本文(wén)通过几何作图的方法并从声學(xué)原理(lǐ)的角度讨论在对高频焊直缝钢管的焊缝进行超声横波探伤时，应该注意选择适当晶片尺寸的问题。指出在管直径较小(xiǎo)时使用(yòng)较大尺寸的晶片会在工件上产生表面波及其他(tā)波型的干扰，从而影响纯横波探伤时对焊缝缺陷的正确判断。给出了晶片尺寸与管半径的关系供选择探头时参考。本文(wén)对于其他(tā)同类型的管材横波探伤也有(yǒu)参考意义。 |
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筆(bǐ)者在為(wèi)某大型钢管公司提供超声波探伤技术咨询服務(wù)时发现，该公司对高频焊接钢管直焊缝进行超声横波探伤时，探伤工人以為(wèi)采用(yòng)大探头可(kě)以加快探伤速度，于是使用(yòng)晶片尺寸為(wèi)13X13的2.5P-K1.5探头（ 探伤仪是北京华海恒辉产HUD50型），探伤对象是油田用(yòng)的高频焊直缝钢管，规格有(yǒu)外径四英寸、五英寸、六英寸、八英寸、十英寸和十二英寸，壁厚从3.5毫米到10.31毫米。探伤验收标准按美國(guó)石油协会的API标准即3.0毫米直径的径向通孔（柱孔），探伤耦合剂為(wèi)机油或浆糊。 |
在这样的探伤条件下，探伤过程中经常有(yǒu)回波信号出现并且被判断為(wèi)缺陷信号。实际上通过触摸法和声程位置判断以及解剖证实均不是焊缝缺陷回波，结果造成的误判率*高曾达到90%。造成这样高的误判率除了探伤工人本身操作技术问题和判伤经验不足以外，分(fēn)析起来其使用(yòng)的探头晶片选择不当也是一个重要的原因。為(wèi)此,筆(bǐ)者进行了理(lǐ)论上的分(fēn)析计算和探讨如下。 |
2.晶片尺寸大小(xiǎo)与在管材上激发纯超声横波的关系 |
如后面附图所示，通过简单的几何作图可(kě)以推导出斜探头晶片的切向尺寸D与钢管外半径R以及晶片上下边缘声線(xiàn)在钢管曲面上入射角的关系有(yǒu)： |
α' = arcsin[sinα+(D/2R)] |
α''= arcsin[sinα-(D/2R)] |
式中：α' 為(wèi)晶片上边缘声線(xiàn)在管材表面上的入射角；α''為(wèi)晶片下边缘声線(xiàn)在管材表面上的入射角；α為(wèi)晶片声轴線(xiàn)在管材表面上的入射角；R 為(wèi)管材外半径 |
从图中可(kě)以明显看到α'＞α＞α''，根据所采用(yòng)的管材直径和探头型式有(yǒu)以下计算结果，见表1至表4。 |
表1 2.5P13x13K2探头（声轴線(xiàn)入射角α= 49.7°） |
钢管外径 | 4英寸 | 5英寸 | 6英寸 | 8英寸 | 10英寸 | 12英寸 | a′ | 62.95° | 59.89° | 57.99° | 55.76° | 54.47° | 53.64° | | (27%) | (21%) | (17%) | (12%) | (10%) | (8%) | a″ | 39.4° | 41.32° | 42.64° | 44.32° | 45.36° | 46.06° | | (-21%) | (-17%) | (-14%) | (-11%) | (-9%) | (-7%) |
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注：表中括号内的数字表示与声轴線(xiàn)入射角相差的百分(fēn)数，以下均同。 |
表2 2.5P8x10K2探头（声轴線(xiàn)入射角α=49.7°） |
钢管外径 | 4英寸 | 5英寸 | 6英寸 | 8英寸 | 10英寸 | 12英寸 | a′ | 57.29° | 55.66° | 54.6° | 53.33° | 52.58° | 52.08° | | (15%) | (12%) | (10%) | (7%) | (6%) | (5%) | a″ | 43.15° | 44.4° | 45.25° | 46.33° | 46.98° | 47.43° | | (-13%) | (-11%) | (-9%) | (-7%) | (-5%) | (-5%) |
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表3 2.5P13x13K1.5探头（声轴線(xiàn)入射角α=45.2°） |
