薄壁管材的超聲波檢測方法的初步研究

摘 要：簡述了薄壁管材水浸檢測的原理，主要介紹聚焦形式、晶片尺寸、頻率、檢測儀器、管材、傳動裝置、檢測用水、對比試樣的制作等檢測要求，為薄壁管材提供了檢測理論基礎(chǔ)。進一步對檢測參數(shù)，如入射角、螺距、轉(zhuǎn)速、焦點位置的選擇以及檢測步驟和檢測注意事項進行了詳細的闡述，為薄壁管材的實際檢測提供了方法，并且論證了水浸檢測管材的可行性。

關(guān)鍵詞：薄壁管材 聚焦 晶片尺寸 頻率 入射角 焦點

中圖分類號：TH215文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0015-03

1 引言

在超聲波檢測中，隨著被檢對象的不同往往采用不同的超聲波型。對薄壁管材進行檢測時，由于壁厚較薄，與波長處于同一數(shù)量級，即T/D比（壁厚/外徑）小于20%的管材，為了實現(xiàn)有效的檢測，常用在管壁內(nèi)激發(fā)橫波的方法進行。實際檢驗時，為提高檢測效率易于實現(xiàn)自動化，減少探頭的磨損，提高檢測的靈敏度和準確性，常采用水浸聚焦橫波法對其進行檢測。聚焦探頭較常規(guī)探頭來講，聲束指向性好，對提高探傷靈敏度、分辯力和信噪比均有利，在焦點處聲能更為集中，在中心軸線上聲壓強，近場區(qū)小。

2 檢測原理

管材超聲波水浸檢測是探頭發(fā)射的超聲波經(jīng)過一段水后在進入試件的檢測方法。薄壁管材一般采用聚焦探頭，利用折射橫波進行檢測。原理如圖1。

由超聲波的理論可知，當水中入射的超聲縱波經(jīng)折射進入管材時，管材內(nèi)就能產(chǎn)生縱波L和橫波T。折射角根據(jù)折射定律。

（1）

式中：——水中聲速，——管材中縱，橫波的聲速，——入射角，——縱，橫波的折射角。

從上式可知，要進行純橫波檢測，入射角必須大于第一臨界角而小于第二臨界角，即入射角滿足：

arcsin（cL1/cL2）<а

3 檢測要求

3.1 探頭選擇

（1）探頭聚焦形式

用于管材水浸橫波檢測的聚焦探頭一般有線聚焦和點聚焦兩種形式。點聚焦聲束直徑小，長短缺陷的探測靈敏度都較高，但檢測速度慢。線聚焦探頭，長缺陷的檢出靈敏度比短缺陷的檢出靈敏度高。若以一定長度的缺陷為檢測靈敏度時，有些缺陷可能有誤檢和漏檢現(xiàn)象，但檢測速度快。選擇哪種探頭聚焦形式應(yīng)根據(jù)技術(shù)標準要求進行。一般情況下，由于加工工藝，管材產(chǎn)生的缺陷主要為縱向延伸裂紋，批量生產(chǎn)，檢測任務(wù)大，所以檢測速度要快，檢測效率要高。綜合以上因素，選用線聚焦探頭檢測薄壁管材。

（2）探頭晶片尺寸和頻率

薄壁管材檢測中，所用的聚焦聲束實際上并不是聚焦成一點。在聲束軸線上由于焦點附近存在干涉現(xiàn)象，形成有一定長度的細聲束，如圖2，這段有一定長度的細束稱為焦柱。焦柱的寬度和長度公式給出為

（3）

（4）

式中：—聲束寬度，—聲束長度

—波長，—焦距，，—晶片半徑

在薄壁管材檢測中，利用這段焦柱進行檢測，當管徑很大時，壁厚絕對值較厚，考慮利用這段焦柱以外的聲束部分。從公式（3）和（4）可知：

（1）從公式（3）和（4）可知，焦柱的寬度、長度與晶片的頻率、尺寸有關(guān)，為了在管內(nèi)激發(fā)純橫波，避免在管壁內(nèi)聲波來回反射而產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換和形成復(fù)雜的干擾，為保證內(nèi)外壁缺陷的檢出，要求焦柱的寬度必須足夠窄。

