無縫彎頭超聲波檢測

程寒亮，潘學(xué)銘，賈景勝

（浙江無損檢測工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311200）

無縫彎頭在化工、火電、核電等各個行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，無縫彎頭是以無縫鋼管為原材料，通過冷彎或熱彎加工成所需要的形狀。在彎管制作過程中，裂紋是最常見也是危害最大的彎管缺陷，它的存在給火力發(fā)電廠、核電站的安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的隱患。對中大口徑無縫彎頭的體積檢測，特別是對裂紋的檢測，超聲波檢測是最常用也是最有效的檢測方法，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，通常采用手工A 型脈沖反射法橫波檢測，在無縫彎頭外表面分別進(jìn)行正反兩個方向的縱向檢測和周向檢測以發(fā)現(xiàn)橫向缺陷和縱向缺陷[1]。

1 探頭的選擇

1.1 頻率的選擇

由于波的繞射，使超聲波檢測靈敏度約為λ/2，提高檢測頻率，超聲波波長短，有利于提高檢測靈敏度，發(fā)現(xiàn)更小的缺陷。但頻率越高，衰減越大，信噪比下降。因此檢測時需要根據(jù)所檢測的無縫彎頭的材質(zhì)和壁厚選擇合適的頻率，對于厚度不大的工件或細(xì)晶粒的碳鋼、低合金鋼等無縫彎頭，可選用頻率為5MHZ的探頭進(jìn)行超聲波檢測，對于厚度較大或晶粒粗大的奧氏體不銹鋼等材料可選用頻率為2.5MHZ 的探頭進(jìn)行超聲波檢測[2]。

1.2 探頭晶片尺寸的選擇

探頭晶片尺寸越大，半擴(kuò)散角越小，聲束指向性越好，超聲波能量就會越集中，有利于聲束軸線附近的缺陷的檢出。并且晶片尺寸越大，輻射的超聲波能量也就越大，探頭未擴(kuò)散區(qū)掃查范圍也將變大，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)距離缺陷的能力會增強(qiáng)。但由于檢測無縫彎頭，當(dāng)彎頭彎曲角度較大時，較大晶片尺寸會造成在無縫彎頭內(nèi)彎處和背彎處掃查時探頭與彎頭耦合不良，當(dāng)彎管管徑較小，探頭尺寸較大時同樣會造成耦合不良，影響檢測靈敏度，因此應(yīng)根據(jù)彎頭管徑和彎曲角度選擇合適的晶片尺寸。

由于做周向檢測時，探頭與彎頭耦合效果不佳，會影響檢測靈敏度，因此需選擇帶曲率探頭或手工將探頭斜楔進(jìn)行修磨，使探頭與彎頭表面曲率一樣或具有接近的弧面。修磨需在所檢測彎頭或與彎頭具有相同管徑的管子上進(jìn)行，在管子表面墊上砂布，用選好的斜探頭先沿管子的軸向磨，在沿周向磨，不斷調(diào)整直至耦合良好。修磨時需不斷觀察探頭，不能過度追求耦合致使斜楔修磨太大而損壞晶片。

1.3 探頭折射角的選擇

彎頭沿外圓作周向檢測時，通常希望管材中只存在純橫波進(jìn)行檢測，且需保證聲束軸線能夠掃查到彎管內(nèi)壁以保證檢測靈敏度且不會造成漏檢。

（1）純橫波檢測條件。當(dāng)聲束入射角（α）在第一臨界角和第二臨界角之間時，管材中只有折射橫波，即：

arcsinCL1/CL2 ＜α ＜arcsinCL1/CS2

其中CL1 為有機(jī)玻璃中縱波聲速（CL1=2730m/s），CL2 為彎管中的縱波聲速（CL1=5900m/s），CS2 為彎管中橫波聲速（CS2=3230m/s）。

