鋼管接觸式超聲波檢測(cè)探頭角度的選擇

許華全

（四川三洲特種鋼管有限公司，四川成都610300）

鋼管接觸式超聲波檢測(cè)探頭角度的選擇

許華全

（四川三洲特種鋼管有限公司，四川成都610300）

介紹了鋼管接觸式超聲波檢測(cè)對(duì)探頭角度的選擇，將鋼管厚徑比（T/D）分為3種情況，并分別選擇探頭角度。分析認(rèn)為：T/D≤0.226時(shí)，采用純橫波對(duì)管體進(jìn)行檢測(cè)；0.226∧T/D≤0.260時(shí)，采用變型橫波對(duì)管體進(jìn)行檢測(cè)，最佳入射角為23.6°；T/D∧0.260時(shí)，其探頭入射角應(yīng)小于最佳入射角23.6°。

鋼管；超聲波檢測(cè)；接觸式；探頭角度；K值；厚徑比；變型橫波

管材超聲波檢測(cè)最主要的目的是檢測(cè)鋼管內(nèi)、外壁的縱向缺陷［1］，以沿外圓作周向掃查的橫波檢測(cè)為主。這些缺陷主要表現(xiàn)為沿鋼管軸向延伸而在橫截面上呈徑向分布（如裂紋、折疊、翹皮等），對(duì)此目前已開展了很多分析研究和檢測(cè)［2-5］；但是，如果超聲波檢測(cè)探頭角度的選擇不當(dāng)，極易造成漏檢，甚至無(wú)法檢測(cè)到內(nèi)壁缺陷。

1 探頭角度的選擇

1.1 探頭K值的選擇

鋼管接觸式超聲波檢測(cè)時(shí)，折射角正切值（K值）的選擇至關(guān)重要，不是所有的鋼管都適合橫波檢測(cè)。利用橫波檢測(cè)必須滿足以下2個(gè)條件：

（1）聲束入射后，在管壁內(nèi)僅產(chǎn)生折射橫波（進(jìn)入工件的聲束為純橫波）；

（2）橫波聲束能掃查到鋼管內(nèi)壁，折射橫波聲束與鋼管內(nèi)壁相切，如圖1所示。

對(duì)于條件（1），由第一臨界角公式可求得工件中產(chǎn)生純橫波的條件，即：sin α∧CL1/CL2。其中，α為入射角；CL1與CL2分別是第一、第二介質(zhì)中的縱波聲速。

對(duì)于條件（2），當(dāng)折射橫波聲束與管體內(nèi)壁相切時(shí)，是聲束到達(dá)內(nèi)壁的臨界狀態(tài)。此時(shí)，折射角βS應(yīng)滿足sin βS≤r/R；其中，r與R分別是鋼管的內(nèi)、外半徑。

由折射定律可知：sin α/sin βS=CL1/CS；其中，CS是鋼管中橫波聲速。

圖1 折射橫波聲束與鋼管內(nèi)壁相切示意

由上可知，要在鋼管中得到純橫波探傷并使之到達(dá)內(nèi)壁，折射角必須滿足以下公式：

式中T——鋼管壁厚，mm；

D——鋼管外徑，mm。

由式（1）可以推導(dǎo)出：

對(duì)于鋼材而言，縱波聲速CL2=5 900（m/s），橫波聲速CS=3 230（m/s）。將CL2與CS的值代入式（2），則有：T/D≤0.226；因此，當(dāng)T/D≤0.226時(shí)，可使用橫波檢測(cè)。

由圖1的幾何關(guān)系可推導(dǎo)出K值：

選定了探頭的K值，便是對(duì)折射角和入射角進(jìn)行了控制。以Φ273 mm×50 mm鋼管為例，將D= 273（mm），T=50（mm）代入式（3）中，可求得K≤0.82。即，只要K≤0.82就能滿足純橫波檢測(cè)要求。不同K值（折射角βS）對(duì)應(yīng)的T/D值見表1。

表1 不同K值（折射角βS）對(duì)應(yīng)的T/D值

從表1可以看出：當(dāng)T/D≤0.226時(shí)，探頭的K值越小，采用橫波檢測(cè)，可檢測(cè)的最大壁厚就越大；K值越大，可檢測(cè)的最大壁厚就越小；當(dāng)K= 0.65，βS=33.2°時(shí)，理論上可檢測(cè)鋼管的最大厚徑比為0.226。

1.2 探頭入射角的選擇

1.2.1 厚徑比0.226∧T/D≤0.260的厚壁管

對(duì)于厚徑比0.226∧T/D≤0.260的厚壁管，使用折射橫波已不能掃查到管體內(nèi)壁，此時(shí)只有利用變型橫波進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)入射聲束以小于第一臨界角的角度進(jìn)入鋼管，在管壁中同時(shí)產(chǎn)生縱波L和橫波S″，其中橫波S″的能量很小，縱波L在鋼管外壁反射，產(chǎn)生的反射橫波S′即為變型橫波。利用變型橫波檢測(cè)鋼管內(nèi)壁的原理如圖2所示。

