厚壁管材水浸超聲檢測(cè)對(duì)缺陷的定位方法研究

王建新1. 曹紀(jì)綱2. 陳霆霆1.

1.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司; 2.中國(guó)航天科工運(yùn)載技術(shù)研究院

厚壁管材水浸超聲檢測(cè)對(duì)缺陷的定位方法研究

王建新1. 曹紀(jì)綱2. 陳霆霆1.

1.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司; 2.中國(guó)航天科工運(yùn)載技術(shù)研究院

厚壁管材壁厚與外徑的比在0.23以上，用超聲檢測(cè)時(shí)，在管材中同時(shí)存在折射橫波、折射縱波，這對(duì)缺陷的定位、定量造成很大的困難，本文主要針對(duì)在管材中同時(shí)存在兩種波形超聲檢測(cè)的特殊性，結(jié)合理論分析及對(duì)實(shí)際缺陷的檢測(cè)，解決了厚壁管材超聲檢測(cè)缺陷的定位問(wèn)題。

厚壁管材超聲檢測(cè) 缺陷 定位

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，厚壁管材的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、石油、化工、特種設(shè)備等不同領(lǐng)域。因此，厚壁管材的檢測(cè)在整個(gè)生產(chǎn)制造與驗(yàn)收檢測(cè)中意義十分重要。超聲波檢測(cè)以其較好的探測(cè)深度和較高的靈敏度，能夠有效地對(duì)管材內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)厚壁管材壁厚與外徑的比在0.23以上，用超聲檢測(cè)時(shí)，管材中同時(shí)存在折射橫波、折射縱波。管材超聲檢測(cè)中，內(nèi)部同時(shí)存在兩種波型對(duì)缺陷的定位、定量會(huì)造成很大的困難。目前，國(guó)內(nèi)壁厚與外徑的比在0.23以上的厚壁管材超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)很少，根據(jù)查詢有WJ2545-1999 《火炮身管接觸法超聲波檢測(cè)方法》、WJ2561-2001《火炮厚壁身管水浸超聲波檢測(cè)方法》、GB/T5777-2008 《無(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)，但以上標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定對(duì)缺陷的定位方法。

實(shí)際檢測(cè)當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷波時(shí)，判斷缺陷是橫波還是縱波發(fā)現(xiàn)的比較困難，分析不清是橫波還是縱波發(fā)現(xiàn)的缺陷，就不能準(zhǔn)確地對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量，本文就是針對(duì)以上存在的問(wèn)題，主要研究分析厚壁管材超聲水浸檢測(cè)方法對(duì)缺陷的定位，并通過(guò)多年的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)研究分析，總結(jié)出了幾種區(qū)分缺陷及對(duì)缺陷進(jìn)行定位的方法。

二、厚壁管材超聲檢測(cè)方法原理

當(dāng)壁厚與外徑之比在0.23以上，用水浸聚焦超聲檢測(cè)管材縱向缺陷時(shí)，應(yīng)調(diào)整探頭的入射角即調(diào)整探頭的偏心距，使橫波主聲束與管材內(nèi)壁相切，這時(shí)在管材中同時(shí)存在折射橫波和折射縱波，見(jiàn)圖1。

圖1 橫波主聲束與管材內(nèi)壁相切圖

圖中：X為偏心距；H為水聲程；αl為入射角；βs為橫波折射角；βl為縱波折射角；S為折射橫波；L為折射縱波。

（1）偏心距按公式⑴計(jì)算：

式中：

Cw—超聲波在水中的速度（1480m/s）；

CS—超聲橫波在鋼中的速度（3230m/s）；

r—管材的內(nèi)經(jīng)（mm）。

（2）入射角窗口

Δα的選擇水浸超聲檢測(cè)時(shí)，由于探頭與工件間有著一定的距離。超聲波從探頭中發(fā)射出來(lái)后有一個(gè)擴(kuò)散角，由于被檢測(cè)管子曲面的影響，因而有一部分入射角過(guò)大的超聲波，折射后橫波射不到內(nèi)壁。另一部分入射角過(guò)小的超聲波，折射后縱波射到內(nèi)壁，引起對(duì)波型判斷時(shí)的困難。因此必須使用聚焦探頭，并把入射波束限制在一定的窗口里。若使橫波與內(nèi)壁相切，其入射角按公式⑵計(jì)算：