钢管外径 | 4英寸 | 5英寸 | 6英寸 | 8英寸 | 10英寸 | 12英寸 | a′ | 56.88° | 54.29° | 52.64° | 50.67° | 49.53° | 48.78° | | (26%) | (20%) | (16%) | (12%) | (10%) | (8%) | a″ | 35.56° | 37.39° | 38.63° | 40.21° | 41.18° | 41.83° | | (-21%) | (-17%) | (-15%) | (-11%) | (-9%) | (-7%) |
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表4 2.5P8x10K1.5探头（声轴線(xiàn)入射角α=45.2°） |
钢管外径 | 4英寸 | 5英寸 | 6英寸 | 8英寸 | 10英寸 | 12英寸 | a′ | 52.03° | 50.58° | 49.65° | 48.5° | 47.82° | 47.38° | | (15%) | (12%) | (10%) | (7%) | (6%) | (5%) | a″ | 39.11° | 40.28° | 41.08° | 42.08° | 42.69° | 43.1° | | (-13%) | (-11%) | (-9%) | (-7%) | (-6%) | (-5%) |
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注：探头斜楔材料按有(yǒu)机玻璃纵波速度2730米/秒(miǎo)；钢中横波速度按3200米/秒(miǎo)，钢中纵波速度按5900米/秒(miǎo)。 |
讨论： |
从计算结果可(kě)以发现，晶片直径（或切向边長(cháng)）相对钢管直径為(wèi)较大的时候，其上边缘声線(xiàn)入射角已经接近或超出**临界角（对于有(yǒu)机玻璃-钢界面，其**临界角為(wèi)58°左右）从而会激发出表面波造成干扰，钢管的曲率越大和晶片直径越大则激发表面波的机会越大，这是其一。此外，从近声场特性来看，晶片直径越大，相对于一定的频率和材料其近场長(cháng)度也越大，众所周知，脉冲超声波束在近场内呈收敛状态至N点后再发散，因此对于一般斜探头斜楔中声轴線(xiàn)声程為(wèi)10-15毫米的情况下，2.5P13X13斜探头在有(yǒu)机玻璃斜楔中的近场長(cháng)度约有(yǒu)38.41毫米而2.5P8X10斜探头在有(yǒu)机玻璃斜楔中的近场長(cháng)度则只有(yǒu)约14.55毫米，显然后者上下边缘声線(xiàn)的收敛程度大于前者，因而其上下边缘声線(xiàn)入射角将会更接近声轴線(xiàn)的入射角，亦即有(yǒu)利于声束的集聚，这是其二。第三个可(kě)能(néng)造成干扰的因素是在对壁厚仅有(yǒu)3.5毫米的钢管探伤时，若晶片直径相对于壁厚较大，则有(yǒu)可(kě)能(néng)会因為(wèi)粗大的波束在钢管薄壁中反射形成叠加干涉而激发出某种模式的兰姆波造成干扰。 |
因此，在综合考虑探伤灵敏度和探伤速度的情况下，适当选择切向边長(cháng)较小(xiǎo)而轴向尺寸较大（即较宽）的晶片应该是有(yǒu)利的。 |
3.实际探伤验证 |
考虑到探伤对象是壁厚与外径之比在0.02-0.05范围的薄壁管，采用(yòng)K2探头较有(yǒu)利于发现*常见的径向取向的焊缝缺陷，故选择声束相对扁宽且能(néng)保证必需的发射功率以保证探伤灵敏度的2.5P8X10K2探头进行探伤。 |
通过对原来探伤判定不合格的数百吨钢管改用(yòng)2.5P8X10K2探头进行全部复验，确认约90%的钢管并非存在不合格缺陷而不该判废，从而避免了重大的浪费。采用(yòng)改进后的探伤工艺在以后的探伤中也大大降低了虚假缺陷回波信号的出现几率，大幅度提高了探伤的可(kě)靠性，显著降低了探伤的误判率。 |
4.结论 |
综上所述，筆(bǐ)者认為(wèi)在钢管超声横波探伤中，应当注意探头晶片尺寸与钢管曲率的关系，特别是曲率较大的钢管应当采用(yòng)切向尺寸较小(xiǎo)的晶片。在综合考虑探伤灵敏度和探伤速度与效率的需要情况下，适当选择切向边長(cháng)较小(xiǎo)而轴向尺寸较大（即较宽）的晶片有(yǒu)利于减少干扰回波信号的产生。 |