我國冷拔無縫鋼管內(nèi)外探傷技術(shù)的基本知識

      在探傷技術(shù)領(lǐng)域，冷拔無縫鋼管是指外徑大于φ80mm的鋼管。冷拔無縫鋼管是石油、化工、熱力、鍋爐、機(jī)械液壓等行業(yè)重要用材。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國在“十一五”期間，冷拔無縫鋼管的需求量大幅度增加，并明顯呈現(xiàn)出大口徑化的發(fā)展趨勢。特別是對于要求耐腐蝕、抗擠壓的油井管和大口徑高壓鍋爐管及高質(zhì)量的石油裂化管、石油石化輸送管線管等，將隨著 對能源基礎(chǔ)設(shè)施投入的加大而成為需求的熱點。由此，保證產(chǎn)品出廠質(zhì)量的無損檢測提出了方法和技術(shù)上的新課題。
     水槽式超聲檢測是采用鋼管螺旋前進(jìn)式，超聲探頭固定不動。通過水槽和被檢鋼管的底部充分水耦合的特點，保證耦合層的厚度不變。但是因為超聲主要檢測內(nèi)部缺陷對表面和次表面缺陷存在盲區(qū)，導(dǎo)致無法檢測，再加上采用螺旋前進(jìn)式，對于12m長的鋼管需要占空間30m的場地等不足，一直影響鋼管檢測方法的選擇和推廣。
    因此，國內(nèi)外對于冷拔無縫鋼管的探傷，一般采用漏磁法或水壓實驗。在國內(nèi)，尚沒有性能良好的適合冷拔無縫鋼管的漏磁探傷設(shè)備出品，一旦使用即需要進(jìn)口。進(jìn)口漏磁探傷設(shè)備價格昂貴，對于國內(nèi)的大多數(shù)企業(yè)難以接受;而水壓試驗效率低、勞動強(qiáng)度大，特別是當(dāng)操作者責(zé)任心不高時，水壓檢驗形同虛設(shè)。可見，實現(xiàn)冷拔無縫鋼管的探傷已經(jīng)成為冶金鋼管行業(yè)亟待解決的課題。
冷拔無縫鋼管的特點是直徑大，壁厚相對較厚，因此根據(jù)這一特點充分利用超聲檢測內(nèi)部和渦流檢測表面和次表面的特點相結(jié)合，可實現(xiàn)“無盲區(qū)”探傷。通過采用“鋼管原地旋轉(zhuǎn)，檢測探頭前進(jìn)的組合方式”，不僅解決檢測問題，還解決縮小占用場地的空間。
在自動探傷中，提離效應(yīng)和穩(wěn)定耦合層對探傷的影響往往成為棘手的問題。在自動探傷中，提離效應(yīng)和穩(wěn)定耦合層是引起漏檢和誤報的主要原因。不管是漏檢或誤報，都影響檢測的可靠性。長期以來，在自動探傷的實際應(yīng)用中，由于提離波動引起檢測可靠性下降的問題或者由于水耦合層的厚度變化，一直是困擾著這種技術(shù)正常使用的“瓶頸”。
    通常，解決提離效應(yīng)的辦法主要有:探頭的機(jī)械跟蹤法、探頭線圈的橋式接法、改變檢測線圈LC回路的電容值和使用多頻檢測技術(shù)等。除機(jī)械跟蹤法外，其他的幾種解決辦法，通過改進(jìn)探頭和儀器來得以實現(xiàn)，但機(jī)械跟蹤只能改進(jìn)探頭架，來防止提離間隙的變化。在實際工業(yè)應(yīng)用中，探頭機(jī)械跟蹤法是常用的克服提離效應(yīng)影響的方法。常見的探頭機(jī)械跟蹤模式有兩種:一種，是采用輥輪限位與汽缸或彈簧頂推相結(jié)合的方法，使檢測探頭與被檢工件表面之間保持恒定距離。雖然這種方法對抑制提離效應(yīng)能起到較好的作用，但同時會使振動噪聲加大。另一種，采用探頭機(jī)械跟蹤的方式，是利用測距探頭及時地測量出檢測探頭提離間隙的波動情況，并用測距號來控制和驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)等動力裝置帶動檢測探頭動作，以保證探頭與被檢工件之間的間隙恒定。這種方法適用于板材或坯材等平面掃查探傷，缺點是由于機(jī)械動作的反應(yīng)速度比較慢，而且還比較復(fù)雜。
