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在钢管超声波探伤中通常称壁径比 t/D∧0.2 的钢管为超厚壁钢管。 对此种钢管的探伤， 若采用常规的横波反射法已无法探测其纵向内壁缺陷， 需采用特殊的方法检测。 曾发生过未经探伤的超厚壁钻铤管在使用过程中发现有大量纵向内壁缺陷，导致项目工期延误， 造成巨大经济损失的情况。 因此，亟待研究出一种探测超厚壁钢管纵向内壁缺陷的方法。 本研究通过对超厚壁钢管超声波探伤纵向内壁缺陷的大量试验和分析， 利用变型横波探测其纵向内壁缺陷， 使得钢管壁厚的检测范围增大， 经实际验证取得了很好效果。
1 钢管横波反射法探伤原理
钢管横波反射法探伤是超声波倾斜入射到钢管表面时， 在有机玻璃和钢管的界面上产生折射和波型转换， 且折射波与入射波的方向关系符合斯奈尔定律， 当入射角 α 选择在 临界角 αⅠ和第二临界角 αⅡ之间时， 钢管中只产生单一横波， 从而实现钢管内外壁缺陷的同时探测。 其入射角的选择必须满足以下 2 个条件： ①声束入射后在钢管中仅产生折射横波； ②折射横波声束能扫查到钢管内壁。2 超厚壁钢管的探伤方法
分析超声波倾斜入射时的反射、 折射和波型转换现象可知， 当入射角小于 αⅠ时， 钢管中的超声波为折射纵波和折射横波同时存在， 折射纵波在钢管外壁上发生波型转换， 产生反射横波（即变型横波）投射到钢管内壁上， 以此来检测超厚壁钢管的内壁缺陷（通过改变探头的入射角可以使变型横波与钢管内壁相切或相交）。由超声波斜入射至有机玻璃/钢界面的声压往复透射率（图 2）可知， 当入射角 α 小于 临界角（27.6°）时， 入射波转换为折射横波的声压往复透射率 TLS 很低， 不足 10%， 即透射到钢管中的折射横波强度很弱， 探测超厚壁钢管内壁缺陷效果极差； 而入射波转换为折射纵波的声压往复透射率TLL 较高， 约 25%［1］， 这说明在折射过程中大部分能量存在于折射纵波中， 折射纵波在管壁反射后产生的变型横波也具有较高的能量［2］， 所以对内壁缺陷的探伤灵敏度明显高于折射横波。 用变型横波斜射法检测超厚壁钢管内壁缺陷是一种较为理想的方法， 这在实践中已得到充分证明。
关于结构用厚壁钢管合理选材选型的建议
(1)在大型管结构工程设计中,需选用厚壁钢管时,设计人员应了解厚壁钢管的成型方法类别与其技术经济性能特点,并合理选材。
(2)综合比较力学性能、焊接性能、加工性能、截面尺寸精度及材料价格等因素,钢结构工程用厚壁钢管宜选用冷压或冷卷成型钢管。在此类钢管比选中,若考虑钢管力学性能、加工效率、焊缝数量与打磨要求等因素,则宜 冷压成型(U(E)厚壁钢管,但在加工费用上冷压工艺要高于冷卷工艺约20%以上。
(3)当选用冷压或冷卷厚壁钢管时应注意以下技术性能或参数的要求
1)径厚比一一冷卷与冷压制管时,钢板内、外纤维分别受压受拉,产生塑性变形和冷加工硬化与残余应力等不利影响,而径厚比(管内径与厚壁之比)愈小,此影响愈严重,并会直接降低钢管的使用性能。我国电力行业标准《压力钢管制造与安装验收规范》L5017-93要求冷卷钢管的径厚比不应小于33(Q235与Q345钢)或40(Q390与Q420钢)。根据建筑钢结构工程的国内外经验,此限值可适当以放宽,在目前钢材性能水平和工艺条件下,暂以不小于20为宜。