（2）焦柱寬度與焦距成正比，小焦距可以得到比較小的焦柱寬度，但焦距不能太小，否則半收斂角就會太大，使聚焦聲束在管壁折射進入管內(nèi)時，由于像差大而聚不到一起，使用頂角錐度來衡量探頭特征的綜合要求，一般選擇聚焦探頭的焦距與晶片直徑之比即F/D選擇在2～4為宜。

（3）頻率與焦柱寬度成反比，提高頻率可以減小聲束寬度，但頻率過高，焦點尺寸會很小，影響檢測速度，因此，頻率要選擇適宜，一般在5～20MHz。

（4）為了盡量減少聲束擴散的影響，晶片直徑一般不小于20λ（水中波長），一般管材檢測中晶片直徑都大于20λ，但晶片直徑不能取得太大，晶片直徑大，雖使焦柱寬度變窄，但會造成焦柱長度嚴重變短。

3.2 檢測儀器

檢測儀器要靈敏度高，脈沖前沿上升時間短，脈沖要窄，而且脈沖的重復(fù)頻率要高，有界面跟蹤和自動報警系統(tǒng)，如USD-15型檢測儀。

3.3 管材

檢測時，管材表面應(yīng)光滑，防止因表面粗糙引起檢測雜波出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，內(nèi)外表面應(yīng)干凈無影響檢測的油污或其它臟物。對管材的不直度也要有一定的要求，以免旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生振動使波不穩(wěn)定。

3.4 球傳動裝置

管材水浸檢測時，傳動裝置有三種形式：（1）探頭固定不動，管子由機械傳動設(shè)備帶動作螺旋形前進，使探頭沿管子軸線作相對移動。（2）管子由機械傳動設(shè)備帶動作旋轉(zhuǎn)，探頭由傳動小車帶動沿管子軸線方向作勻速運動。（3）在探頭旋轉(zhuǎn)同時，管子由機械傳動設(shè)備帶動作直線送進，一般使用功能各異，形式不同的多個探頭，配合多通檢測。

以上幾種形式中不管采用哪種都要求必須運行平穩(wěn)可靠且不會對管材造成損傷，調(diào)試操作方便運行過程中調(diào)試狀態(tài)保持不變等。一般多采用第（1）種，該種裝置有設(shè)計制造容易，造價便宜，調(diào)試簡單、方便等優(yōu)點。

3.5 檢測用水

管材水浸檢測所用的水必須干凈，沒有影響檢測的懸浮物和氣泡等，實際生產(chǎn)中，可加入消泡劑或濕潤劑來減小影響。

3.6 對比試樣

對比試樣是調(diào)整檢測靈敏度和判斷缺陷允許與否的重要依據(jù)。對比試樣是根據(jù)有關(guān)技術(shù)要求在選取的試樣上加工人工標準缺陷制成的。人工標準試樣有V型和U型，V型試樣在車床上刻制，U型試樣一般用電火花刻制。對比試樣的材質(zhì)，加工工藝規(guī)格等要與被檢管子相一致。

4 檢測主要參數(shù)的選擇

4.1 入射角的選取

在一般橫波檢測中，入射角一般在到第一臨界角和第二臨界角之間，但在管材檢測中，要求就更為嚴格。

在檢測中，為了避免出現(xiàn)干擾，焦柱的-6dB寬度應(yīng)滿足下式：

（5）

式中m為折射率即，t為管壁厚，——折射角，——入射角。

如圖3以平板為例，若AC

聲波折射以后，聚焦細聲束的焦距長度變短，因此其焦柱長度相應(yīng)變短，焦柱長度滿足公式6

（6）

式中——折射后焦柱的長度，——折射前在水中的焦柱長度

由公式（6）可知θ越小，則L2就越長，因此薄壁管檢測時一般要求焦柱寬度d-6dB滿足公式（5），折射后焦柱長度滿足公式（7）時的入射角。一般以管內(nèi)橫波折射角為45°的入射角為佳。

