高頻焊管超聲探傷曲面探頭K值與入射點位置的測定

余國民 ， 李 黎 ， 楊 釗

（1.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

0 前言

HFW焊管外徑通常在159～610 mm，管徑較小，焊縫超聲探傷通常采用的是曲面探頭。早前沒有專門廠家制作曲面探頭時，使用者通常將探頭采用砂布人工修磨成與被測鋼管外徑近似的曲面，以增加耦合面。現在國內已經有許多探頭商家可根據用戶提供的規格型號制作出專門的曲面探頭，無需人工修磨。而且探頭商家供貨時直接給出了曲面探頭的各個參數，如材質、頻率、K值和入射點位置（前沿長度）等，使用者可以方便使用。但是，據筆者了解，很少有使用者重新測定校準所購買探頭的K值和入射點位置等參數。如果商家給出的K值、入射點誤差較大，則在實際探傷中測定缺陷的位置、儀器定標調節就可能造成比較大的偏差，直接影響探傷效率和結果。本研究為焊管制造企業介紹了兩種可以自己測量曲面探頭K值和入射點位置的方法，以期解決高頻焊管超聲探傷對缺陷的定位問題，提高高頻焊管超聲探傷的缺陷檢出效率。

1 V形槽試塊測定法

在被檢鋼管上截取一小段，制作對比試塊，在試塊某處同一直徑的內外壁上各加工一個60°的V形槽，槽深1～2 mm，如圖l所示。該對比試塊的寬度應滿足

式中：b-試塊寬度；

λ-橫波波長；

S-聲程；

De-聲源有效直徑。

圖1 災形槽試塊示意圖

在圖1所示的對比試塊上移動探頭，一次波找到內V形槽最高波，二次波找到外V形槽最高波，可測得內外壁V形槽最大回波高度時的簡化弧長L1與L2， 按式（2）和式（3）求得探頭的K值和入射點位置（幾何證明過程略）。

式中：K-實測斜探頭K值；

β-實測斜探頭在鋼管中的折射角；

R-鋼管外半徑；

r-鋼管內半徑；

L1-一次波探頭前端至內壁的弧長；

L2-二次波探頭前端至外壁的弧長；

L-探頭的（入射點）前沿長度。

表1為供應商購買的某批曲面探頭與V形槽試塊的比較值，共試驗了6個曲面探頭。從試驗數據可以看出，采用V形槽試塊測量曲面探頭K值和入射點位置方法可行。

表1 曲面探頭與災形槽試塊對比數據

2 雙弧單孔測定法

根據被檢鋼管的情況，設計了雙弧單孔校準試塊，如圖2所示。

圖2 雙弧單孔測定法示意圖

圖2中試塊圓弧半徑R2與被檢鋼管半徑相同，圓弧半徑R1與被檢鋼管半徑近似，φ為一橫通孔（φ2 mm×20 mm），距測試面距離為澡。

2.1 入射點位置測定

入射點位置的測定如圖3所示，探頭置于探測面上朝向無橫孔的方向探測，找到R1所在圓弧面上的最大回波幅值時，圓心刻線（圖3法線與R2弧交點刻度線，R1弧的圓心）即對準入射點，由此得到探頭前沿值。

圖3 入射點位置測定示意圖

2.2 運值（折射角β）的測定

在上述探測中，儀器的時基線按聲程確定，調整儀器的延時使R1圓弧面的回波信號調整到R1處，即完成了儀器掃描基線校準。

掃描基線調整完畢后，將探頭調轉方向探測φ2 mm橫孔，找到孔的最大回波幅值后讀出其聲程S，求出折射角，即

式中：R2-被測鋼管半徑；

S-孔的回波聲程 （儀器讀出）；

h-孔距表面的距離。

3 應用效果

筆者就常規斜探頭人工修磨法與V形槽試塊測定法、雙弧單孔測定法實際應用效果進行了對比，采用同一廠家的2.5P10×10K2普通斜探頭和同規格2.5P10×10K2曲面斜探頭測試φ406.4 mm×12.7 mm-L415M規格HFW鋼管制作的試塊；2.5P8×10K2.5普通斜探頭和同規格2.5P8×10K2.5曲面斜探頭測試φ355.6 mm×8 mm-L360M規格HFW鋼管制作的試塊。對普通斜探頭人工修磨成近似鋼管曲面接觸面，對修磨后的普通斜探頭和曲面探頭用V形槽試塊法、雙弧單孔法測定其實際K值和入射點距離。由于制管廠沒有V形槽和雙弧單孔試塊加工制作條件，該兩種規格試塊由超聲試塊制作廠家提供，采用武漢中科HS610e型數字超聲波探傷儀測試，結果見表2和表3。

表2 2.5P10伊10K2探頭K值和入射點位置測定結果

表3 2.5P8伊10K2.5探頭K值和入射點位置測定結果

實際探頭參數的測試結果表明，人工修磨曲面的探頭參數已經明顯改變，已不能應用。為驗證其校驗結果，仍然用此探頭的標稱參數進行儀器聲程1∶1時基線調節，發現儀器上的橫波速度已達到3 857 m/s（常溫下橫波波速為3 230 m/s），顯然誤差較大，影響了缺陷檢出率和可靠性。

采用表2和表3測試的參數進行儀器時基線1∶1聲程調節，用該兩種試塊調節時很容易找到人工缺陷位置。調節完畢后，通過實際測量試塊上的人工缺陷距離和探傷儀器顯示的距離，兩者非常接近 （≤1 mm），說明了采用V形槽試塊測定法和雙弧單孔測定法測量探頭K值和入射點位置的可靠性和缺陷檢出率較高。

4 結論

（1）采用V形槽試塊測定法和雙弧單孔測定法可以測量出曲面探頭K值和入射點位置。

（2）V形槽試塊焊管廠家可自行加工，使用比較方便；而雙弧單孔試塊需要試塊廠家專門定做，但是定做試塊的尺寸比較精確。

（3）無論用哪種方法測定曲面探頭的K值和入射點，都需要操作者有足夠的耐心和細心。因為試塊加工尺寸要求精度高，超聲探傷儀器調節時要求定標誤差越小越好，否則影響測量結果。

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