圖2 利用變型橫波檢測(cè)鋼管內(nèi)壁的原理示意

對(duì)縱波斜入射到鋼/空氣界面的反射規(guī)律進(jìn)行研究，可得出橫波聲壓反射率rLS與縱波聲壓反射率rLL相互之間的變化關(guān)系，如圖3所示。從圖3可以看出：當(dāng)入射縱波反射角αL為60°左右時(shí)，橫波聲壓反射率rLS約為60%，縱波聲壓反射率rLL約為20%［5］。根據(jù)這個(gè)理論可知，在入射縱波反射角αL為60°左右時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的變型橫波S′，此時(shí)可利用該變型橫波S′對(duì)管體內(nèi)壁進(jìn)行檢測(cè)。

圖3 縱波斜入射到鋼/空氣界面時(shí)橫波、縱波聲壓反射率的變化

由圖2和折射定律可知：sin α/sin βL=CL1/CL2；其中，βL為縱波折射角。可推導(dǎo)出入射角的計(jì)算公式：

當(dāng)αL=βL=60°時(shí)，有最佳變型橫波S′，此時(shí)變型橫波能量最強(qiáng)。對(duì)于有機(jī)玻璃/鋼界面而言，CL1= 2 730（m/s），CL2=5 900（m/s）；將CL1與CL2的值帶入式（4）可求得α=23.6°；但是，入射角為23.6°的探頭，其檢測(cè)范圍也存在局限性。

由反射定律可知：sin αL/sin βS′=CL2/CS。由T、D、r、R之間的數(shù)理關(guān)系可得到：T/D=（1-r/R）/2。變型橫波S′與鋼管內(nèi)壁相切時(shí)是聲束到達(dá)內(nèi)壁的臨界狀態(tài)，而此時(shí)的βS′應(yīng)滿足sin βS′≤r/R條件。由上述條件可求得T/D≤0.260，即厚徑比為T/D∧0.260的厚壁管用入射角為23.6°的探頭時(shí)，其內(nèi)壁無(wú)法掃查到；所以，厚徑比0.226∧T/D≤0.260的鋼管，其超聲波檢測(cè)時(shí)探頭的最佳入射角為23.6°。

1.2.2 厚徑比T/D∧0.260的厚壁管

檢測(cè)厚徑比T/D∧0.260的厚壁管時(shí)，探頭的入射角應(yīng)小于23.6°，其大小可以根據(jù)1.2.1節(jié)中的內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，但此時(shí)變型橫波的反射率相當(dāng)?shù)?，探傷靈敏度大大降低。實(shí)際生產(chǎn)中，涉及該厚徑比的鋼管很少，這里不作深入討論。

2 結(jié)論

綜上所述，鋼管超聲波檢測(cè)對(duì)探頭角度的選擇主要分3種情況：

（1）當(dāng)T/D≤0.226時(shí)，根據(jù)鋼管外徑D、壁厚T，選擇合適的K值，利用純橫波進(jìn)行檢測(cè)。

（2）當(dāng)0.226∧T/D≤0.260時(shí)，利用變型橫波進(jìn)行檢測(cè)，選取23.6°入射角探頭最佳。

（3）當(dāng)T/D∧0.260時(shí)，超聲波檢測(cè)靈敏度低，入射角的大小根據(jù)1.2.1節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，制作出的探頭需在實(shí)際工作中反復(fù)試驗(yàn)并得到穩(wěn)定檢測(cè)數(shù)據(jù)后才可用于實(shí)際檢測(cè)。

［1］史亦偉.超聲檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］趙仁順，梁志農(nóng).超聲波檢測(cè)鋼管管體分層缺陷方法的研究與應(yīng)用［J］.鋼管，2012，41（6）：72-75.

［3］田黨，李群.關(guān)于無(wú)縫鋼管離層和分層缺陷的討論［J］.鋼管，2012，41（3）：51-56.

［4］趙仁順.超厚壁鋼管內(nèi)壁缺陷的超聲波探傷方法研究［J］.鋼管，2010，39（3）：55-59.

［5］鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008：41.

Selection of Probe Angle of Contact Type Ultrasonic Detection System for Steel Pipes

XU Huaquan
（Sichuan Sanzhou Specialty Steel Tube Co.，Ltd.，Chengdu 610300，China）

All involved in the paper is how to select proper probe angles for the contact type ultrasonic detection system for steel pipes.According to the three pipe thickness/diameter ratios or T/D’s，the probe angles are determined respectively.Based on relevant analysis，it is identified that in case of T/D≤0.226，pure transversal wave will be used to detect the pipe body；in case of 0.226∧T/D≤0.260，transformed transversal wave will be used to detect the pipe body with the best angle of incidence as 23.6°；and in case of T/D∧0.260，the probe angle will be less than the best incidence angle of 23.6°.

steel pipe；ultrasonic detection；contact type；probe angle；K value；thickness/diameter ratio；transformed transversal wave

TG335.71；TG115.28

B

1001-2311（2014）06-0076-03

2014-05-18）

許華全（1987-），男，助理工程師，主要從事無(wú)縫鋼管的檢測(cè)工作。