工業(yè)管道超聲波檢測技術(shù)條件的選擇

李俊(曲靖市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000)

0 引言

TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則-工業(yè)管道》自2018年5月1日實(shí)施，對(duì)工業(yè)管道的定期檢驗(yàn)有了新的要求。其中，對(duì)于埋藏缺陷的檢測[1]，標(biāo)準(zhǔn)要求采用NB/T 47013—2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的射線或者超聲檢測方法[2]。對(duì)于一般的管道環(huán)向焊接接頭，采用射線檢測可以取得較好的檢測效果，并且能將射線底片保留作為檢測的永久證據(jù)，所以射線檢測在壓力管道定期檢驗(yàn)中運(yùn)用最為廣泛，但是對(duì)于有些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，射線檢測實(shí)施有困難而又被抽檢到的焊接接頭，超聲波檢測將成為埋藏缺陷的不二選擇。管道環(huán)向焊接接頭，由于其檢測面為曲面，超聲波檢測時(shí)，其技術(shù)參數(shù)的選擇和平板對(duì)接焊接接頭相比，更具特殊性，研究其技術(shù)條件的最佳搭配，對(duì)于提高缺陷檢出率和保障設(shè)備安全具有重要意義。

1 超聲波探頭的選擇

探頭頻率和晶片尺寸是對(duì)缺陷檢出率影響較大的關(guān)鍵因素，對(duì)于探頭的頻率，頻率大小對(duì)于檢出最小缺陷的尺寸有直接的關(guān)系，超聲波的聲速、頻率、波長有如下關(guān)系：

對(duì)于既定的檢測材料，其內(nèi)部超聲波的聲速也是既定的，當(dāng)頻率f越高，其波長越小，而超聲波檢測能發(fā)現(xiàn)的最小缺陷大約為λ/2[2]，因此，從能發(fā)現(xiàn)最小缺陷的角度來說，超聲波的頻率應(yīng)盡量選擇高一點(diǎn)。

對(duì)于探頭晶片尺寸的選擇，根據(jù)NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測》4.2.2.2條的要求規(guī)定，對(duì)于圓形晶片，其直徑應(yīng)≤40mm；對(duì)于方型晶片，其任意邊長應(yīng)≤40mm，晶片尺寸對(duì)于超聲波檢測的影響主要體現(xiàn)在半擴(kuò)散角和近場區(qū)長度，晶片尺寸越大，對(duì)應(yīng)的半擴(kuò)散角越小，而近場區(qū)長度和晶片尺寸有如下關(guān)系：

從近場區(qū)越小越好的角度出發(fā)，晶片尺寸越小則其近場區(qū)長度越小，對(duì)檢測越有利。在NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測》中，壓力管道焊接接頭分為I型焊接接頭和II型焊接接頭，其中對(duì)于工件厚度為5～150mm，外徑≥159mm的區(qū)分為I型焊接接頭，其他的區(qū)分為II型焊接接頭。I型焊接接頭的超聲波檢測技術(shù)條件與平板對(duì)接焊接接頭無異，在此不做討論。對(duì)于II型焊接接頭，NB/T 47013.3—2015第6.4.3.1條：推薦采用線聚焦探頭和雙晶斜探頭，探頭頻率一般采用4～5MHz，當(dāng)管壁厚大于15mm時(shí)，采用2.5～5MHz；探頭的契塊應(yīng)加工成與接管外徑相吻合的形狀。對(duì)于探頭K值的選擇，根據(jù)NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測》的要求，可以按表31的要求選擇[2]。

對(duì)于II型焊接接頭超聲波檢測探頭的K值選擇，一般選擇大K值的探頭，而且其探頭前沿較短。這是由于對(duì)于管道環(huán)向焊接接頭而言，在焊接接頭的根部比較容易產(chǎn)生缺陷，而采用大K值，短前沿的探頭，可以至少保證一次波能掃查到焊接接頭的根部。

2 耦合劑的選擇

在探頭和工件之間使用耦合劑是為了保證在異質(zhì)界面上有足夠的聲強(qiáng)透射率，當(dāng)探頭和檢測面之間有存在空氣薄層時(shí)，超聲波在傳輸過程中會(huì)在空氣界面上方被全部反射回探頭契塊，而無法接收到任何關(guān)于被檢工件內(nèi)部的超聲返回的信息[3]。耦合性能良好的物質(zhì)，能很好的填充探頭與檢測面之間的間隙，使超聲波能夠傳輸至工件，而工件內(nèi)部如果有反射信號(hào)，也使得信號(hào)能夠被探頭所接收，使超聲檢測缺陷成為可能。而除了給信號(hào)傳輸提供穩(wěn)定路徑以外，耦合劑的另外一個(gè)作用是潤滑。由于耦合劑的存在，使探頭和工件之間的摩擦力得以減小，可以防止工件表面磨損探頭，探頭移動(dòng)也更為方便。其作用可以歸納為以下3 點(diǎn)：(1)為超聲信號(hào)在探頭契塊和工件之間的傳輸提供一個(gè)穩(wěn)定傳輸?shù)穆窂剑?2)通過耦合劑的聲阻抗性能，減少界面聲能損失，使更多的聲能到達(dá)工件以用于檢測；(3)潤滑作用，減少摩擦阻力和探頭的磨損。

