超聲波探傷時磁場對超聲波信號的影響

蔣桂通，王 猛，閆留青，路正道，常英魁

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

為解決導管架和組塊結構焊縫超聲波檢驗過程中遇到的眾多不便，比如：鋼樁和導管環(huán)焊縫探傷時需要頻繁轉管，焊縫處于狹窄、高處、弦外空間時，探頭很難或無法接觸到焊縫掃查面而增加檢驗難度的問題。設計一種用于焊縫探傷的超聲波探頭夾持工具，此探頭夾持工具主要由手柄、伸縮桿、旋轉軸、磁性探頭套組成。將探頭固定在磁性探頭套內(nèi)，磁性探頭套可將探頭與工件表面吸附，在不用手按壓的情況下使探頭與工件保持良好接觸和耦合，磁性探頭套與伸縮桿通過兩個旋轉軸連接，調(diào)節(jié)旋轉軸可使探頭上下左右旋轉，可使探頭各個方向掃查，根據(jù)需求調(diào)整伸縮桿長度，伸縮桿與磁性探頭套可自由拆裝，既可達到幫助手臂伸長的目的，又可達到解放手的情況下探頭依然穩(wěn)定吸附在工件表面的目的。在實現(xiàn)功能的同時，磁場是否會對超聲波信號產(chǎn)生影響，影響的程度是否進而影響到探傷結果成了關鍵問題。因此，有必要進行磁場對超聲波信號影響的試驗研究。

1 磁場的種類選擇

磁場主要分為動磁場和恒磁場，動磁場主要由交電流、脈沖電流、脈動直流電產(chǎn)生。恒磁場主要由永磁體產(chǎn)生，或者通以直流電的電磁場也能產(chǎn)生恒磁場。

在設計磁性探頭套時，由于探頭內(nèi)部的構造中含有電纜線、壓電晶片等部件，可能受到磁場的影響，如果探頭套采用動磁場，交流電、脈沖電流或脈動直流電本身會影響超聲波信號，其產(chǎn)生的動磁場可能對探頭的影響相對復雜，因此探頭套采用永磁體制作，產(chǎn)生的磁場是靜磁場[1]。這種磁場對探頭的影響會相對小些或者無影響，并且永磁體結構簡單容易實現(xiàn)。

2 器材選擇

器材選擇如下：（1）設備選USM35 超聲波探傷儀；（2）試塊選IIW 試塊；（3）永磁體4 塊，其中2塊S 極，2 塊N 極；（4）探頭2 組，第1 組是GE 的B5F 5Z20N直探頭和SIUI的5Z20N直探頭，第2組是GE 的 MWB 70-4 4MHz 8X9 斜探頭、SIUI 5Z10X10A70 斜探頭和多普勒的A5P10X10A70 斜探頭[2]。

3 試驗方案

4塊永磁體的磁力大小和磁極并非完全一樣，因此對永磁體進行編號：分別為A、B、C和D，磁力依次從小到大。A、B 同為S 極，相斥；C、D 同為N極，相斥；A與C相吸，B與D相吸。

將直探頭放置在IIW試塊25 mm面上，調(diào)整底波至深度顯示25 mm，波幅高度為滿屏的50%，記錄此時增益dB 值。用1 個永磁體、2 個相斥的同極永磁體、2個相吸的異極永磁體貼近探頭，測試磁場對超聲波信號的影響。將斜探頭放置在IIW試塊25 mm面上，調(diào)整底面端角反射波深度顯示25 mm，波幅高度為滿屏的50%，記錄此時增益dB 值。用1 個永磁體、2 個相斥的同極永磁體、2 個相吸的異極永磁體貼近探頭，測試磁場對超聲波信號的影響。

4 試驗實施

4.1 對直探頭進行試驗

（1）對GE 的B5F 5Z20N 直探頭進行測試，將探頭置于IIW25mm 面上，校準儀器，將底波高度調(diào)整到滿屏的50%，固定探頭，加永磁體觀察顯示屏上的深度讀數(shù)和波幅變化，先在上側加1個永磁體，再在側面加1個永磁體，最后在兩側加2個永磁體。不加磁體時，將底波高度調(diào)整到滿屏的50%，儀器顯示的dB 值為17.0 dB，加磁體后依然保持17.0 dB 的增益下，峰值高度滿屏的50%不變。