式中：

R—被檢管外半徑；其他符號(hào)同公式⑴。

（3）水聲程H可按公式⑶計(jì)算：

式中：

H —水聲程，mm。

XS—橫波聲束與管材內(nèi)壁相切時(shí)聲程；

XL—折射到管材外壁縱波聲程；

CL—鋼中的縱波聲速；

其他符號(hào)同公式⑴。

（4）水中焦距F按公式⑷計(jì)算：

厚壁管材水浸超聲檢測(cè)使用水浸聚焦超聲檢測(cè)探頭，應(yīng)使聚焦點(diǎn)（P）落在與聲束中心軸垂直的管材半徑上，如圖2所示，此時(shí)：

圖2 聚焦點(diǎn)位置

式中：

符號(hào)同以上公式⑴、⑵、⑶。

分析研究了以上厚壁管材超聲檢測(cè)方法原理，下面研究討論對(duì)缺陷進(jìn)行的定位方法。

三、對(duì)缺陷的定位方法

（一）采用儀器時(shí)基線對(duì)缺陷定位

檢測(cè)前需用超聲檢測(cè)對(duì)比試塊調(diào)整儀器的時(shí)基線性（掃描速度），調(diào)整好后，檢測(cè)當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，初步可根據(jù)時(shí)間或聲程對(duì)缺陷進(jìn)行定位。

（二）根據(jù)缺陷波游動(dòng)情況對(duì)缺陷定位

在管材中同時(shí)存在折射橫波和折射縱波，當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷波時(shí)，一般情況下，缺陷波游動(dòng)較大，說(shuō)明是折射縱波發(fā)現(xiàn)的管材的外壁缺陷，缺陷波游動(dòng)較小，說(shuō)明是折射橫波發(fā)現(xiàn)管材的內(nèi)壁缺陷。

（三）調(diào)整偏心距對(duì)缺陷定位

當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷波時(shí)，將自動(dòng)檢測(cè)車停下來(lái)，管子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在水聲程、焦距不變的情況下，這時(shí)將偏心距增大幾毫米，同時(shí)還能觀察到游動(dòng)的缺陷波，從圖1可以知，入射角增大，縱波折射角βl增大；折射縱波更容易發(fā)現(xiàn)管材外壁的缺陷，說(shuō)明是折射縱波發(fā)現(xiàn)管材的外壁或近外壁缺陷。

（四）縱波垂直徑向入射對(duì)缺陷定位

當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷波時(shí)，可用縱波直探頭徑向垂直入射即入射角為0°（偏心距為0），如果發(fā)現(xiàn)的缺陷是較大的夾雜、氣孔、分層類缺陷，這時(shí)如果還可以發(fā)現(xiàn)缺陷波，可直接采用直入射縱波對(duì)缺陷進(jìn)行深度定位。

（五）用計(jì)算公式對(duì)缺陷進(jìn)行定位

發(fā)現(xiàn)缺陷波時(shí)，如能確定是折射橫波發(fā)現(xiàn)的缺陷，從圖3中可找出缺陷深度h、弧長(zhǎng)L、中心角θ、聲程S和折射角βs之間的關(guān)系，根據(jù)圖3中幾何關(guān)系，可得缺陷位置的有關(guān)參數(shù)，可按公式（5）計(jì)算缺陷的位置。

缺陷位置可由圖3確定。

圖3 缺陷定位圖

K＝tgβs

式中：h－缺陷深度（mm）；

R－管材外半徑（mm）；

M－系數(shù)；

K－K值；

L－弧長(zhǎng)，弧度；

θ－中心角，角度；

S－聲程（mm）；

βs－折射角；

CS－鋼中橫波聲速；

CW－水中縱波聲速；

X－偏心距。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)缺陷定位方法的研究，結(jié)合理論分析及對(duì)實(shí)際缺陷的檢測(cè)，并對(duì)部分厚壁管材缺陷定位進(jìn)行裁剖試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)論和實(shí)際超聲檢測(cè)結(jié)果相符合。

[1] WJ2561-2001《火炮厚壁身管水浸超聲波檢測(cè)方法》.

[2] GB/T5777-2008 《無(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》.

[3]全國(guó)特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)人員資格考核統(tǒng)編教材.超聲檢測(cè).中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.3.