無縫彎頭超聲波檢測

程寒亮，潘學銘，賈景勝

（浙江無損檢測工程技術有限公司，浙江 杭州 311200）

無縫彎頭在化工、火電、核電等各個行業中被廣泛應用，無縫彎頭是以無縫鋼管為原材料，通過冷彎或熱彎加工成所需要的形狀。在彎管制作過程中，裂紋是最常見也是危害最大的彎管缺陷，它的存在給火力發電廠、核電站的安全運行帶來了嚴重的隱患。對中大口徑無縫彎頭的體積檢測，特別是對裂紋的檢測，超聲波檢測是最常用也是最有效的檢測方法，根據現場的實際情況，通常采用手工A 型脈沖反射法橫波檢測，在無縫彎頭外表面分別進行正反兩個方向的縱向檢測和周向檢測以發現橫向缺陷和縱向缺陷[1]。

1 探頭的選擇

1.1 頻率的選擇

由于波的繞射，使超聲波檢測靈敏度約為λ/2，提高檢測頻率，超聲波波長短，有利于提高檢測靈敏度，發現更小的缺陷。但頻率越高，衰減越大，信噪比下降。因此檢測時需要根據所檢測的無縫彎頭的材質和壁厚選擇合適的頻率，對于厚度不大的工件或細晶粒的碳鋼、低合金鋼等無縫彎頭，可選用頻率為5MHZ的探頭進行超聲波檢測，對于厚度較大或晶粒粗大的奧氏體不銹鋼等材料可選用頻率為2.5MHZ 的探頭進行超聲波檢測[2]。

1.2 探頭晶片尺寸的選擇

探頭晶片尺寸越大，半擴散角越小，聲束指向性越好，超聲波能量就會越集中，有利于聲束軸線附近的缺陷的檢出。并且晶片尺寸越大，輻射的超聲波能量也就越大，探頭未擴散區掃查范圍也將變大，發現遠距離缺陷的能力會增強。但由于檢測無縫彎頭，當彎頭彎曲角度較大時，較大晶片尺寸會造成在無縫彎頭內彎處和背彎處掃查時探頭與彎頭耦合不良，當彎管管徑較小，探頭尺寸較大時同樣會造成耦合不良，影響檢測靈敏度，因此應根據彎頭管徑和彎曲角度選擇合適的晶片尺寸。

由于做周向檢測時，探頭與彎頭耦合效果不佳，會影響檢測靈敏度，因此需選擇帶曲率探頭或手工將探頭斜楔進行修磨，使探頭與彎頭表面曲率一樣或具有接近的弧面。修磨需在所檢測彎頭或與彎頭具有相同管徑的管子上進行，在管子表面墊上砂布，用選好的斜探頭先沿管子的軸向磨，在沿周向磨，不斷調整直至耦合良好。修磨時需不斷觀察探頭，不能過度追求耦合致使斜楔修磨太大而損壞晶片。

1.3 探頭折射角的選擇

彎頭沿外圓作周向檢測時，通常希望管材中只存在純橫波進行檢測，且需保證聲束軸線能夠掃查到彎管內壁以保證檢測靈敏度且不會造成漏檢。

（1）純橫波檢測條件。當聲束入射角（α）在第一臨界角和第二臨界角之間時，管材中只有折射橫波，即：

arcsinCL1/CL2 ＜α ＜arcsinCL1/CS2

其中CL1 為有機玻璃中縱波聲速（CL1=2730m/s），CL2 為彎管中的縱波聲速（CL1=5900m/s），CS2 為彎管中橫波聲速（CS2=3230m/s）。

可得：27.6°＜α＜57.7°，此時折射角β 需滿足β＞33.2°。

（2）聲束軸線到達內壁的條件。圖1 為超聲波聲束軸線與內壁相切時的聲束路徑示意圖，當超聲波聲束進入彎管（壁厚為t，外徑為D），折射角為β。聲束按鋸齒形路徑傳播，入射到彎管內壁時，入射角為β1 ，聲束軸線與彎管內壁相切時，為聲束到達內壁的臨界狀態，此時折射角β 滿足下列關系：

Sinβ=r/R=1-2t/D，因此可推出聲束軸線到達內壁的條件為Sinβ ＜r/R=1-2t/D，折射角β需滿足：β ＜arcsin(r/R)=arcsin（1-2t/D），由折射定律入射角α需滿足：α ＜arcsin(0.845r/R)=arcsin[0.845（1-2t/D）]。

圖1 超聲波聲束軸線與內壁相切時聲束路徑示意圖

所以，超聲波檢測時彎管中為純橫波的條件下，聲束軸線能夠到達內壁折射角需滿足的條件是：33.2°＜β ＜arcsin(r/R)=arcsin（1-2t/D）。

2 試塊

2.1 標準試塊

標準試塊可用與被檢彎頭材質相同或相近的CSK-IA 試塊。標準試塊用于軸向檢測時，探頭入射點、折射角、零偏的測定和聲速的校準。

2.2 對比試塊

對比試塊的制作應符合相關標準文件的要求，一般選取與被檢鋼鋼管規格相同，材質、熱處理工藝和表面狀況相同或相似的鋼管制備；或選取一根與待檢管材的公稱直徑、壁厚、材質、表面光潔度和聲學性能完全相同的一段管材制作。所選取的試塊的材料不應有不均勻性或其他可產生影響標準槽口檢測顯示的其他情況，對比試塊的長度應滿足相關要求。

