厚壁管材水浸超聲檢測對缺陷的定位方法研究

王建新1. 曹紀綱2. 陳霆霆1.

1.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司; 2.中國航天科工運載技術(shù)研究院

厚壁管材水浸超聲檢測對缺陷的定位方法研究

王建新1. 曹紀綱2. 陳霆霆1.

1.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司; 2.中國航天科工運載技術(shù)研究院

厚壁管材壁厚與外徑的比在0.23以上，用超聲檢測時，在管材中同時存在折射橫波、折射縱波，這對缺陷的定位、定量造成很大的困難，本文主要針對在管材中同時存在兩種波形超聲檢測的特殊性，結(jié)合理論分析及對實際缺陷的檢測，解決了厚壁管材超聲檢測缺陷的定位問題。

厚壁管材超聲檢測 缺陷 定位

一、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，厚壁管材的應(yīng)用也越來越廣泛，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、石油、化工、特種設(shè)備等不同領(lǐng)域。因此，厚壁管材的檢測在整個生產(chǎn)制造與驗收檢測中意義十分重要。超聲波檢測以其較好的探測深度和較高的靈敏度，能夠有效地對管材內(nèi)部缺陷進行檢測。當厚壁管材壁厚與外徑的比在0.23以上，用超聲檢測時，管材中同時存在折射橫波、折射縱波。管材超聲檢測中，內(nèi)部同時存在兩種波型對缺陷的定位、定量會造成很大的困難。目前，國內(nèi)壁厚與外徑的比在0.23以上的厚壁管材超聲檢測標準很少，根據(jù)查詢有WJ2545-1999 《火炮身管接觸法超聲波檢測方法》、WJ2561-2001《火炮厚壁身管水浸超聲波檢測方法》、GB/T5777-2008 《無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法》等標準，但以上標準都沒有詳細規(guī)定對缺陷的定位方法。

實際檢測當發(fā)現(xiàn)缺陷波時，判斷缺陷是橫波還是縱波發(fā)現(xiàn)的比較困難，分析不清是橫波還是縱波發(fā)現(xiàn)的缺陷，就不能準確地對缺陷進行定位和定量，本文就是針對以上存在的問題，主要研究分析厚壁管材超聲水浸檢測方法對缺陷的定位，并通過多年的理論和實踐經(jīng)驗研究分析，總結(jié)出了幾種區(qū)分缺陷及對缺陷進行定位的方法。

二、厚壁管材超聲檢測方法原理

當壁厚與外徑之比在0.23以上，用水浸聚焦超聲檢測管材縱向缺陷時，應(yīng)調(diào)整探頭的入射角即調(diào)整探頭的偏心距，使橫波主聲束與管材內(nèi)壁相切，這時在管材中同時存在折射橫波和折射縱波，見圖1。

圖1 橫波主聲束與管材內(nèi)壁相切圖

圖中：X為偏心距；H為水聲程；αl為入射角；βs為橫波折射角；βl為縱波折射角；S為折射橫波；L為折射縱波。

（1）偏心距按公式⑴計算：

式中：

Cw—超聲波在水中的速度（1480m/s）；

CS—超聲橫波在鋼中的速度（3230m/s）；

r—管材的內(nèi)經(jīng)（mm）。

（2）入射角窗口

Δα的選擇水浸超聲檢測時，由于探頭與工件間有著一定的距離。超聲波從探頭中發(fā)射出來后有一個擴散角，由于被檢測管子曲面的影響，因而有一部分入射角過大的超聲波，折射后橫波射不到內(nèi)壁。另一部分入射角過小的超聲波，折射后縱波射到內(nèi)壁，引起對波型判斷時的困難。因此必須使用聚焦探頭，并把入射波束限制在一定的窗口里。若使橫波與內(nèi)壁相切，其入射角按公式⑵計算：

式中：

R—被檢管外半徑；其他符號同公式⑴。

（3）水聲程H可按公式⑶計算：

式中：

H —水聲程，mm。

XS—橫波聲束與管材內(nèi)壁相切時聲程；

XL—折射到管材外壁縱波聲程；

CL—鋼中的縱波聲速；

其他符號同公式⑴。

（4）水中焦距F按公式⑷計算：

厚壁管材水浸超聲檢測使用水浸聚焦超聲檢測探頭，應(yīng)使聚焦點（P）落在與聲束中心軸垂直的管材半徑上，如圖2所示，此時：

圖2 聚焦點位置

式中：

符號同以上公式⑴、⑵、⑶。

分析研究了以上厚壁管材超聲檢測方法原理，下面研究討論對缺陷進行的定位方法。

三、對缺陷的定位方法

（一）采用儀器時基線對缺陷定位

檢測前需用超聲檢測對比試塊調(diào)整儀器的時基線性（掃描速度），調(diào)整好后，檢測當發(fā)現(xiàn)缺陷時，初步可根據(jù)時間或聲程對缺陷進行定位。

（二）根據(jù)缺陷波游動情況對缺陷定位

在管材中同時存在折射橫波和折射縱波，當檢測發(fā)現(xiàn)缺陷波時，一般情況下，缺陷波游動較大，說明是折射縱波發(fā)現(xiàn)的管材的外壁缺陷，缺陷波游動較小，說明是折射橫波發(fā)現(xiàn)管材的內(nèi)壁缺陷。

（三）調(diào)整偏心距對缺陷定位

當發(fā)現(xiàn)缺陷波時，將自動檢測車停下來，管子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在水聲程、焦距不變的情況下，這時將偏心距增大幾毫米，同時還能觀察到游動的缺陷波，從圖1可以知，入射角增大，縱波折射角βl增大；折射縱波更容易發(fā)現(xiàn)管材外壁的缺陷，說明是折射縱波發(fā)現(xiàn)管材的外壁或近外壁缺陷。

（四）縱波垂直徑向入射對缺陷定位

當發(fā)現(xiàn)缺陷波時，可用縱波直探頭徑向垂直入射即入射角為0°（偏心距為0），如果發(fā)現(xiàn)的缺陷是較大的夾雜、氣孔、分層類缺陷，這時如果還可以發(fā)現(xiàn)缺陷波，可直接采用直入射縱波對缺陷進行深度定位。

（五）用計算公式對缺陷進行定位

發(fā)現(xiàn)缺陷波時，如能確定是折射橫波發(fā)現(xiàn)的缺陷，從圖3中可找出缺陷深度h、弧長L、中心角θ、聲程S和折射角βs之間的關(guān)系，根據(jù)圖3中幾何關(guān)系，可得缺陷位置的有關(guān)參數(shù)，可按公式（5）計算缺陷的位置。

缺陷位置可由圖3確定。

圖3 缺陷定位圖

K＝tgβs

式中：h－缺陷深度（mm）；

R－管材外半徑（mm）；

M－系數(shù)；

K－K值；

L－弧長，弧度；

θ－中心角，角度；

S－聲程（mm）；

βs－折射角；

CS－鋼中橫波聲速；

CW－水中縱波聲速；

X－偏心距。

四、結(jié)語

通過以上對缺陷定位方法的研究，結(jié)合理論分析及對實際缺陷的檢測，并對部分厚壁管材缺陷定位進行裁剖試驗驗證，驗證結(jié)論和實際超聲檢測結(jié)果相符合。

[1] WJ2561-2001《火炮厚壁身管水浸超聲波檢測方法》.

[2] GB/T5777-2008 《無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法》.

[3]全國特種設(shè)備無損檢測人員資格考核統(tǒng)編教材.超聲檢測.中國勞動社會保障出版社，2007.3.