薄壁管材的超聲波檢測方法的初步研究

摘 要：簡述了薄壁管材水浸檢測的原理，主要介紹聚焦形式、晶片尺寸、頻率、檢測儀器、管材、傳動裝置、檢測用水、對比試樣的制作等檢測要求，為薄壁管材提供了檢測理論基礎。進一步對檢測參數，如入射角、螺距、轉速、焦點位置的選擇以及檢測步驟和檢測注意事項進行了詳細的闡述，為薄壁管材的實際檢測提供了方法，并且論證了水浸檢測管材的可行性。

關鍵詞：薄壁管材 聚焦 晶片尺寸 頻率 入射角 焦點

中圖分類號：TH215文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0015-03

1 引言

在超聲波檢測中，隨著被檢對象的不同往往采用不同的超聲波型。對薄壁管材進行檢測時，由于壁厚較薄，與波長處于同一數量級，即T/D比（壁厚/外徑）小于20%的管材，為了實現有效的檢測，常用在管壁內激發橫波的方法進行。實際檢驗時，為提高檢測效率易于實現自動化，減少探頭的磨損，提高檢測的靈敏度和準確性，常采用水浸聚焦橫波法對其進行檢測。聚焦探頭較常規探頭來講，聲束指向性好，對提高探傷靈敏度、分辯力和信噪比均有利，在焦點處聲能更為集中，在中心軸線上聲壓強，近場區小。

2 檢測原理

管材超聲波水浸檢測是探頭發射的超聲波經過一段水后在進入試件的檢測方法。薄壁管材一般采用聚焦探頭，利用折射橫波進行檢測。原理如圖1。

由超聲波的理論可知，當水中入射的超聲縱波經折射進入管材時，管材內就能產生縱波L和橫波T。折射角根據折射定律。

（1）

式中：——水中聲速，——管材中縱，橫波的聲速，——入射角，——縱，橫波的折射角。

從上式可知，要進行純橫波檢測，入射角必須大于第一臨界角而小于第二臨界角，即入射角滿足：

arcsin（cL1/cL2）<а

3 檢測要求

3.1 探頭選擇

（1）探頭聚焦形式

用于管材水浸橫波檢測的聚焦探頭一般有線聚焦和點聚焦兩種形式。點聚焦聲束直徑小，長短缺陷的探測靈敏度都較高，但檢測速度慢。線聚焦探頭，長缺陷的檢出靈敏度比短缺陷的檢出靈敏度高。若以一定長度的缺陷為檢測靈敏度時，有些缺陷可能有誤檢和漏檢現象，但檢測速度快。選擇哪種探頭聚焦形式應根據技術標準要求進行。一般情況下，由于加工工藝，管材產生的缺陷主要為縱向延伸裂紋，批量生產，檢測任務大，所以檢測速度要快，檢測效率要高。綜合以上因素，選用線聚焦探頭檢測薄壁管材。

（2）探頭晶片尺寸和頻率

薄壁管材檢測中，所用的聚焦聲束實際上并不是聚焦成一點。在聲束軸線上由于焦點附近存在干涉現象，形成有一定長度的細聲束，如圖2，這段有一定長度的細束稱為焦柱。焦柱的寬度和長度公式給出為

（3）

（4）

式中：—聲束寬度，—聲束長度

—波長，—焦距，，—晶片半徑

在薄壁管材檢測中，利用這段焦柱進行檢測，當管徑很大時，壁厚絕對值較厚，考慮利用這段焦柱以外的聲束部分。從公式（3）和（4）可知：

（1）從公式（3）和（4）可知，焦柱的寬度、長度與晶片的頻率、尺寸有關，為了在管內激發純橫波，避免在管壁內聲波來回反射而產生波型轉換和形成復雜的干擾，為保證內外壁缺陷的檢出，要求焦柱的寬度必須足夠窄。

（2）焦柱寬度與焦距成正比，小焦距可以得到比較小的焦柱寬度，但焦距不能太小，否則半收斂角就會太大，使聚焦聲束在管壁折射進入管內時，由于像差大而聚不到一起，使用頂角錐度來衡量探頭特征的綜合要求，一般選擇聚焦探頭的焦距與晶片直徑之比即F/D選擇在2～4為宜。

（3）頻率與焦柱寬度成反比，提高頻率可以減小聲束寬度，但頻率過高，焦點尺寸會很小，影響檢測速度，因此，頻率要選擇適宜，一般在5～20MHz。

（4）為了盡量減少聲束擴散的影響，晶片直徑一般不小于20λ（水中波長），一般管材檢測中晶片直徑都大于20λ，但晶片直徑不能取得太大，晶片直徑大，雖使焦柱寬度變窄，但會造成焦柱長度嚴重變短。

3.2 檢測儀器

檢測儀器要靈敏度高，脈沖前沿上升時間短，脈沖要窄，而且脈沖的重復頻率要高，有界面跟蹤和自動報警系統，如USD-15型檢測儀。

3.3 管材

檢測時，管材表面應光滑，防止因表面粗糙引起檢測雜波出現誤判現象，內外表面應干凈無影響檢測的油污或其它臟物。對管材的不直度也要有一定的要求，以免旋轉時，產生振動使波不穩定。

3.4 球傳動裝置

管材水浸檢測時，傳動裝置有三種形式：（1）探頭固定不動，管子由機械傳動設備帶動作螺旋形前進，使探頭沿管子軸線作相對移動。（2）管子由機械傳動設備帶動作旋轉，探頭由傳動小車帶動沿管子軸線方向作勻速運動。（3）在探頭旋轉同時，管子由機械傳動設備帶動作直線送進，一般使用功能各異，形式不同的多個探頭，配合多通檢測。

