏性测试的应用中所熟知的，存在不同的系统，这些系统使用超声波测试与应用半浸渍技术或换能器高频的完全浸渍来评定钢管中的表面不连续性和/或体积不连续性，包括大型夹杂物。用于评定大型夹杂物的应用中的大多数考虑在与炼钢工艺活动中生产的钢的总体积有关的块或管的减少的采样中执行超声测试，并且因此可能呈现与所生产的钢的总体积(该总体积作为制造工艺的变量的函数)相关的非代表性结果。此外，这些评定系统不是在生产流程中在线进行的，并且不可能在管的生产和检查阶段的同时获得宏观净化(macropurisation)的结果，由于不确定的结果而常常需要额外的测试。

在WO2001096855中体积不连续性分析系统的一个实例是已知的，其公开了一种自动检测钢管中的亚水平缺陷的系统，其包括：向管施加周期性脉冲超声波束In并且捕获反射的回波信号Dv、Ds。该文献呈现了一个称为动态回声曲线(ECHODYN)的时间曲线的结构，该曲线显示了部分间隔中的回波的强度水平，并分析了曲线的变化，以便建立至少两个基本峰值的相关性，从而指示亚水平缺陷的存在。该文献考虑使用相对于捕获信号的回波的管具有斜入射的换能器来计算动态回波曲线。该文献揭示了其可以识别位于管的外表面或内表面上的显著的纵向和横向缺陷或在所测试的体积中的平面缺陷(双重层压)。然而，该文献陈述了换能器必须相对于管的表面成角度并且仅通过所检测到的回波信号的两个峰值来识别缺陷，从而建立复杂的动态回波曲线。

但是文献PI0821312-7公开了一种装置，该装置代表用于对钢产品进行非破坏性控制的辅助工具，以便从由超声波换能器、发射器和接收器捕获的返回信号获得关于产品的可能缺陷的信息，该超声换能器、发射器和接收器通过液体介质(耦合)形成与产品超声耦合的布置，在管与换能器的布置之间具有相对旋转/平移运动。该文献公开了需要多个换能器通过稳健、笨重、困难的安装机制，实现待测金属的3D图的形成，用于各种缺陷的筛选和分类，仅通过神经网络向工艺反馈在产品中检测到的缺陷的信息。

文献PI0615382-8公开了能够高精度地快速检测相对于管状的测试物体的轴向方向具有各种倾斜角度的故障的超声波测试设备和技术。本发明需要处于不同角度的多个换能器，其中需要各种补充设备，以便能够有效地捕获相应的信号，导致设备昂贵并且难以维护。如从非破坏性测试行业的现有技术中已知的，通过电子资源使用相位阵列的当前测试技术使得能够改变声波角度，并且因此能够检测不同角度的不连续性。文献PI0615382-8被限制为检测与测试材料的轴向方向具有不同角度的不连续性。

本发明的目的是建立一种在自动超声波检查中使用高频换能器评定钢管中的夹杂物水平的方法，作为钢制造的过程控制中的辅助工具。考虑到该评定与用于不连续性检测的管的自动超声波检查同时发生，并且由于使用具有纵波的正常换能器，将快速并且还以一种简单的方式执行该评定，表示成本与效益的良好的相关性。将对每个生产的管单独地进行评定，从而允许对炼钢工艺的整个钢体积的夹杂物水平进行总体评定。本发明可以适用于任何钢管制造工厂，通过将自动超声波检查单元与高频和电子换能器的安装相结合，以获取和处理由于大型夹杂物的存在而产生的信号。

本发明的另一个目的在于提供一种大型夹杂物分析方法，该方法在钢管的自动超声波测试过程中在线使用，可适用于能够应用于任何等级的钢的任何管制造工厂。

此外，本发明的目的还在于确定宏观纯净性(macropureability)指数，该指数是可根据产品的应用和关键性、钢制造期间的加工条件、以及用于控制炼钢工艺的每个管磨机的具体需要而定制的。结果可以用于控制和改进炼钢工艺，或者作为钢管制造商的内部控制以根据钢管制造商建立的限值来对产品进行分类。

发明内容

在本发明的自动超声检查中使用高频换能器评定钢管中的夹杂物水平的方法包括第一步骤，将管通过床输送到声学耦合单元。可以调整管通过床输送的速度，以确保在管的端部及沿着管的长度的声学耦合的稳定性。

接下来，通过换能器关于管外表面的近似径向移动来执行将声学耦合单元与管解耦合的步骤。

在耦合之后，执行检测沿着管的长度的至少一个扫描区域中的夹杂物信息的步骤。扫描区域由执行测试扫描的区域限定，并且可以是特定区域或沿着管的整个长度的螺旋形轨迹。但是，通过由超声波换能器输出声波束来执行夹杂物信息的检测，该超声波换能器执行夹杂物信息的检测并且可以以优选15MHz的标称频率操作。