為了使內(nèi)外傷都能位于細束中，折射后的焦柱長度應(yīng)大于圖4中AB+BC即應(yīng)滿足：

（7）

式中：——折射聲束焦柱長度，——擴散角，t——管材后度

4.2 螺距的選擇

對管材進行檢測時，為了漏檢且不影響檢測速度，螺距的選擇是一個非常重要的因素，螺距應(yīng)滿足公式（8）

（8）

式中：L——聲束有效長度，y——覆蓋率，Z——螺距。

4.3 管材相對探頭的轉(zhuǎn)速

為了使聚焦聲束脈沖能覆蓋整個管材表面而不致漏檢，管材相對探頭的轉(zhuǎn)速必須滿足：

（9）

式中：——重復(fù)頻率，d——聲束有效寬度，D——管材外徑，

k——系數(shù)，一般取2～3。

4.4 焦點位置的選擇（水距的選擇）

薄壁管材檢測時，內(nèi)外缺陷的回波幅度與焦點的位置有關(guān)，改變焦點位置可以改變內(nèi)外缺陷的相對幅度，達到內(nèi)外表面缺陷相等或近似相等。把探頭水中的焦點放在與聲束軸線垂直的半徑上作為晶片位置，但對于小徑薄壁管材并不合適，實踐證明，使水中焦點適當進入管內(nèi)，應(yīng)選擇焦柱前端的聚焦聲束，使之與管壁相交，從而內(nèi)外壁缺陷達到相近的反射高度。對壁厚較厚的薄壁管，可以利用焦柱外的部分檢測，一般取管內(nèi)焦點在二次聲程中。

4.5 焦線長度與人工標準缺陷長度的關(guān)系

為了減小線聚焦探頭對短缺陷檢出能力差，對長缺陷誤檢的現(xiàn)象，在設(shè)計線聚焦探頭時應(yīng)滿足：

（10）

5 檢測步驟

管材水浸檢測，常用對比試樣來調(diào)節(jié)儀器和水距、入射角等參數(shù)。調(diào)節(jié)好后，就可以對所需檢測的管材進行檢測。（方法如下）：（1）調(diào)節(jié)探頭，選擇合適的對比試管，使聲束軸線正好垂直于管軸，這時界面回波最大。（2）調(diào)偏心量（入射角），根據(jù)管材尺寸按折射角為45°計算好偏移量，調(diào)探頭偏移一定距離。（3）調(diào)進焦量，使聲束的焦柱進入管壁，以改變內(nèi)外壁缺陷回波的相對幅波。（4）調(diào)整儀器使內(nèi)外傷幅度達到標準報警幅度，并使內(nèi)外傷幅度相近或一致。（5）開動傳動裝置，使對比試管多次通過，而且內(nèi)外傷均能穩(wěn)定報警。（6）完成以上工作后就可以對管材進行檢測檢驗。（7）按操作規(guī)程工作一定時間，再用對比試樣進行校準。如果符合要求，繼續(xù)檢測。否則，再調(diào)整到工作狀態(tài)，并對前一次校準以后探測的管子有懷疑的進行重測。

6 注意檢測事項

（1）檢測前應(yīng)用皮塞堵住管材兩頭，防止水進入管材時出現(xiàn)的干擾波。（2）防止管材檢測時，管子顫動幅度較大，對檢測造成的影響。為做到這一點，及時更換合適的導(dǎo)套，導(dǎo)套的間隙要符合一定的要求。（3）出現(xiàn)異常情況時，應(yīng)立即關(guān)機并查找發(fā)生異常的原因，及時排除后，應(yīng)用對比試樣對探測系統(tǒng)重新進行校準。

管材的這套水浸檢測方法，既減小了探頭的磨損，又提高了檢測的速度。不僅滿足了生產(chǎn)需要，而且為用戶提供了高質(zhì)量的產(chǎn)品，可以成為生產(chǎn)管材的廠家及檢測公司首選的檢測方法。

7 結(jié)語

為了保證薄壁管材缺陷的檢出，水浸聚焦超聲波檢測需要選擇合適的焦點，焦柱，探頭的直徑，檢測頻率，入射角，螺距等檢測參數(shù)，另外還應(yīng)依照正確的檢測步驟來進行。通過對對整個原理及檢測步驟的敘述，薄壁管水浸超聲檢測完全是可行的，并可用于大規(guī)模的的生產(chǎn)檢驗中。

參考文獻

[1]鄭暉，林樹青.中國勞動社會保障出版社，超聲檢測，2008.

[2]蔣危平，方京.超聲檢測學.1991.

[3]張志永.水浸聚焦超聲波探傷原理[M].水利電力出版社，1985.

[4]李建民.接觸聚焦超聲波檢測技術(shù)，1992.

[5]李家偉.無損檢測手冊[M].機械工業(yè)出版社，2002.