把探頭裝入一個探頭小車中，并采用二級彈簧頂推的方法使檢測探頭與被檢工件表面之間始終保持一定的距離。從實驗結(jié)果來看，探頭的隨動性比較強(qiáng)，基本保證了探頭與被檢測鋼管表面之間的距離恒定，探傷也取得了較好的效果。通常，解決水耦合層的辦法主要有:固定水槽箱、穩(wěn)定水噴裝置。由于采用鋼管旋轉(zhuǎn)探頭前進(jìn)的方式，冷拔無縫鋼管的長度一般在10m左右。因此必須考慮采用穩(wěn)定水噴裝置，如增加流量口的直徑，降低流量口和鋼管的高度，減少水花。目前常規(guī)的解決辦法也只能這樣，但解決的效果是在可以接受范圍內(nèi)

影響無縫鋼管材料疲勞強(qiáng)度的八大因素

    山東源利通無縫鋼管材料的疲勞強(qiáng)度對各種外在因素和內(nèi)在因素都極為敏感。外在因素包括零件的形狀和尺寸、表面光潔度及使用條件等，內(nèi)在因素包括材料本身的成分，組織狀態(tài)、純凈度和殘余應(yīng)力等。這些因素的細(xì)變化，均會造成材料疲勞性能的波動甚至大幅度變化。 
   各種因素對疲勞強(qiáng)度的影響是疲勞研究的重要方面，這種研究將為零件合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、以及正確選擇無縫鋼管材料和合理制訂各種冷熱加工工藝提供依據(jù)，以保證零件具有高的疲勞性能。 
1.應(yīng)力集中的影響
常規(guī)所講的疲勞強(qiáng)度，都是用精心加工的光滑試樣測得的，然而，實際機(jī)械零件都不可避免地存在著不同形式的缺口，如臺階、鍵槽、螺紋和油孔等。這些缺口的存在造成應(yīng)力集中，使缺口根部的 實際應(yīng)力遠(yuǎn)大于零件所承受的名義應(yīng)力，零件的疲勞破壞往往從這里開始。
理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt ：在理想的彈性條件下，由彈性理論求得的，缺口根部的 實際應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值。
有效應(yīng)力集中系數(shù)（或疲勞應(yīng)力集中系數(shù)）Kf：光滑試樣的疲勞極限σ-1與缺口試樣疲勞極限σ-1n的比值。
有效應(yīng)力集中系數(shù)不僅受構(gòu)件尺寸和形狀的影響，而且受材料的物理性質(zhì)、加工、熱處理等多種因素的影響。
有效應(yīng)力集中系數(shù)隨著缺口尖銳程度的增加而增加，但通常小于理論應(yīng)力集中系數(shù)。
疲勞缺口敏感度系數(shù)q：疲勞缺口敏感度系數(shù)表示材料對疲勞缺口的敏感程度，由下式計算。
q的數(shù)據(jù)范圍是0-1，q值越小，表征無縫鋼管材料對缺口越不敏感。試驗表明，q并非純粹是材料常數(shù)，它仍然和缺口尺寸有關(guān)，只有當(dāng)缺口半徑大于一定值后，q值才基本與缺口無關(guān)，而且對于不同材料或處理狀態(tài)，此半徑值也不同。
2.尺寸因素的影響
由于材料本身組織的不均勻性以及內(nèi)部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破壞概率的增加，從而降低材料的疲勞極限。尺寸效應(yīng)的存在，是把試驗室小試樣測得的疲勞數(shù)據(jù)運用于尺寸實際零件中的一個重要問題，由于不可能把實際尺寸的零件上存在的應(yīng)力集中、應(yīng)力梯度等完全相似地在小試樣上再現(xiàn)出來，從而造成試驗室結(jié)果與某些具體零件疲勞破壞之間的互相脫節(jié)。
3.表面加工狀態(tài)的影響