接下来，夹杂物信息被发送到声波发射和接收单元。这些夹杂物信息由幅度高于夹杂物的监测阈值的信号的声波脉冲的数量定义。

该方法还包括基于幅度高于夹杂物的信号的监测阈值的夹杂物信号的幅度来确定管或特定区域的夹杂物指数的步骤。夹杂物指数由声波脉冲的发射和接收单元确定。

最后，在检查线中继续管输送，并且检查周期与生产流程中的下一个管继续进行。

此外，管夹杂物指数的各个结果与钢制造阶段中的工艺条件相关，表示用于监测钢纯度和炼钢工艺的持续改进的工具。

管夹杂物指数的各个结果还与管制造和供应标准所要求的腐蚀测试结果相关，表示监测和改进钢的耐腐蚀性的工具。

附图说明

然后将更详细地描述本发明。

图1-根据本发明，图1是在对钢管进行自动常染色体检查的生产流程的步骤期间的夹杂物的评定系统的实施方式的示图。

具体实施方式

在图1中，示出了优选实施方式中的根据本发明的系统，该系统包括：床10，该床10在其制造的自动超声波检查步骤期间用于管输送1；声学耦合单元3，其填充有声学耦合的液体装置4，并且具有被设置为浸没在声学耦合的液体介质4中的至少一个高频超声波换能器2；以及声波发射和接收单元9，该声波发射和接收单元9以确定的脉冲重复频率操作。高频超声波换能器2具有能够在接收电脉冲时产生声波(机械能)的压电晶体，以及相反效果，即在接收声波时产生电能，并且必须优选地以15MHz操作，这导致具有始于0.20mm的近似尺寸的夹杂物的可检测性。

作为成本效益比率的函数，声学耦合液体介质4应当优选为水，并且用于确保声波能从超声波换能器2传播到测试管1。通过将声学耦合单元3定位在管1的表面附近来确保声学耦合，液体介质的恒定供应确保了管1与超声波换能器2之间的声学耦合列。该系统能够监测声学耦合，确保夹杂物评定的有效性。

输送床10包括辊5，辊5在测试期间传递旋转运动和/或输送管1。测试扫描11通过管1的螺旋输送来描述，管1的旋转运动8与沿轴向方向6的位移同时进行，或者进一步通过管1的旋转运动与声学耦合单元3的轴向方向7上的位移来描述。在这两种输送配置中，必须根据期望的扫描11和管的物理条件(例如，平直度、表面光洁度、端部的光洁度等)来定义和调整旋转速度和轴向位移。当耦合单元处于管的端部时，这些速度减小，以使得声学耦合单元3的声学耦合液体介质4能够稳定，因此，本发明可适用于任何自动超声波管检查单元。管的轴向和旋转速度的调整也必须定义为脉冲重复频率的函数，使得两个连续的声波脉冲之间的距离受到限制并且与用于评定夹杂物的存在的期望脉冲密度兼容。两个顺序脉冲之间的距离应优选地限制到最大2mm，以提供足够的脉冲密度来检测夹杂物。

测试扫描11将通过高频超声波换能器2沿着管1的长度的相对位移而沿着每个单独测试的管1的长度实现，其中径向移动16与高频换能器的位移同时进行。考虑到高频换能器与管在每次旋转时的相对轴向位移将大于所测试的体积中的声波束宽度，将沿着管的长度统计地进行测试扫描11，但是其代表了测试管的各个夹杂物的水平。如果打算在测试管的一端或两端或者沿着测试管的整个长度进行更大的测试扫描11，那么每次旋转的前进可以被适当地限定为与由超声波换能器2产生的声波束的尺寸相兼容。可替换地，可以在声学耦合单元3中方便地增加超声波装置2的数量以确保测试扫描11的增加。另外，可以减小管1的测试面与超声波换能器2之间的相对位移速度，以确保声波脉冲的密度的增加，即两个声波顺序脉冲之间的减小。

声波发射和接收单元9将以给定的脉冲重复频率发射电脉冲一直到高频换能器2，产生声波，该声波将垂直于管1的外表面传播通过声学耦合液体4，声音传播继续通过管1的厚度。与在与管的外表面上的声波束反射有关的接口信号14和与管的内表面上的声波束反射有关的背景回波信号15将在声波接收和接收单元9中表示。测试体积中可能的夹杂物可导致底部回声15的接口信号14之间的反射信号13，这取决于夹杂物是否具有与被评定的钢不同的声阻抗，以及夹杂物的反射信号的高度(幅度)，该高度以测试灵敏度的调节和夹杂物的特性(诸如，取向、形态和尺寸)为条件。

