無縫鋼管超聲波探傷機(jī)耦合水層厚度的設(shè)計(jì)方法

陳洪法

摘 要：本文主要討論了超聲波探傷機(jī)在無縫鋼管探傷檢測時(shí)超聲波探傷的基本原理、以及耦合水層的設(shè)計(jì)方法，其中對(duì)耦合水層的水距進(jìn)行了具體討論，希望能夠?yàn)閷?shí)際探傷檢測提供參考。

關(guān)鍵詞：耦合水層；超聲波探傷機(jī)；無縫鋼管；設(shè)計(jì)方法；水浸法

一、前言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械行業(yè)的精度要求不斷提高，這對(duì)無縫鋼管等設(shè)備的精度保證技術(shù)也提出了更高的要求，無損檢測技術(shù)在我國的機(jī)械、冶金、化工、軍事、交通的企業(yè)中非常常見。超聲波探傷機(jī)是無損檢驗(yàn)技術(shù)的一種精度較高的方法，在無縫鋼管等設(shè)備產(chǎn)品的生產(chǎn)中發(fā)揮了非常重要的作用。

無縫鋼管是一種截面有中空、周圍沒有接縫的長條鋼材，無縫鋼管引起中空截面被大量運(yùn)用于流體運(yùn)輸，比如暖氣、自來水、石油等物料的輸送。無縫鋼管具有很強(qiáng)的抗彎矩和抗扭矩能力，而且相對(duì)于圓鋼等實(shí)心鋼有更加輕便的優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)件的制造，并且?guī)砹撕艽蟮慕?jīng)濟(jì)效益。因此，在現(xiàn)代制造業(yè)中，要注重保障無縫鋼管的制造精度和產(chǎn)品質(zhì)量，提高無縫鋼管的使用性能。

二、無縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法探傷原理

超聲波探傷機(jī)對(duì)無縫鋼管探傷的主要原理是超聲波探傷機(jī)通過超聲波探頭將電能和聲能相互轉(zhuǎn)換并在彈性介質(zhì)中傳播的物理性質(zhì)。定向發(fā)射的超聲波束在管中傳播時(shí)會(huì)遇到缺陷，波束會(huì)產(chǎn)生反射和衰減現(xiàn)象，獲得的信號(hào)波會(huì)在探傷器中進(jìn)行信號(hào)處理，如果是波束反射信號(hào)則會(huì)獲得缺陷回波信號(hào)；如果是波束衰減信號(hào)，探傷儀處理器會(huì)根據(jù)波的衰減程度來獲得缺陷信號(hào)。

超聲波探傷機(jī)在運(yùn)作時(shí)，探傷儀的高頻脈沖發(fā)生器會(huì)發(fā)出一個(gè)電脈沖到探頭上，利用壓電效應(yīng)將電脈沖轉(zhuǎn)換成超聲脈沖，然后通過傳遞介質(zhì)（一般是水）將脈沖傳遞到工件內(nèi)部。由于超聲波的傳輸速度快，脈沖的頻率很高，在轉(zhuǎn)化為更好的視覺效果，在示波器上顯示的回波信號(hào)產(chǎn)生了不變動(dòng)的探傷圖像。超聲波探傷機(jī)的主要功能是測定缺陷的位置和大小，在工作前應(yīng)當(dāng)對(duì)測距以及測距標(biāo)度進(jìn)行校正，測距標(biāo)度的校正主要的方法有標(biāo)準(zhǔn)試塊法或?qū)Ρ仍噳K法。測距標(biāo)度的確定是超聲波探傷的重要環(huán)節(jié)，測距標(biāo)度一旦確定下來，就能根據(jù)實(shí)際測量情況來確定缺陷的位置。

三、超聲波探傷機(jī)耦合水層的設(shè)計(jì)方法

超聲波探傷機(jī)在探傷時(shí)，由于探傷機(jī)的探頭與被測鋼管之間會(huì)存在空氣，超聲波在空氣中將傳遞會(huì)迅速衰減而不能進(jìn)入被測鋼管中，因此為了讓超聲波更好的透射進(jìn)入被測鋼管，需要在探頭和被測鋼管之間添加一些耦合介質(zhì)來排除無縫鋼管中的空氣。耦合介質(zhì)即耦合劑，根據(jù)不同的耦合方式可以采用不同的物料來選取，在制造業(yè)中使用的超聲波探傷機(jī)耦合劑通常有水（自來水）、機(jī)油、甘油（丙三醇）、水玻璃、潤滑油等常用介質(zhì)。超聲波探傷機(jī)耦合方式主要有接觸法和水浸法，由于本文主要討論水浸法，所以采用的耦合劑為水。

1.水浸法的原理

超聲波探傷機(jī)水浸法實(shí)質(zhì)上指的就是將縱波探頭和鋼管放到水里面，縱波直探頭位于鋼管表面的垂直方向，與鋼管保持一定距離，在水的折射原理下，可以實(shí)現(xiàn)鋼管內(nèi)部橫波探傷。 超聲波探傷機(jī)的探頭一般與被測鋼管面之間有一層水層，水層的厚度與鋼管厚度、聲速以及具體的探傷要求有關(guān)，同時(shí)，為了保證鋼管表面的濕潤程度從而防止鋼管生銹，一般會(huì)加入一定量的濕潤劑或者防腐劑，比如洗潔精、三乙醇胺混合液等。