機(jī)加工的表面總存在著高低不平的加工痕跡，這些痕跡就相當(dāng)于小缺口，在材料表面造成應(yīng)力集中，從而降低材料的疲勞強(qiáng)度。試驗表明，對于鋼和鋁合金，粗糙的加工（粗車）與縱向精拋光相比，疲勞極限要降低10%－20%甚至更多。材料的強(qiáng)度越高，則對表面光潔度越敏感。
4.加載經(jīng)歷的影響
實際上沒有任何零件是在 恒定的應(yīng)力幅條件下工作，材料實際工作中的超載和次載都會對材料的疲勞極限產(chǎn)生影響，試驗表明，材料普遍存在著超載損傷和次載鍛煉現(xiàn)象。
所謂超載損傷是指材料在高于疲勞極限的載荷下運行達(dá)到一定周次后，將造成材料疲勞極限的下降。超載越高，造成損傷所需的周次越短，如圖1所示。

    事實上，在一定條件下，少量次數(shù)的超載不僅不會對材料造成損傷，由于形變強(qiáng)化、裂紋 鈍化以及殘余壓應(yīng)力的作用，還會對材料造成強(qiáng)化，從而提高材料的疲勞極限。因此，應(yīng)對超載損傷的概念進(jìn)行一些補(bǔ)充和修正。所謂次載鍛煉是指材料在低于疲勞極限但高于某一限值的應(yīng)力水平下運行一定周次后，造成材料疲勞極限升高的現(xiàn)象。次載鍛煉的效果和材料本身的性能有關(guān)，塑性好的材料，一般來說鍛煉周期要長些，鍛煉應(yīng)力要高些方能見效。
5.化學(xué)成分的影響
材料的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度在一定條件下存在著較密切的關(guān)系，因此，在一定條件下凡能提高抗拉強(qiáng)度的合金元素，均可提高材料的疲勞強(qiáng)度。比較而言，碳是影響材料強(qiáng)度的主要因素。而一些在鋼中形成夾雜物的雜質(zhì)元素則對疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。
熱處理和顯組織的影響不同的熱處理狀態(tài)會得到不同的顯組織，因此，熱處理對疲勞強(qiáng)度的影響，實質(zhì)上就是顯組織的影響。同一成份的材料，由于熱處理不同，雖然可以得到相同的靜強(qiáng)度，但由于組織的不同，疲勞強(qiáng)度可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。
    在相同的強(qiáng)度水平時，片狀珠光體的疲勞強(qiáng)度明顯要低于粒狀珠光體。同是粒狀珠光體，其滲碳體顆粒越細(xì)小，則疲勞強(qiáng)度越高。
顯組織對材料疲勞性能的影響，除了和各種組織本身的機(jī)械性能特性有關(guān)外，還和晶粒度以及復(fù)合組織中組織的分布特征有關(guān)。細(xì)化晶?？商岣卟牧系钠趶?qiáng)度。
6.夾雜物的影響
夾雜物本身或由它而產(chǎn)生的孔洞相當(dāng)于小缺口，在交變載荷作用下將產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，成為疲勞斷裂的裂紋源，對材料的疲勞性能造成不良影響。夾雜物對疲勞強(qiáng)度的影響不僅取決于夾雜物的種類、性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量和分布，而且還取決于材料的強(qiáng)度水平以及外加應(yīng)力水平及狀態(tài)等因素。
不同類型的夾雜物其機(jī)械和物理性能不同，和母材性能之間的差異不同，對疲勞性能的影響也不同。一般說來，易變形的塑性夾雜物（如硫化物）對鋼的疲勞性能影響較小，而脆性夾雜物（如氧化物、硅酸鹽等）則有較大的危害。
   比基體膨脹系數(shù)大的夾雜物（如硫化物）因在基體中產(chǎn)生壓應(yīng)力而影響小，而比基體膨脹系數(shù)小的夾雜物（如氧化鋁等）因在基體中產(chǎn)生拉應(yīng)力而影響大。
