關于對大容積鋼制無縫氣瓶水浸探傷的理解

楊靜，高明，王騫

（中國特種設備檢測研究院，北京 100029）

長管拖車用大容積鋼制無縫氣瓶由于長度和體積都較大，如果采用接觸法手工探傷，不僅探傷效率低下，還會因為操作人員經驗等客觀因素導致檢測結果的不確定性。因此，大容積無縫鋼瓶一般都采用水浸探傷如圖1，必要的時候也采用水浸聚焦探傷，聚焦后波束更加集中，提高了探傷靈敏度，避免了因波束的散射而引起的雜亂反射。另外，水浸探傷時，從探頭發出的超聲波先要經過一段水程，然后折射進入鋼瓶內部，這樣就避免了接觸法探傷過程中有盲區的問題。大容積無縫氣瓶水浸探傷用的橫向和縱向探頭角度是40°，水層厚度為45mm，橫向探頭是聚焦探頭，縱向探頭是普通平探頭，對以上問題做如下討論。

圖1

1 探頭角度的選擇

由于水的特性，超聲波只能以縱波的形式在水中傳播。當超聲波傾斜入射到水-鋼界面時，瓶體內部除有折射進入的縱波外，還有因波形轉換而產生的折射橫波。為了使探傷波形更加簡潔，一般都采用純橫波檢測，這時入射角就要滿足如下關系式：

當βL鋼=90°時，入射角就是第一臨界角αΙ。由知：

求得αΙ=14.5°。

當βS鋼=90°時，入射角就是第二臨界角αⅡ。由知：

求得αⅡ=27.3°。

綜合（1）～（3）式可知14.5°≤αL水＜27.3°，即33.1°≤βS鋼＜90°。

當入射角在第一和第二臨界角之間范圍變化時，雖然鋼瓶內只有折射橫波，但折射橫波的往復透射率也隨之變化如圖2。當縱波入射角為14.5°也即橫波折射角為33.1°時，往復透射率為0。隨著入射角度的不斷增大，往復透射率也不斷增加，當折射角達到38°時，往復透射率達到最高，隨后又逐漸降低。

圖2

綜上所述，大容積無縫氣瓶水浸探傷機的探頭在滿足純橫波檢測和最高聲壓往復透射率兩個條件下，采用40°角度探頭是比較適宜的。

2 水層厚度的選擇

（1）探傷機測厚通道在調節掃描線時采用的是多次底波法，這樣不僅可以提高測厚精度，還以根據缺陷波的衰減情況來判斷缺陷的大小。探傷機一般要看到第10次底波，這時作為耦合劑的水層就必須保證水-鋼的第2次界面波至少落在第10次底面回波后。

式中，H為水層厚度；L為鋼瓶壁厚，取16.5mm。

同時，該水層厚度還必須小于聲波在水中的近場區長度N，以避免聲束在入射面發生大量散射而使探傷靈敏度降低,即H＜N。

式中，FS為晶片面積，其中測厚探頭的晶片尺寸一般采用 6×12mm。

求得N≈ 63.25mm。

綜合式（4）和（5）得：41mm＜H＜63.25mm。

（2）縱向探傷過程中如圖3所示，如果水層厚度過大，會使聲束能量衰減過大、靈敏度降低，造成缺陷的漏檢。同時水層也不能過小，水層的厚度必須大于鋼瓶中橫波全聲程的1/2（即H＞χ），這是因為當水層厚度大于鋼瓶中橫波全聲程的1/2時，水-鋼界面的第二次回波將位于鋼瓶的缺陷波之后，有利于對缺陷的判別。

圖3

由余弦定理可知，在△OAB中滿足以下式子：

綜上所述，實際水程厚度為45mm是可行的。

3 聚焦探頭的選擇

水浸探傷中，采用聚焦探頭能使聲束更加集中，不僅提高了探傷靈敏度，還能減少因聲束擴散引起的雜亂反射。橫向探頭一般采用的是聚焦探頭，而縱向探頭卻采用的普通平探頭，這又是為什么呢？討論如下：

要使聚焦探頭發揮聚焦功能，則必須使探頭的焦點落在探頭的近場區范圍內即F＜N，否則聚焦探頭就會失去聚焦的意義。

（1）橫向探傷中，當經過聚焦的聲束的焦點落在鋼瓶的內表面時，聲能最集中，這時的探傷靈敏度最高。探頭的焦距F與探頭聲透鏡的曲面半徑r應滿足如下條件：

式中，C1為聲透鏡中縱波聲速；C2為水中縱波聲速；C3為鋼中橫波聲速；L為焦點至工件表面的距離。

探頭聲透鏡的曲面半徑：r≈15mm

由上式求得：F≈13.3mm。

同時，橫向探頭的晶片尺寸一般采用6×12mm。

其中，β=40，由②式可知此時α=17.1。

求得：N1≈22.75mm＞F=13.3mm。

所以，橫向探傷采用聚焦探頭滿足聚焦的要求。

（2）縱向探傷中，要實現聚焦的目的，就必須使縱向探頭的焦點落在與聲束中心線垂直的被探鋼瓶的直徑上，這時焦距F至少要大于鋼瓶的半徑R，即F≥R=280mm，又縱向探頭尺寸一般采用10×12mm，故縱向探頭近場區長度：。

綜上，N2＜F故無法實現聚焦的目的，所以采用縱向探傷采用聚焦探頭就失去了意義。

4 實際探傷過程中應注意的問題

要實現正常的水浸探傷，就必須保證所探鋼瓶的截面是正圓形的，但實際探傷過程中，并不能保證每一處截面都是正圓形的，一旦某處外表面的形狀發生了改變，超聲波的反射路徑就會發生變化，這樣在探傷過程中就有可能發生漏檢或者誤檢。如圖4所示，就是因為鋼瓶的外表面有一處66×55×2mm（長徑×短徑×深度）的凹陷，從該處進入的測厚波就不再是垂直進入，從而導致測厚探頭無法接收到底面的反射波，進而在測厚圖像上顯示一處雜亂圖像。同理可知，橫向和縱向探傷波也無法按照所設計的路徑進行傳播。所以，在實際探傷過程中，要注意觀察氣瓶的表面凹凸情況，一旦在圖像上出現疑似由于氣瓶外表面不均勻導致的檢測圖像混亂時，要注意判斷，必要時采用手工復探或其他有效方法進行確認。

圖4

5 結語

綜上所述，大容積無縫氣瓶采用水浸探傷既能保證超聲波穩定的發射和接收，從而實現自動化探傷，又可大大地提高檢測效率。但是實際探傷過程又是復雜多變的，需要探傷人員結合各種信息綜合判斷。