厚壁筒形件內表面徑向缺陷超聲波檢測靈敏度試驗

郭偉燦，鄭津洋，劉仲強，施建峰

（1.浙江大學 化工機械研究所，杭州 310027；2.浙江省特種設備檢驗研究院，杭州 310020）

對厚壁筒形件進行周向超聲波檢測時，超聲波對內表面裂紋的檢測靈敏度受到多種因素的影響。如果缺陷自身高度遠小于曲率半徑，則缺陷與內外表面形成的夾角可近似為直角，表面裂紋和內表面形成小端角，超聲波以一定角度入射至小端角形成部分端角反射。對于厚壁筒形件，其內外徑比值較小，采用的純橫波技術通常使聲束軸線與內表面缺陷的夾角接近于90°，理論上端角反射率很高，但實際上由于入射波、反射波在邊界上互相干涉導致超聲波對內表面裂紋檢測靈敏度降低，這也是厚壁筒形鍛件周向超聲檢測主要技術難點之一。筆者針對厚壁筒形件內表面裂紋周向超聲檢測的主要技術難點，系統地分析了純橫波技術、雙重波型檢測法、小角度縱波切內壁法、變型橫波端角反射法、變型橫波切內壁法等方法的技術特點。通過理論分析提出上述方法的內表面徑向缺陷回波高度公式。加工了含有人工表面缺陷的對比試塊，對上述方法進行超聲檢測的靈敏度比較試驗，并對試驗結果進行分析與探討。

1 方法概述

厚壁筒形件內表面裂紋的周向超聲檢測方法主要有純橫波技術、雙重波型檢測法、小角度縱波切內壁法、變型橫波端角反射法和變型橫波切內壁法。

1.1 全橫波檢測技術

全橫波檢測技術的簡單示意圖見圖1。為確保實施全橫波檢測及一次橫波能掃查到筒體內壁，橫波折射角βS應滿足公式（1）的限制［1－2］：

式中cS2為鋼中橫波聲速；cL2為鋼中縱波聲速。

1.2 雙重波型檢測法

雙重波型檢測法（小折射角橫波檢測內壁缺陷）方法采用縱波入射角小于第一臨界角的雙重波型探頭，如圖2，用小角度橫波探測內表面，而筒體中上部采用縱波檢測。根據工件規格和聲壓往復透射率等因素選擇合適的折射角。

1.3 小角度縱波切內壁法

小角度縱波切內壁法主要利用折射的縱波與內壁相切來檢測內壁徑向裂紋，選擇的入射角應使得折射的縱波軸線與內壁相切，檢測原理如圖3，其入射角可由公式（2）選取。

式中cL1為有機玻璃中縱波聲速，m／s。

1.4 變型橫波端角反射法

變型橫波端角反射法利用橫波的端角反射和外壁對聲束的匯聚作用，通過探頭楔塊將入射的縱波轉換成具有較高能量的折射縱波。此縱波在筒形件中傳播至外壁產生反射和波型轉換，得到具有較高能量的橫波，以45°左右對內壁裂紋入射，裂紋與管內壁表面形成的端角將該聲波反射，并沿原路返回，從而達到檢測缺陷的目的（圖4）［3］。在圖4中，其入射角αL由以下公式導出：

圖5 變型橫波切內壁法

1.5 變型橫波切內壁法

變型橫波切內壁法與變型橫波端角反射法的區別在于變型橫波切內壁法的變型橫波與管子內壁相切，其檢測原理如圖5所示［4］。根據筒形件的r／R值，可以求出縱波入射角αL為：

2 理論分析

筆者采用線切割槽模擬表面裂紋，超聲波對表面線切割槽的反射類似于端角反射。實際檢測時，當人工槽深度t遠小于聲束截面尺寸時，根據幾何聲學的原理（不考慮聲波干涉，并假設端角反射率為1），切割槽反射的折射橫波波高 HS為［4－5］：

式中 K0.4——定量比例系數；

TLS——橫波聲壓往復透射率，%；

x——聲程，mm；

λS2——鋼中橫波波長，mm。

如果考慮橫波入射時的端角反射率和材質衰減，則HS為：

式中DS為橫波入射時端角反射率，%；κS為橫波材質衰減系數，NP／mm。

同樣，切割槽反射的折射縱波波高HL、變型橫波波高HLS分別為：

式中TLL為縱波聲壓往復透射率，%；DL為縱波入射時端角反射率，%；RL－S為鋼、空氣界面的往復聲壓反射率，%；λL2為鋼中縱波波長，mm；L為縱波聲程，mm；S為橫波聲程，mm；κL為縱波材質衰減系數，NP／mm；F為變型波聚焦聲壓增強系數。