   夾雜物與母材結(jié)合的緊密程度也會影響疲勞強(qiáng)度。硫化物易于變形，和母材結(jié)合緊密，而氧化物易于脫離母材，造成應(yīng)力集中。由此可知，從夾雜物的類型來說，硫化物的影響較小，而氧化物、氮化物和硅酸鹽等則是危害較大的。
   不同加載條件下，夾雜物對材料疲勞性能的影響也不同，在高載條件下，無論有沒有夾雜物的存在，外加載荷均足以使材料產(chǎn)生塑性流變，夾雜物的影響較小，而在材料的疲勞極限應(yīng)力范圍，夾雜物的存在造成局部應(yīng)變集中成為塑性變形的控制因素，從而強(qiáng)烈地影響材料的疲勞強(qiáng)度。也就是說，夾雜物的存在主要是影響材料的疲勞極限，對高應(yīng)力條件下的疲勞強(qiáng)度影響不明顯。
材料的純凈度是由熔煉工藝過程決定的，因此，采用凈化冶煉方法（如真空熔煉、真空除氣和電渣重熔等）均可有效降低鋼中的雜質(zhì)含量，改善材料的疲勞性能。
7.表面性能變化及殘余應(yīng)力的影響
表面狀態(tài)的影響除前已提及的表面光潔度外，還包括表層機(jī)械性能的變化及殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響。表層機(jī)械性能的變化可以是表層化學(xué)成分和組織不同所引起，也可以是表層因形變強(qiáng)化而引起。
滲碳、氮化和碳氮共滲等表面熱處理除了可以增加零件的耐磨性之外，還是提高零件疲勞強(qiáng)度，特別是提高耐腐蝕疲勞和咬蝕的一種有效手段。
表面化學(xué)熱處理對疲勞強(qiáng)度的影響主要取決于加載方式、滲層中的碳氮濃度、表面硬度及梯度、表面硬度與心部硬度之比、層深以及表面處理所形成的殘余壓應(yīng)力的大小和分布等因素。大量試驗表明，只要是先加工缺口后經(jīng)化學(xué)熱處理，則一般說來缺口越尖銳，疲勞強(qiáng)度的提高也越多。
不同的加載方式下，表面處理對疲勞性能的影響也不同。軸向加載時，由于不存在應(yīng)力沿層深分布不均的現(xiàn)象，表層和層下的應(yīng)力相同。在這種情況下，表面處理只能改善表面層的疲勞性能，由于心部材料未得到強(qiáng)化，因而疲勞強(qiáng)度的提高有限。在彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下，應(yīng)力的分布集中于表層，表面處理形成的殘余應(yīng)力和這種外加應(yīng)力疊加，使表面實際承受的應(yīng)力降低，同時，由于表層材料的強(qiáng)化，因而能有效地提高彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下的疲勞強(qiáng)度。
    和滲碳、氮化以及碳氮共滲等化學(xué)熱處理相反，如果零件在熱處理過程中脫碳，使表層的強(qiáng)度降低，則會使源利通無縫鋼管材料的疲勞強(qiáng)度大幅度降低。同樣，表面鍍層（如鍍Cr、Ni等）由于鍍層中的裂紋造成的缺口效應(yīng)、鍍層在基體無縫鋼管中引起的殘余拉應(yīng)力以及電鍍過程中氫氣的浸入導(dǎo)到氫脆等原因，使疲勞強(qiáng)度降低。
    采用感應(yīng)淬火、表面火焰淬火以及低淬透性鋼的薄殼淬火，均可獲得一定深度的表面硬度化層，并在表層形成有利的殘余壓應(yīng)力，因而也是提高零件疲勞強(qiáng)度的有效方法。
   表面滾壓和噴丸等處理，由于能在試樣表面形成一定深度的形變硬化層，同時使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，因而也是提高疲勞強(qiáng)度的有效途徑