摘要: 本文通過(guò)用幾何作圖的方法并從聲學(xué)原理的角度討論了在對(duì)高頻焊直縫鋼管的焊縫進(jìn)行超聲橫波探傷時(shí),應(yīng)該注意選擇適當(dāng)晶片尺寸的問(wèn)題,并指出在管直徑較小時(shí)使用較大尺寸的晶片會(huì)在工件上產(chǎn)生表面波及其他波型的干擾,從而影響純橫波探傷時(shí)對(duì)焊縫缺陷的正確判斷.本文對(duì)于其他同類型的管材橫波探傷也有參考意義.
關(guān)鍵詞: 無(wú)損檢測(cè);焊縫;超聲檢測(cè)

1 問(wèn)題的提出
　　筆者在為某大型鋼管公司提供超聲波探傷技術(shù)咨詢服務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn),該公司對(duì)高頻焊接鋼管直焊縫進(jìn)行超聲橫波探傷時(shí),探傷工人以為采用大探頭可以加快探傷速度,于是使用晶片尺寸為13*13的2.5P-K1.5探頭(探傷儀是汕頭產(chǎn)CTS-23型),探傷對(duì)象是油田用的高頻焊直縫鋼管,規(guī)格有外徑四英寸、五英寸、六英寸、八英寸、十英寸和十二英寸,壁厚從3.5mm到10.31mm.探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按美國(guó)石油協(xié)會(huì)的API標(biāo)準(zhǔn)即3.0毫米直徑的徑向通孔(柱孔)探傷耦合劑為機(jī)油或漿糊.
　　在這樣的探傷條件下,探傷過(guò)程中經(jīng)常有回波信號(hào)出現(xiàn)并且被判斷為缺陷信號(hào).實(shí)際上通過(guò)觸摸法和聲程位置判斷以及解剖證實(shí)均不是焊縫缺陷回波,結(jié)果造成的誤判率*高曾達(dá)到90%.造成這樣高的誤判率除了探傷工人本身操作技術(shù)問(wèn)題和判傷經(jīng)驗(yàn)不足以外,分析起來(lái)其使用的探頭晶片選擇不當(dāng)也是一個(gè)重要的原因.為此,筆者進(jìn)行了理論上的分析計(jì)算和探討如下.

2 晶片尺寸大小與在管材上激發(fā)純超聲橫波的關(guān)系
　　如后面附圖所示,通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何作圖可以推導(dǎo)出斜探頭晶片的切向尺寸D與鋼管外半徑R以及晶片上下邊緣聲線在鋼管曲面上入射角的關(guān)系有:
　　α'=arcsin[sinα+(D/2R)]
　　α"=arcsin[sinα-(D/2R)]
　　式中α'為晶片上邊緣聲線在管材表面上的入射角;α"為晶片下邊緣聲線在管材表面上的入射角;α為晶片聲軸線在管材表面上的入射角;R為管材外半徑從圖中可以明顯看到α'>α>α",根據(jù)所采用的管材直徑和探頭型式有以下計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表1至表4.

3 討論
　　從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),晶片直徑(或切向邊長(zhǎng))相對(duì)鋼管直徑為較大的時(shí)候,其上邊緣聲線入射角已經(jīng)接近或超出**臨界角(對(duì)于有機(jī)玻璃7鋼界面,其**臨界角為58°左右)從而會(huì)激發(fā)出表面波造成干擾,鋼管的曲率越大和晶片直徑越大則激發(fā)表面波的機(jī)會(huì)越大,這是其一.此外,從近聲場(chǎng)特性來(lái)看,晶片直徑越大,相對(duì)于一定的頻率和材料其近場(chǎng)長(zhǎng)度也越大,眾所周知,脈沖超聲波束在近場(chǎng)內(nèi)呈收斂狀態(tài)至N點(diǎn)后再發(fā)散"因此對(duì)于一般斜探頭斜楔中聲軸線聲程為10~15mm的情況下,2.5P13X13斜探頭在有機(jī)玻璃斜楔中的近場(chǎng)長(zhǎng)度約有38.41mm而2.5P8X10斜探頭在有機(jī)玻璃斜楔中的近場(chǎng)長(zhǎng)度則只有約14.55mm,顯然后者上下邊緣聲線的收斂程度大于前者,因而其上下邊緣聲線入射角將會(huì)更接近聲軸線的入射角,亦即有利于聲束的集聚,這是其二,第三個(gè)可能造成干擾的因素是在對(duì)壁厚僅有3.5毫米的鋼管探傷時(shí)"若晶片直徑相對(duì)于壁厚較大,則有可能會(huì)因?yàn)榇执蟮牟ㄊ阡摴鼙”谥蟹瓷湫纬莎B加干涉而激發(fā)出某種模式的蘭姆波造成干擾.
　　因此,在綜合考慮探傷靈敏度和探傷速度的情況下,適當(dāng)選擇切向邊長(zhǎng)較小而軸向尺寸較大(即較寬)的晶片應(yīng)該是有利的.

4 實(shí)際探傷驗(yàn)證
　　考慮到探傷對(duì)象是壁厚與外徑之比在0.02~0.05范圍的薄壁管,采用K2探頭較有利于發(fā)現(xiàn)*常見(jiàn)的徑向取向的焊縫缺陷,所以選擇聲束相對(duì)扁寬且能保證必需的發(fā)射功率以保證探傷靈敏度的2.5P8X10K2探頭進(jìn)行探傷.
　　通過(guò)對(duì)原來(lái)探傷判定不合格的數(shù)百噸鋼管改用2.5P8X10K2探頭進(jìn)行全部復(fù)驗(yàn),確認(rèn)約90%的鋼管并非存在不合格缺陷而不該判廢,從而避免了重大的浪費(fèi).采用改進(jìn)后的探傷工藝在以后的探傷中也大大降低了虛假缺陷回波信號(hào)的出現(xiàn)幾率,大幅度提高了探傷的可靠性,顯著降低了探傷的誤判率.

5 結(jié)論
　　綜上所述,筆者認(rèn)為在鋼管超聲橫波探傷中,應(yīng)當(dāng)注意探頭晶片尺寸與鋼管曲率的關(guān)系,特別是曲率較大的鋼管應(yīng)當(dāng)采用切向尺寸較小的晶片.在綜合考慮探傷靈敏度和探傷速度與效率的需要情況下,適當(dāng)選擇切向邊長(zhǎng)較小而軸向尺寸較大(即較寬)的晶片有利于減少干擾回波信號(hào)的產(chǎn)生.