（2）對SIUI 的5Z20N 直探頭也進行同樣的測試，不加磁體時，將底波高度調(diào)整到滿屏的50%，儀器顯示的dB 值為20.0 dB，加磁體后依然保持20.0 dB的增益下，峰值高度滿屏的50%不變。

（3）兩個直探頭的測試結果如表1所示，從表中可以總結出，使用直探頭測試板厚或者板材中是否存在夾層時，磁場對直探頭產(chǎn)生的超聲波信號高度沒有影響[3]。由于Sa聲程沒有隨著施加磁場的變化而變化，說明磁場對直探頭產(chǎn)生的超聲波聲速也沒有影響[4]。

表1 直探頭測試結果

4.2 對斜探頭進行試驗

（1）對GE的MWB 70-4 4MHz 8X9斜探頭進行測試，將探頭置于IIW25 mm面上，校準儀器，將底面端角反射波高度調(diào)整到滿屏的50%，固定探頭，此時，增益為59 dB，峰值高度50%。

（2）在前面加一個磁體，波幅高度無變化，如圖1所示。

圖1 GE斜探頭前面加1個磁體測試

（3）在上側加一個磁體，波幅高度也無變化。

（4）但在側面加一個磁體后，峰值高度發(fā)生了變化，顯示波幅降低了10dB，也就是說磁場對超聲波信號高度產(chǎn)生了影響，此時使用的是磁場強度最小的磁體A，接下來使用磁體B、C、D進行測試。發(fā)現(xiàn)波幅降低分別為15 dB、17.2 dB、18.6dB，也就是說，磁場越大波幅降低的越明顯，如圖2所示。

圖2 GE斜探頭側面加1個磁體測試

（5）當在側面加兩個異極相吸磁體后，波幅高度發(fā)生了明顯變低，顯示高度不足滿屏的5%，說明波幅降低了超過20 db，如圖3所示。

圖3 GE斜探頭兩側加異極相吸磁體測試

圖4 GE斜探頭兩側加同極相斥磁體測試

表2 斜探頭測試結果

（6）當在側面加兩個同極相斥磁體后，波幅高度也發(fā)生了變化，但不是降低，而是增高，顯示波幅高度增加了3.2 dB，如圖4所示。

（7）以同樣的步驟測試SIUI 5Z10X10A70斜探頭和多普勒的A5P10X10A70 斜探頭，發(fā)現(xiàn)多普勒的A5P10X10A70斜探頭效果和GE的斜探頭一致，而汕頭超聲的斜探頭在各個方向施加磁體后波幅沒有任何變化，測試結果如表2所示。

4.3 試驗小結

在直探頭方面，無論磁體放在什么位置，都不會對探頭產(chǎn)生的超聲波信號產(chǎn)生影響[5]。

在斜探頭方面，磁場對SIUI 的斜探頭產(chǎn)生的超聲波信號幅度和聲速都沒有影響。

無論是哪種探頭，磁場對超聲波信號的聲速沒有影響[6]。

磁場對GE的斜探頭和多普勒的斜探頭產(chǎn)生的超聲波信號幅度有一定的影響，當磁體放在探頭前側和上側時沒有影響；當磁體放在探頭側面時影響明顯，且隨著磁場的強度加大而影響程度增大，兩側相吸的磁場使波幅降低最嚴重，兩側相斥的磁場反而使波幅有所增高。

5 結束語

對聲速的影響決定了對缺陷定位影響，對波幅高度的影響決定了對缺陷大小的評定[7]。在對特殊空間的焊口進行超聲波檢驗使用磁性探頭套時，直探頭和SIUI 的斜探頭產(chǎn)生的超聲波信號不受磁場影響，可以直接使用磁性探頭套。GE 的斜探頭和多普勒的斜探頭產(chǎn)生的超聲波信號受磁場會影響到波幅高度，但不影響聲速，也可以使用磁性探頭套，使用時先測試一下使用前后的波幅差值，將差值考慮進去再對缺陷進行定量也是可取的[8]。最通用的方法就是，不用考慮哪個型號的探頭，只要校準時使用了磁性探頭套，現(xiàn)場檢驗焊縫時依然使用磁性探頭套則不需要考慮磁場的影響。