2)钢材的强度级别一《钢结构设计规范》对钢管架结构规定所用钢材强度不应超过345MPa,届强比不应大于0.8,主要原因是现有研究、设计计算方法公式等都是以此类级钢材为主要对象进行的。厚壁钢管可能用于桁架或支柱结构,当钢板厚度、径厚比均相同而强度更高时,会产生更不利的冷加工硬化影响与残余应力,降低钢管的承载性能与焊接性能,故冷成型厚壁钢管的钢材强度以不大于345MPa为宜
3)钢材的性能要求目前冷成型型材的相关标准中对其力学性能试件的取样部位无明确规定,故厂家所提供的质量检验单数据均为其原材料的力学性能数据,并非已成型管产品的实物力学性能,这对厚壁钢管易造成延性指标要求(如伸长率)数据偏高的现象。故对主要承重构件用钢管,应在设计文件中注明其实物力学性能指标需经成品钢管上.的取样复测确认。同时对抗震设防等重要构件所用冷卷厚壁钢管,宜要求按钢板横轧制方向取样进行冲击功性能检测确认。在性能要求的项目内容上,除常规的化学成分与力学性能外,当厚壁钢管用于主要承重结构时,还应按荷载条件,使用温度、板厚、节点焊接约束度等条件,要求附加保证碳当量、屈强比、冲击功或Z向性能等作为钢管供货的保证性能指标。
4)热处理冷成型厚壁管影响性能的主要缺陷是冷加工硬化和残余应力影响,故对很重要的管构件或径厚比很小的钢管,可经过技术经济比较要求进行成品管热处理以细化晶粒,残余应力,优化钢管使用性能。
(4)热成型厚壁钢管虽无冷加工效应,但价格均较高。而热扩无缝钢管的壁厚公差可达士25%,会造成结构构件截面不对称,增加附加偏心弯矩和削弱截面承载力;而且在管构件对接接头处,可能造成对焊接头较大的错边偏差,故不宜用作钢结构承重构件。热卷成管性能较好,但加工成本高,主要适用于锅炉、压力容器、管道,般不宜用于钢结构构件中。
张力减径工艺是在前后布，的一系列轧辊机架中对荒管进行连续轧制的过程．也是钢管生产中的 一道热变形工序。在这一过程中．采用适当的孔型系列．使荒管外径得以连续减缩，同时凭借机架系列中轧辊转速比例的调节．可以取得预定的璧厚变化。张力减径工艺具有轧制速度高、产品规格范1 大等优点，目的已得到广泛应用。在张力减径过程中．钢管周向变形不均匀．导致钢管内表面由圆形变为多边形，在轧制中厚壁钢管时．该现象尤为严， " ．。为了改善和钢管的内多边形缺陷．需要实时测张力减径过程中钢管各个部位的应力、应变及沮度等场盆，但在生产现场，侧 t 这些数据往往比较困难且费时费力．因此利用数值棋拟技术来掌握上述场 t 在张力减径过程中的变化是非常必要的。为了提高产品的壁厚精度．目前国内外许多学者已经利用有限元法针对钢管张力减径过程的壁厚变化规律进行了大证的研究工作，州．并取得了较大的进展。
导致钢管内表面由圆形变为多边形的因索主要有轧辊孔型、张力分布情况、荒管壁厚及轧制沮度等。本文采用革于 MSC . MARC 的有限元分析方法，建立了钢管张力减径过程的有限元热力藕合分析棋型．在其他参数相同的情况下．研究了不同壁厚钢管的张力减径过程．分析了钢管内多边形的形成机理．得到了荒管璧厚和张力系数对钢管内多边形程度的影响规律．可为提高产品的壁厚精度和形状精度提供理论指导。
l 设．主．价数及热力报合有限元板型的盆立
Ll 设备主要参数本文在建立张力减径有限元棋型时．设定的张力减径机组的机架个数为 20 ．轧辊的名义直径设定为 345mm ，相邻机架间的距离为 320mm ，荒管的外圆直径为 180 帕 m ．成品钢管直径为 79mm 。为了研究荒管璧厚及张力系数对钢管内多边形的影响规伸，在其他参数相同的悄况下．本文选取了 9 种不同壁厚的荒管及对应的张力系数进行有限元模拟．其具体数值如表 l 所示。
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