以上幾種形式中不管采用哪種都要求必須運行平穩可靠且不會對管材造成損傷，調試操作方便運行過程中調試狀態保持不變等。一般多采用第（1）種，該種裝置有設計制造容易，造價便宜，調試簡單、方便等優點。

3.5 檢測用水

管材水浸檢測所用的水必須干凈，沒有影響檢測的懸浮物和氣泡等，實際生產中，可加入消泡劑或濕潤劑來減小影響。

3.6 對比試樣

對比試樣是調整檢測靈敏度和判斷缺陷允許與否的重要依據。對比試樣是根據有關技術要求在選取的試樣上加工人工標準缺陷制成的。人工標準試樣有V型和U型，V型試樣在車床上刻制，U型試樣一般用電火花刻制。對比試樣的材質，加工工藝規格等要與被檢管子相一致。

4 檢測主要參數的選擇

4.1 入射角的選取

在一般橫波檢測中，入射角一般在到第一臨界角和第二臨界角之間，但在管材檢測中，要求就更為嚴格。

在檢測中，為了避免出現干擾，焦柱的-6dB寬度應滿足下式：

（5）

式中m為折射率即，t為管壁厚，——折射角，——入射角。

如圖3以平板為例，若AC

聲波折射以后，聚焦細聲束的焦距長度變短，因此其焦柱長度相應變短，焦柱長度滿足公式6

（6）

式中——折射后焦柱的長度，——折射前在水中的焦柱長度

由公式（6）可知θ越小，則L2就越長，因此薄壁管檢測時一般要求焦柱寬度d-6dB滿足公式（5），折射后焦柱長度滿足公式（7）時的入射角。一般以管內橫波折射角為45°的入射角為佳。

為了使內外傷都能位于細束中，折射后的焦柱長度應大于圖4中AB+BC即應滿足：

（7）

式中：——折射聲束焦柱長度，——擴散角，t——管材后度

4.2 螺距的選擇

對管材進行檢測時，為了漏檢且不影響檢測速度，螺距的選擇是一個非常重要的因素，螺距應滿足公式（8）

（8）

式中：L——聲束有效長度，y——覆蓋率，Z——螺距。

4.3 管材相對探頭的轉速

為了使聚焦聲束脈沖能覆蓋整個管材表面而不致漏檢，管材相對探頭的轉速必須滿足：

（9）

式中：——重復頻率，d——聲束有效寬度，D——管材外徑，

k——系數，一般取2～3。

4.4 焦點位置的選擇（水距的選擇）

薄壁管材檢測時，內外缺陷的回波幅度與焦點的位置有關，改變焦點位置可以改變內外缺陷的相對幅度，達到內外表面缺陷相等或近似相等。把探頭水中的焦點放在與聲束軸線垂直的半徑上作為晶片位置，但對于小徑薄壁管材并不合適，實踐證明，使水中焦點適當進入管內，應選擇焦柱前端的聚焦聲束，使之與管壁相交，從而內外壁缺陷達到相近的反射高度。對壁厚較厚的薄壁管，可以利用焦柱外的部分檢測，一般取管內焦點在二次聲程中。

4.5 焦線長度與人工標準缺陷長度的關系

為了減小線聚焦探頭對短缺陷檢出能力差，對長缺陷誤檢的現象，在設計線聚焦探頭時應滿足：

（10）

5 檢測步驟

管材水浸檢測，常用對比試樣來調節儀器和水距、入射角等參數。調節好后，就可以對所需檢測的管材進行檢測。（方法如下）：（1）調節探頭，選擇合適的對比試管，使聲束軸線正好垂直于管軸，這時界面回波最大。（2）調偏心量（入射角），根據管材尺寸按折射角為45°計算好偏移量，調探頭偏移一定距離。（3）調進焦量，使聲束的焦柱進入管壁，以改變內外壁缺陷回波的相對幅波。（4）調整儀器使內外傷幅度達到標準報警幅度，并使內外傷幅度相近或一致。（5）開動傳動裝置，使對比試管多次通過，而且內外傷均能穩定報警。（6）完成以上工作后就可以對管材進行檢測檢驗。（7）按操作規程工作一定時間，再用對比試樣進行校準。如果符合要求，繼續檢測。否則，再調整到工作狀態，并對前一次校準以后探測的管子有懷疑的進行重測。

6 注意檢測事項

（1）檢測前應用皮塞堵住管材兩頭，防止水進入管材時出現的干擾波。（2）防止管材檢測時，管子顫動幅度較大，對檢測造成的影響。為做到這一點，及時更換合適的導套，導套的間隙要符合一定的要求。（3）出現異常情況時，應立即關機并查找發生異常的原因，及時排除后，應用對比試樣對探測系統重新進行校準。

管材的這套水浸檢測方法，既減小了探頭的磨損，又提高了檢測的速度。不僅滿足了生產需要，而且為用戶提供了高質量的產品，可以成為生產管材的廠家及檢測公司首選的檢測方法。

7 結語

為了保證薄壁管材缺陷的檢出，水浸聚焦超聲波檢測需要選擇合適的焦點，焦柱，探頭的直徑，檢測頻率，入射角，螺距等檢測參數，另外還應依照正確的檢測步驟來進行。通過對對整個原理及檢測步驟的敘述，薄壁管水浸超聲檢測完全是可行的，并可用于大規模的的生產檢驗中。

參考文獻

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