可得：27.6°＜α＜57.7°，此時折射角β 需滿足β＞33.2°。

（2）聲束軸線到達(dá)內(nèi)壁的條件。圖1 為超聲波聲束軸線與內(nèi)壁相切時的聲束路徑示意圖，當(dāng)超聲波聲束進(jìn)入彎管（壁厚為t，外徑為D），折射角為β。聲束按鋸齒形路徑傳播，入射到彎管內(nèi)壁時，入射角為β1 ，聲束軸線與彎管內(nèi)壁相切時，為聲束到達(dá)內(nèi)壁的臨界狀態(tài)，此時折射角β 滿足下列關(guān)系：

Sinβ=r/R=1-2t/D，因此可推出聲束軸線到達(dá)內(nèi)壁的條件為Sinβ ＜r/R=1-2t/D，折射角β需滿足：β ＜arcsin(r/R)=arcsin（1-2t/D），由折射定律入射角α需滿足：α ＜arcsin(0.845r/R)=arcsin[0.845（1-2t/D）]。

圖1 超聲波聲束軸線與內(nèi)壁相切時聲束路徑示意圖

所以，超聲波檢測時彎管中為純橫波的條件下，聲束軸線能夠到達(dá)內(nèi)壁折射角需滿足的條件是：33.2°＜β ＜arcsin(r/R)=arcsin（1-2t/D）。

2 試塊

2.1 標(biāo)準(zhǔn)試塊

標(biāo)準(zhǔn)試塊可用與被檢彎頭材質(zhì)相同或相近的CSK-IA 試塊。標(biāo)準(zhǔn)試塊用于軸向檢測時，探頭入射點(diǎn)、折射角、零偏的測定和聲速的校準(zhǔn)。

2.2 對比試塊

對比試塊的制作應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件的要求，一般選取與被檢鋼鋼管規(guī)格相同，材質(zhì)、熱處理工藝和表面狀況相同或相似的鋼管制備；或選取一根與待檢管材的公稱直徑、壁厚、材質(zhì)、表面光潔度和聲學(xué)性能完全相同的一段管材制作。所選取的試塊的材料不應(yīng)有不均勻性或其他可產(chǎn)生影響標(biāo)準(zhǔn)槽口檢測顯示的其他情況，對比試塊的長度應(yīng)滿足相關(guān)要求。

檢測縱向缺陷和橫向缺陷所用的人工反射體應(yīng)分別為平行于彎管軸線的橫向槽和垂直于彎管軸線的橫向槽，人工反射體的加工應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件的要求。

3 靈敏度調(diào)節(jié)

3.1 軸向檢測

在彎管外表面平行于管軸線做正反兩個方向的掃查以發(fā)現(xiàn)橫向缺陷。檢測開始前先在標(biāo)準(zhǔn)試塊上測定探頭的前沿、探頭入射點(diǎn)、探頭折射角和聲速校準(zhǔn)，然后利用對比試塊上垂直于彎管軸線的人工反射體調(diào)節(jié)靈敏度，將內(nèi)表面人工反射體直射波最高回波調(diào)至滿屏的80%，然后找到外表面人工反射體的一次反射波和內(nèi)表面人工反射體的二次反射波，三者波峰的連線為距離-波幅曲線，該曲線為基準(zhǔn)靈敏度。一般在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)上提高6dB 作為掃查靈敏度。

3.2 周向檢測

在彎管外表面垂直于管軸線做正反兩個方向的掃查以發(fā)現(xiàn)縱向缺陷。由于做周向檢測的探頭已經(jīng)修磨為與彎管曲率半徑相同的曲面，此時探頭的入射點(diǎn)、零偏和折射角均已發(fā)生變化，并且此時探頭斜楔表面為曲面，不能用常規(guī)方法測定入射點(diǎn)、零偏和折射角。

