超聲爬波在異形薄壁管材超聲檢測中的應用

謝 航，胡 嘯，張益成，蔡家藩

(中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223)

傳統的圓形薄壁管材一般采用水浸聚焦探頭實施超聲檢測，將聚焦探頭放入水中并傾斜后產生橫波，橫波在管材內壁發生反射，以此檢測出壁管上的缺陷[1]。但是對于異形管材的超聲檢測，不易于在其內部形成超聲檢測所需角度的超聲波聲束。

超聲爬波又稱表面下縱波或者爬行縱波，是超聲縱波在第一介質中以第一臨界角入射到第二介質中，在第二介質中產生的超聲波[2]。超聲爬波在傳播過程中能量主要集中在近表面，有利于在薄壁結構中覆蓋整個壁厚范圍，爬波可用于小徑管焊縫、薄板和棒材、絲材的檢測。同時，超聲爬波可沿管壁傳播較遠距離，有利于一些異形結構的檢測。

介紹了采用超聲爬波技術檢測六邊形異形管材的方法，利用超聲爬波的傳播特性，實現了管材全部檢測范圍的聲束覆蓋。最后在缺陷試塊上進行試驗，驗證了該方法的檢測能力。

圖1 爬波探頭的聲束示意

1 超聲爬波檢測原理

超聲探頭的入射角為第一臨界角時，聲波進入被檢薄壁結構工件后的波束示意如圖1所示，可見產生了沿上表面傳播的爬波、體積內縱波、橫波和沿下表面傳播的爬波，可形成一個覆蓋全部橫截面的聲束。其中，上表面爬波和下表面爬波可以探測上表面開口和下表面開口的缺陷，而體積內縱波和橫波可以檢測薄壁管材內部的缺陷。

2 檢測方案

在某應用中，需要使用六邊形的異形管材。六邊形異形管的對邊距為59 mm，壁厚為1.3 mm，兩個相鄰平面采用半徑為4.2 mm的圓弧過渡，其結構示意如圖2所示。由于管材在制造過程中，容易產生裂紋、夾雜等缺陷，故一般要求采用超聲對其進行無損檢測，以保證管材的質量。

圖2 六邊形異形管結構示意

在設計六邊形異形管材的試驗試塊時，采用矩形槽作為超聲檢測的標準反射體，并根據不同位置和朝向設計缺陷，缺陷設計展開示意如圖3所示。由于六邊形管材平面和圓弧過渡區域的結構不同，所以設計不同探頭對其進行超聲檢測。試驗試塊的標準反射體的尺寸及位置見表1。表1中,1至6號缺陷采用平面楔塊的超聲爬波探頭，7至8號缺陷采用弧面楔塊的超聲爬波探頭。

圖3 試塊缺陷設計展開示意

對于圓弧過渡區域的周向缺陷，采用弧形楔塊的超聲爬波探頭，適配圓弧過渡區域的表面，實現內外缺陷的檢測。對圓弧過渡區域的軸向缺陷，在平面上放置超聲爬波探頭，超聲爬波可以沿管壁傳播到圓弧過渡區域和臨近的平面上，從而實現檢測。對于平面區域的軸向和周向缺陷，采用平面爬波探頭可實現內外管壁缺陷的檢測。

表1 六邊形異形管材標準反射體尺寸及位置 mm

3 試驗過程與結果

儀器采用自行研制的MUA-160型多通道超聲檢測儀，并配套UDas超聲軟件，平面楔塊超聲爬波探頭晶片尺寸(長×寬)為8 mm×6 mm，弧面楔塊超聲爬波探頭晶片尺寸(長×寬)為6 mm×3 mm，頻率均為5 MHz。采用自動化的檢測設備，搭載超聲探頭實施自動檢測并記錄檢測數據。

進行六邊形異形管材的超聲爬波檢測時，超聲探頭布置與掃查示意如圖4所示。檢測圓弧面的周向缺陷1和2時，將弧面楔塊探頭放置在被檢區域，如圖4(a)所示；檢測平面上的周向缺陷3和4時，采用平面爬波探頭進行檢測，如圖4(b)所示。檢測周向缺陷的聲束方向均為管材的軸向方向；對于圓弧面的軸向缺陷，將平面探頭放置在平面上，聲束方向指向被檢的圓弧面，如圖4(c)所示；檢測平面上的軸向缺陷時，同樣將平面探頭放置在平面上進行檢測，如圖4(d)所示。檢測軸向缺陷的聲束方向均為管材周向方向。從探頭的布置可以看出，周向缺陷的檢測探頭聲束可以覆蓋整個檢測范圍。但是對于軸向缺陷的檢測探頭聲束，當探頭放置到被檢平面后，從探頭入射點到六邊形異形管圓弧面之間存在一定盲區，所以無法直接在平面內部覆蓋所有的檢測范圍，需要利用超聲爬波沿管壁傳播的性質實現檢測范圍內超聲聲束的全覆蓋。

圖4 檢測各缺陷時，超聲探頭的布置與掃查示意

所有探頭的B掃檢測數據如圖5所示，可以看出設計的所有缺陷均可被檢出。特別值得注意的是，對圓弧面軸向缺陷檢測時，爬波探頭的聲束沿著管材周向方向經過圓弧面，可以檢測到相鄰平面上的軸向缺陷，如圖5(c)所示。可以看出，利用爬波沿近表面傳播的性質，可以實現軸向缺陷的超聲聲束的全范圍覆蓋。

4 結語

采用超聲爬波技術實現了六邊形異形管材的超聲檢測，解決了傳統水浸超聲檢測不利于異形管材檢測的問題。設計了超聲爬波的掃查方案，實現了整個被檢區域的全范圍聲束覆蓋；并在人工缺陷試塊上，驗證了該方法在六邊形異形管上平面區域和圓弧過渡區域的缺陷檢測能力。

圖5 六邊形異形管的超聲爬波B掃結果