對于人工槽深度分別為t1，t2的淺切割槽，根據式（6）和（7），兩者回波差為：

圖6 試塊簡圖

3 靈敏度對比試驗

3.1 試驗用對比試塊的設計

試驗用對比試塊的規格見表1，試塊簡圖見圖6。試塊上內外表面的線切割槽用以模擬表面裂紋，所有試塊的寬度為40mm。

表1 試塊規格 mm

3.2 靈敏度對比試驗

對筒形件進行周向超聲檢測，一般采用純橫波檢測技術，但該技術通常只適用于內外徑之比≥0.6的筒形件周向檢測［6－7］。筆者用橫波折射角為35°的橫波斜探頭對B1試塊（內外徑比為0.6）進行內壁缺陷檢測靈敏度對比試驗，并與橫波折射角為28.5°雙重波型斜探頭進行對比，試驗結果見表2。

從表2結果可以得出，對于內外徑比為0.6的厚壁筒形件，采用純橫波技術的靈敏度優于雙重波型技術，且波型單一，缺陷容易判斷。

表2 內表面缺陷的信噪比對比試驗 dB

對于內外徑比＜0.6的厚壁筒形件，一般不推薦采用純橫波技術。根據有關文獻［1－4］，目前國內對于內外徑比＜0.6的厚壁筒形件采取的檢測方法主要有雙重波型檢測法、小角度縱波切內壁法、變型橫波切內壁法、變型橫波端角反射法。筆者采用上述方法對B2，B3，B4試塊（內外徑比均為0.5）進行靈敏度對比試驗，試驗結果如表3。

表3 靈敏度對比試驗結果 dB

4 分析探討

從表3的試驗結果可以得出，對直徑較小的厚壁筒形件（外徑200～300mm），變型橫波端角反射法對內壁缺陷的檢測靈敏度相對其它方法要高。對直徑較大的厚壁筒形件（外徑≥400mm），變型橫波端角反射法的檢測靈敏度下降很快，不如雙重波型檢測法。究其原因，根據式（6）和（8），采用變型橫波法和直接用小折射角橫波檢測時兩者內壁缺陷回波差為：

對不同縱波入射角的有機玻璃探頭入射到鋼界面，其相應的TLL，TLS值見圖7［2］，在鋼中其TLLRL－S見圖8［4］。

對B2，B3，B4試塊而言，由于內外徑之比為0.5，如采用變型橫波端角反射法，并使變型橫波以45°入射至內表面線切割槽，根據Snell定律計算其橫波折射角為15.9°，從圖7和圖8查得TLS＝5%，TLLRL－S＝10%，則兩者回波差為：

當圓周面引起的聚焦作用F大于材質引起的衰減，則變型橫波端角反射法比小角度折射橫波法靈敏度至少高6dB。

同樣，如采用變型橫波切內壁法，根據Snell定律計算其橫波折射角為30°，從圖7和圖8查得TLS＝9%，RL－S＝12%，則兩者回波差為：

當圓周面引起的聚焦作用F大于材質引起的衰減，則變型橫波端角切內壁法比折射橫波切內壁法靈敏度至少高3dB。

通過上述分析，直徑較小時變型橫波端角反射法靈敏度較高的原因有：① 變型橫波端角反射法聲束的主要部分在內壁上形成一個聚集區域，而且入射到內壁上的聲束與法線交角大多在35°～55°之間，端角會產生全反射，反射的橫波在外壁圓弧的作用下，產生匯聚；而變型橫波切內壁法僅有部分反射的橫波在內壁產生匯聚。② 采用變型橫波法，對尺寸固定的探頭，直徑越小，變型橫波端角反射法和變型橫波切內壁法聚焦作用越強，而材質衰減相對減小，由式（15）可知，其檢測靈敏度比直接采用折射橫波法要高。③ 小角度縱波切內壁法、變型橫波切內壁法由于入射角與缺陷夾角為90°，反射的縱波和橫波與直接傳播至缺陷的聲波會產生互相干擾，干擾的結果改變了探頭的指向性和對稱性，導致檢測靈敏度和缺陷定位精度的下降。④ 縱波的波長比橫波大一倍，對小缺陷的檢測靈敏度不如橫波檢測。

同樣，對直徑較大時變型橫波端角反射法的檢測靈敏度下降的原因有：① 筒形件外表面曲率增大，使外壁的聚集作用相對減弱，導致檢測靈敏度降低。②筒形件外半徑增大，使對應的筒體壁厚增大，變型橫波端角反射法檢測聲程增大，由超聲波衰減而導致檢測靈敏度降低。③ 變型橫波端角反射法由于進行多次反射和波型轉換，不僅會導致超聲波能量的損失，還會造成缺陷的定位誤差增大，檢測聲程越大，其定位誤差也相應增加。

5 結論

（1）對于內外徑比為0.6的厚壁筒形件，采用全橫波技術的靈敏度優于雙重波型技術，且波型單一，缺陷容易判斷。

（2）對于內外徑比＜0.6的厚壁筒形件，純橫波技術對內壁缺陷的檢測靈敏度降低。

（3）對于內外徑比＜0.6的厚壁筒形件，對直徑較小厚壁筒形件，變型橫波端角反射法對內壁缺陷的檢測靈敏度較高。對直徑較大的厚壁筒形件，變型橫波端角反射法的檢測靈敏度下降很快，不如雙重波型檢測法。

（4）文中提出的內表面徑向缺陷回波靈敏度的經驗公式可以解釋上述試驗結果。

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