在壓力管道的超聲波檢測中，對(duì)耦合劑的要求比一般設(shè)備要更為嚴(yán)格，因?yàn)閴毫艿篱L期承受壓力和介質(zhì)的共同作用，這要求管道檢驗(yàn)中的耦合劑對(duì)工件應(yīng)沒有腐蝕作用，而且對(duì)人員無毒無害，檢測完畢后能夠方便快捷的清除干凈。在工程實(shí)踐中，常用的耦合劑有變壓器油，甘油，水，機(jī)油，化學(xué)漿糊等，就聲壓往復(fù)透射率而言，化學(xué)漿糊19≥甘油12.5≥機(jī)油11[4]。

壓力管道環(huán)向II型焊接接頭超聲波檢測時(shí)，因檢測面為曲面，且其曲率半徑較小，雖然探頭契塊一般會(huì)加工成與檢測面相吻合的形狀，但是探頭契塊和檢測面之間還是難以避免會(huì)存在空氣間隙，選擇合適的耦合劑對(duì)檢測面和探頭之間的間隙進(jìn)行填充，對(duì)于提高檢驗(yàn)質(zhì)量具有重要意義。在壓力管道環(huán)向II型焊接接頭的超聲波檢測中，針對(duì)上述常用的耦合劑甘油，機(jī)油，化學(xué)漿糊進(jìn)行如下適用性分析：

(1)甘油由于其聲阻抗特性，在三種耦合劑中能達(dá)到最好的耦合效果，但是在使用時(shí)候，需要用水對(duì)其進(jìn)行稀釋，對(duì)工件具有一定的腐蝕性，如果使用，則應(yīng)邊檢測邊清洗，價(jià)格也較為昂貴。

(2)機(jī)油取材較為方便，對(duì)工件表面有良好的潤濕功能，具有一定的粘度，價(jià)格低廉，目前是最常用的耦合劑。

(3)化學(xué)漿糊適應(yīng)性較強(qiáng)，通過調(diào)節(jié)其濃度可以用在各種凹凸曲面上，且價(jià)格便宜，在超聲檢測中運(yùn)用得越來越廣泛。

3 對(duì)比試塊的制作

壓力管道環(huán)向焊接接頭所采用的對(duì)比試塊應(yīng)采用與被檢工件化學(xué)成分相似，且外形尺寸(主要是指曲率)應(yīng)和被檢管道的尺寸相接近。

對(duì)于壓力管道來說，應(yīng)采用的試塊是GS系列，其形狀和尺寸應(yīng)符合NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 超聲波檢測》圖23和表30的規(guī)定。在制作時(shí)候，應(yīng)根據(jù)被檢管道的外徑進(jìn)行相應(yīng)試塊的制作，再使用試塊完成DAC曲線的制作。

4 實(shí)驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證不同耦合劑和不同K值的探頭，對(duì)同一缺陷的檢測敏感性，本文制作了一個(gè)模擬缺陷試件，試件尺寸管道定期檢驗(yàn)時(shí)候最常遇見的φ89×5管管對(duì)接焊接接頭，所模擬的缺陷為未焊透，采用以下組合對(duì)缺陷進(jìn)行檢測，5P6×6K2.5，探頭前沿為4，和6；5P6×6K3.0探頭前沿分別為4和6，耦合劑分別采用甘油，機(jī)油，化學(xué)漿糊，進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見圖1?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：

(1)采用小晶片探頭能夠檢測出φ89×5管管對(duì)接焊接接頭的未焊透缺陷；

(2)不同探頭前沿值的探頭，對(duì)檢測信號(hào)的幅值具有影響，“短”前沿的探頭總是能得到比“長”前沿的探頭更高的信號(hào)幅值；

(3)在三種耦合劑的對(duì)比上，采用濃度可調(diào)的化學(xué)漿糊所得到的信號(hào)幅值在同等條件下總是最高的。

圖1 檢測結(jié)果

5 結(jié)語

對(duì)于壓力管道II型焊接接頭的超聲波檢測，只要采用合適的探頭和適宜的耦合劑相搭配，完全有能力檢測出缺陷。對(duì)于耦合劑和探頭的選擇，通過實(shí)驗(yàn)論文可以得知，選用大K值和短前沿的探頭，在同等條件下能得到最大的信號(hào)幅值。