（1）曲面探頭入射點(diǎn)的測定。利用棱角反射法測試曲面探頭的入射點(diǎn)。如圖2，將探頭斜楔的圓弧置于試塊的棱角上，前后移動探頭，使棱角發(fā)射波最高時試塊出對應(yīng)的點(diǎn)為探頭入射點(diǎn)。測量出此時的前沿距離。

圖2 入射點(diǎn)的測定

（2）曲面探頭折射角的測定。折射角的測定是保證修磨后的探頭折射角滿足1.3 的要求。曲面探頭的折射角利用已經(jīng)制作的對比試塊來測定。如圖2，在試塊外表面周向移動探頭，先找出內(nèi)壁人工反射體直射波的最高回波，記錄此時儀器示波屏上顯示的聲程記為a；然后找出外壁人工反射體的最高回波，記錄此時儀器示波屏上顯示的聲程記為b，設(shè)探頭的零偏為δ，試塊中的一次波聲程為Ws，則有：a=Ws+δ；b=2Ws+δ，所以Ws=b-a。

在如果圖3 所示的OBA 中，有余弦定理得探頭折射角為：

圖3 折射角的測定

計(jì)算所得折射角β 需滿足：

折射角越小，對應(yīng)的可檢測壁厚越大，理論上講，β=33.2，K=0.65 時，可檢測的壁厚最大為t/D=0.2262，r/R=0.5476。但由于這時的橫波聲壓往復(fù)透射率低，容易漏檢（如圖3.2-3），因此實(shí)際檢測中折射角應(yīng)選的大一些。

圖4 有機(jī)玻璃/鋼界面上的聲壓往復(fù)透射率

（3）靈敏度調(diào)節(jié)。由于周向檢測時缺陷的定位與平面不同，故不采用常規(guī)的靈敏度調(diào)節(jié)和距離-波幅缺陷的制作。儀器調(diào)節(jié)采用手動調(diào)校，在參數(shù)中輸入探頭修磨前在標(biāo)準(zhǔn)試塊上測得的聲速，輸入3.2.1 中所測得的前沿，按儀器調(diào)校鍵，輸入

3.2.2 中所測得的零偏δ。

在對比試塊上找出內(nèi)壁人工反射體的最高回波，調(diào)節(jié)儀器中折射角數(shù)值，使儀器中顯示的深度數(shù)值和試塊人工反射體的深度數(shù)值相等，雖然此時儀器顯示的深度并非真正的試塊人工反射體的深度，但數(shù)值的相等有利于檢測時缺陷深度方向的定位。

將內(nèi)表面人工反射體直射波最高回波調(diào)至滿屏的80%，測量記錄此時探頭至人工反射體的弧長L，然后找到外表面人工反射體的一次反射波和內(nèi)表面人工反射體的二次反射波，三者波峰的連線為距離波幅-曲線，該曲線為基準(zhǔn)靈敏度。一般在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)上提高6dB 作為掃查靈敏度[3]。

4 缺陷定位

曲面檢測對缺陷準(zhǔn)確定位的難度較大，檢測時儀器上顯示的深度數(shù)值，即為缺陷的實(shí)際深度HQ，若對比試塊人工反射體的深度為H,探頭至人工反射體的弧長L，則檢測時探頭至發(fā)現(xiàn)缺陷的弧長LQ 進(jìn)行近似計(jì)算:LQ=HQ×L/H。

5 結(jié)論

實(shí)際檢測工作中周向檢測相對于縱向檢測難度較大，檢測時首先要選擇合適的探頭，根據(jù)相關(guān)要求制作對比試塊。周向檢測時儀器中的折射角數(shù)值不一定非為探頭的實(shí)際折射角，為了深度方向缺陷的判定和定位方便，可將折射角調(diào)至所需要的數(shù)值。無縫彎管制作缺陷以裂紋居多，且如果發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷彎管直接報(bào)廢不進(jìn)行返修，所以無需對缺陷進(jìn)行很精確的定位?？筛鶕?jù)公式HQ×L/H 大致計(jì)算缺陷的水平位置。