檢測縱向缺陷和橫向缺陷所用的人工反射體應分別為平行于彎管軸線的橫向槽和垂直于彎管軸線的橫向槽，人工反射體的加工應滿足相關標準文件的要求。

3 靈敏度調節

3.1 軸向檢測

在彎管外表面平行于管軸線做正反兩個方向的掃查以發現橫向缺陷。檢測開始前先在標準試塊上測定探頭的前沿、探頭入射點、探頭折射角和聲速校準，然后利用對比試塊上垂直于彎管軸線的人工反射體調節靈敏度，將內表面人工反射體直射波最高回波調至滿屏的80%，然后找到外表面人工反射體的一次反射波和內表面人工反射體的二次反射波，三者波峰的連線為距離-波幅曲線，該曲線為基準靈敏度。一般在基準靈敏度的基礎上提高6dB 作為掃查靈敏度。

3.2 周向檢測

在彎管外表面垂直于管軸線做正反兩個方向的掃查以發現縱向缺陷。由于做周向檢測的探頭已經修磨為與彎管曲率半徑相同的曲面，此時探頭的入射點、零偏和折射角均已發生變化，并且此時探頭斜楔表面為曲面，不能用常規方法測定入射點、零偏和折射角。

（1）曲面探頭入射點的測定。利用棱角反射法測試曲面探頭的入射點。如圖2，將探頭斜楔的圓弧置于試塊的棱角上，前后移動探頭，使棱角發射波最高時試塊出對應的點為探頭入射點。測量出此時的前沿距離。

圖2 入射點的測定

（2）曲面探頭折射角的測定。折射角的測定是保證修磨后的探頭折射角滿足1.3 的要求。曲面探頭的折射角利用已經制作的對比試塊來測定。如圖2，在試塊外表面周向移動探頭，先找出內壁人工反射體直射波的最高回波，記錄此時儀器示波屏上顯示的聲程記為a；然后找出外壁人工反射體的最高回波，記錄此時儀器示波屏上顯示的聲程記為b，設探頭的零偏為δ，試塊中的一次波聲程為Ws，則有：a=Ws+δ；b=2Ws+δ，所以Ws=b-a。

在如果圖3 所示的OBA 中，有余弦定理得探頭折射角為：

圖3 折射角的測定

計算所得折射角β 需滿足：

折射角越小，對應的可檢測壁厚越大，理論上講，β=33.2，K=0.65 時，可檢測的壁厚最大為t/D=0.2262，r/R=0.5476。但由于這時的橫波聲壓往復透射率低，容易漏檢（如圖3.2-3），因此實際檢測中折射角應選的大一些。

圖4 有機玻璃/鋼界面上的聲壓往復透射率

（3）靈敏度調節。由于周向檢測時缺陷的定位與平面不同，故不采用常規的靈敏度調節和距離-波幅缺陷的制作。儀器調節采用手動調校，在參數中輸入探頭修磨前在標準試塊上測得的聲速，輸入3.2.1 中所測得的前沿，按儀器調校鍵，輸入

3.2.2 中所測得的零偏δ。

在對比試塊上找出內壁人工反射體的最高回波，調節儀器中折射角數值，使儀器中顯示的深度數值和試塊人工反射體的深度數值相等，雖然此時儀器顯示的深度并非真正的試塊人工反射體的深度，但數值的相等有利于檢測時缺陷深度方向的定位。

將內表面人工反射體直射波最高回波調至滿屏的80%，測量記錄此時探頭至人工反射體的弧長L，然后找到外表面人工反射體的一次反射波和內表面人工反射體的二次反射波，三者波峰的連線為距離波幅-曲線，該曲線為基準靈敏度。一般在基準靈敏度的基礎上提高6dB 作為掃查靈敏度[3]。

4 缺陷定位

曲面檢測對缺陷準確定位的難度較大，檢測時儀器上顯示的深度數值，即為缺陷的實際深度HQ，若對比試塊人工反射體的深度為H,探頭至人工反射體的弧長L，則檢測時探頭至發現缺陷的弧長LQ 進行近似計算:LQ=HQ×L/H。

5 結論

實際檢測工作中周向檢測相對于縱向檢測難度較大，檢測時首先要選擇合適的探頭，根據相關要求制作對比試塊。周向檢測時儀器中的折射角數值不一定非為探頭的實際折射角，為了深度方向缺陷的判定和定位方便，可將折射角調至所需要的數值。無縫彎管制作缺陷以裂紋居多，且如果發現超標缺陷彎管直接報廢不進行返修，所以無需對缺陷進行很精確的定位。可根據公式HQ×L/H 大致計算缺陷的水平位置。