应使用在管1的内表面中加工的“平底孔”型的人造反射器来建立样品灵敏度，该管1应以待测试材料的相同标称尺寸和声学特性加工成参考管。所评定的体积将被设定为夹杂物信号的监测阈值12的宽度的函数，具有尽可能大的宽度，考虑到其开始尽可能接近与接口信号14相对应的信号(被检查的管1的外表面)并且其终止尽可能接近与背景回波信号15相对应的信号(与被检查的管1的内表面相对应的信号)。另外，测试灵敏度也将由夹杂物阈值监测阈值的高度来定义，并且应当优选地在总屏幕高度的30％与50％之间进行调节。

一般大型夹杂物的存在是钢制造过程中固有的，并且将只有幅度高于监测阈值12的夹杂物反射信号才被考虑以确定钢的杂质因子。杂质因子将被定义为具有幅度高于监测阈值12的夹杂物反射信号的的声波脉冲的量与测试期间发射的声波脉冲的总量的函数。幅度高于监测阈值12的夹杂物反射信号的出现的倍数因子可以用于根据产品的应用和关键性来定义不同的权重。钢的杂质因子应通过以下公式计算：

其中，

FI＝杂质因子(夹杂物的指数)；

N

N

A＝幅度高于检测阈值的信号的倍数因子。

可以在测试管的每次旋转(转动)或长度的分数处，和/或考虑沿着所测试的长度的任何测试扫描11来计算杂质因子。在测试管的长度分数的情况下，例如，杂质因子可以被分配到特定区域，例如，管的一端或两端，或者沿着管的长度的特定区域中。

在超声波换能器2在管1的测试扫描11期间检测到夹杂物信息之后，所发现的幅度值被发送到声波脉冲的发射和接收单元9，该单元又将确定从钢到该特定管或区域的杂质因子。另外，总杂质因子的结果可归因于在活动中产生的管批次。

在评定测试管1中的夹杂物之后，声学耦合单元3远离管1移动，并且输送床10将通过撤回测试管并且从检查线馈送下一个管来开始新的测试周期。

因此，在本发明的自动超声波检查中使用高频换能器评定钢管中的夹杂物水平的方法包括管通过床10输送到声学耦合单元的第一步骤。可以调节管通过床10输送的速度，以确保在管的端部和沿着管的长度的声学耦合的稳定性。

接下来，执行通过换能器关于管外表面的近似径向移动16将声学耦合单元与管耦合的步骤。

在耦合之后，执行沿着管长度的检测至少一个扫描区域11中的夹杂物信息的步骤。扫描区域11由执行测试扫描11的区域限定，并且可以是特定区域或沿着管的整个长度的螺旋形轨迹。但是，夹杂物信息的检测是通过由超声波换能器输出声波束来执行的，该超声波换能器执行夹杂物信息的检测并且可以以优选15MHz的标称频率操作。

接下来，将夹杂物信息发送到声波发射和接收单元。该夹杂物信息由具有幅度高于夹杂物的监测阈值的信号的声波脉冲的数量来定义。

该方法还包括基于幅度高于夹杂物的信号的监测阈值的夹杂物的信号的幅度来确定管或特定区域的夹杂物指数的步骤。夹杂物指数由声波脉冲的发射和接收单元确定。

最后，在检查线中继续管输送，并且检查周期与生产流程中的下一个管继续进行。

此外，管夹杂物指数的各个结果与钢制造阶段中的加工条件相关，表示用于监测钢纯度和炼钢工艺的持续改进的工具。

管夹杂物指数的各个结果还与管制造和供应标准所要求的腐蚀测试结果相关，表示监测和改进钢的耐腐蚀性的工具。

先前已知的方法不能够以简单且有效的方式提供在生产和检查过程期间测试的单个管夹杂物指数，不限于所生产的钢的总体积的小样品，以省去取样和另外的实验室测试。

已经描述了优选实施方式的示例，应当理解，本发明的范围包括其他可能的变型，其仅由权利要求的内容限定，包括其可能的等同物。

1-检查管

2-超声波换能器

3-声学耦合单元

4-声学耦合的液体

5-输送辊

6-管在轴向方向上的位移

7-声学耦合单元在轴向方向上的位移

8-管在输送床上的旋转运动

9–发射和接收单元

10-管输送床

11-测试扫描

12-监测阈值

13-反射的标志

14-接口信号

-15背景回波信号

16-换能器在管的径向方向上的移动。