2.水浸法檢測時(shí)應(yīng)注意的問題

（1） 水的溫度應(yīng)當(dāng)保持與被測鋼管相同，而且有一定的濕潤能力，防止對(duì)超聲波探傷機(jī)的檢測結(jié)果造成影響。此外，水必須保持一定的清潔程度，不能混入雜質(zhì)和氣泡等懸浮物質(zhì)，因?yàn)槌暡ㄔ谒械纳⑸洳ǖ膫魃滠壽E會(huì)受到這些因素的影響，從而阻礙了超聲波探傷儀對(duì)于超聲波的發(fā)射和接收。為了防止這樣的現(xiàn)象發(fā)生，通常的做法是將作為介質(zhì)的水靜置一段時(shí)間，必要時(shí)還需要在水中加入一些凈水劑（明礬），排除水中的雜志和氣體，在溫度較低情況時(shí)可以采用加熱的方式加速這個(gè)凈化的過程。

（2）在超聲波以一定角度射向耦合水層時(shí)，應(yīng)當(dāng)時(shí)刻注意入射角度的準(zhǔn)確性，由于鋼材的縱波聲速是水的縱波聲速的四倍左右，因此在水中即使發(fā)生了一度左右的入射角變化，鋼材中也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生四度的變化，會(huì)產(chǎn)生較大的檢測誤差，因此必須要注意精確性的問題。同時(shí)，溫度也會(huì)在一定程度上對(duì)水的縱波聲速產(chǎn)生影響，所以在用水浸法檢測時(shí)，一定要保持溫度的穩(wěn)定性。

（3）通過上述分析可知，水的縱波聲速與被測鋼材的縱波聲速差異比較大，在水浸法檢測無縫鋼管的曲面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較為明顯的超聲波束收斂和擴(kuò)散的現(xiàn)象，會(huì)對(duì)檢測結(jié)果造成影響。因此，在實(shí)際測試被測鋼管的聲場距離振幅特性時(shí)需要采用對(duì)比試塊校正法來減少測量結(jié)果的誤差。

（4） 水浸法探傷檢測的理想情況是將聲場的近場區(qū)設(shè)置在水層中，從而將靈敏度好而且聲壓合理分布的區(qū)域設(shè)置在被測鋼管中，并且保證在超聲波探傷機(jī)示波器的顯示結(jié)果上，鋼管底波出現(xiàn)在耦合水層和鋼管表面的二次界面回波的后面，避免誤檢漏檢的現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)，還要確定合適的耦合水層厚度，避免超聲波散射等嚴(yán)重影響檢測結(jié)果的現(xiàn)象發(fā)生，具體的耦合水層厚度（水距）選擇在下面進(jìn)行討論。

3.超聲波水浸法探傷耦合水層厚度的確定

水浸法探傷的水層厚度確定主要遵從滿足探傷檢測靈敏度要求的基本原則，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮檢測效率的要求。作為中間耦合介質(zhì)的水層，其厚度的選擇應(yīng)當(dāng)保證水和鋼管表面的二次界面波出現(xiàn)在底波的后面，而且為了避免超聲波束在入射界面上發(fā)生散射的可能（聲波的散射會(huì)降低探傷機(jī)的探傷靈敏度），應(yīng)當(dāng)將耦合水層的厚度控制在小于聲場近場區(qū)的范圍內(nèi)。假設(shè)鋼管的厚度為H、水層厚度為h，聲場的近場區(qū)為M，根據(jù)實(shí)際測量情況（溫度、壓力等）和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取水的縱波聲速為1460 m/s，取鋼的縱波聲速為5950 m/s、橫波聲速為3320 m/s?？梢钥吹?，鋼的縱波聲速約為水的縱波聲速的4倍，因此聲場近場區(qū)大于水層的厚度和鋼管厚度的四分之一（ ）。

（1）當(dāng)h < H時(shí)，在超聲波探傷機(jī)的示波器顯示屏上顯示的圖像先是耦合水層和鋼管曲面的二次界面波，然后再出現(xiàn)鋼管的底波，因此在二次界面波的干擾下，不能明確地判斷出鋼管內(nèi)是否有缺陷，這種情況的檢測結(jié)果誤差較大。

（2）當(dāng)h = H時(shí)，耦合水層和鋼管表面的二次界面波會(huì)與鋼管底波發(fā)生重疊現(xiàn)象，二者出現(xiàn)的時(shí)機(jī)也重合了，因此在這種情況下，會(huì)很容易忽略掉探傷檢測的某一種結(jié)果，出現(xiàn)漏檢的可能。

（3）當(dāng)h > H時(shí)，根據(jù)超聲探傷機(jī)示波器顯示屏顯示的結(jié)果，鋼管底波會(huì)出現(xiàn)在二次界面波之前，這種情況下，探傷機(jī)的探傷檢測結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確，非常有助于探傷工作的進(jìn)行。

（4）當(dāng)h < M時(shí)，這是在超聲波探傷機(jī)的探傷工作過程中應(yīng)當(dāng)保證的基本條件，由上述內(nèi)容可知，聲場近場區(qū)大于水的縱波聲速有利于保證超聲波在鋼管的入射表面上發(fā)生正常的折射，有效防止超聲波散射現(xiàn)象從而導(dǎo)致探傷靈敏度的降低，應(yīng)當(dāng)予以重視。

根據(jù)上述討論，可以選擇耦合水層的厚度約為鋼管厚度的三倍，這樣就能夠滿足基本的探傷水層要求。

四、結(jié)束語

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)對(duì)于質(zhì)量和品質(zhì)的要求越來越高，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也為我們提供了像超聲波探傷機(jī)這樣的無損檢測裝置，帶來了很大的經(jīng)濟(jì)效益。影響探傷機(jī)探傷檢測結(jié)果的因素有很多，本文主要討論了耦合水層的影響，并介紹了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

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