超大型晶片K1探頭的設計與運用

汪　超張志明李雅可呂育棟關維平

（1.渤海裝備巨龍鋼管南京公司，南京210061；2.四平線路器材廠，吉林四平136001）

隨著我國經濟的飛速發展，采用高鋼級管線鋼用于管道建設是油氣輸送管道發展的趨勢，因此對高鋼級鋼管母材材質的要求也越來越高。在高鋼級雙面直縫埋弧焊管的生產過程中，鋼管的母材很容易產生線性缺陷（裂紋），為了加強鋼管質量控制，需要對鋼管母材縱向缺陷進行檢測。在利用普通探頭的檢測過程中，探頭晶片尺寸較小，覆蓋面積不大，檢測花費時間長，效率低，鑒于此，對雙面直縫埋弧焊鋼管母材超聲波檢測探頭進行了研究，根據超聲波檢測原理以及高鋼級鋼管容易產生的缺陷特征，研發出了一種超大型晶片K1探頭，有效地提高了鋼管母材的檢測覆蓋面積和檢測效率，確保了鋼管母材非分層缺陷100%的檢出率。

1　超大型晶片K1探頭的研究背景

1.1　標準要求

高鋼級雙面直縫埋弧焊管在預彎、成型和擴徑等生產過程中，很容易產生線性裂紋，為了確保鋼管質量，在檢測過程中必須要進行針對性的缺陷檢測。根據天然氣輸送管道用X90鋼級直縫埋弧焊管技術條件，要求對鋼管管端100 mm范圍內進行100%非分層缺陷檢測。

1.2　探傷難點及原因分析

超聲波探頭是實現電信號與聲訊號相互轉換的器件，是超聲波探傷裝置的重要組成部分。超聲波在傳播過程中遇到障礙時會發生反射、折射或波形轉換，該波形信號與各種缺陷都一一對應，因此可以利用被接收的波形來計算缺陷的位置、種類以及數量等。筆者通過對探頭原理、結構的研究和檢測方法的比較，總結了超大型晶片K1探頭相比常規探頭的優越性。

根據上述高鋼級雙面直縫埋弧焊管的生產特征和相關標準，選用CTS-23型超聲波探傷儀和常規超聲波檢測探頭。由于常規超聲波橫波檢測探頭的晶片尺寸都較小，在鋼管檢測過程中覆蓋面積較小，導致檢測效率相當低等因素，本研究中采用對超聲波橫波檢測探頭進行分析和研究。

在對雙面直縫埋弧焊管母材檢測過程中，檢測到的主要是線性特征的缺陷，在鋼管使用過程中，線性缺陷是應力集中點，有延展的特性，長期使用會導致鋼管爆破，這就要求檢測人員對這類缺陷的檢出率必須達到100%。如何能有效檢測出鋼管母材縱向線性缺陷，在目前使用常規探頭的檢測過程中，存在檢測局限性，影響生產效率，而超大型晶片K1探頭在檢測過程中能夠克服這些現象。

2　探頭的工作原理與結構特點

2.1　探頭工作原理

超聲波檢測所用探頭主要是利用壓電效應制作的，有些單晶和多晶陶瓷材料在應力（壓力或張力等）作用下產生應變時，晶體中就產生極化或電場，這種效應成為正壓電效應。相反，當晶體處于電場中時，由于極化作用，在晶體中就產生應變或應力，這種效應稱為逆壓電效應。正、逆壓電效應統稱壓電效應。當一個電脈沖作用到探頭上時，探頭發射超聲脈沖；反之，當一個超聲脈沖作用到探頭上時，探頭產生一個電脈沖。

2.2　超大型晶片探頭結構特點

橫波探頭通常由吸聲材料、斜楔、電纜接頭、電纜線、阻尼塊、自發自收壓電晶片和外殼幾部分組成。圖1為超大型晶片斜探頭結構示意圖，電纜接頭位于外殼上，透聲斜楔固定在外殼內部的下底面上，外殼內充滿吸聲材料，自發自收壓電晶片貼裝在透聲斜楔的斜面上，自發自收壓電晶片通過電纜線與電纜接頭連接，阻尼塊固定在自發自收壓電晶片上，探頭為K1探頭，透聲斜楔的斜面與底面夾角為45°，為了保證探頭的探測面積，將自發自收壓電晶片尺寸設計成10 mm×40 mm×2 mm，探頭的外殼尺寸設計成26 mm×48 mm×26 mm。超聲波檢測時通過壓電晶片發射出超聲波來實現電聲換能。探頭在鋼管母材上做鋸齒形移動，聲束通過耦合劑進入母材，探頭的壓電晶片通過自發自收的方式確保鋼管母材線性缺陷100%的檢出率。

圖1　超大型晶片K1斜探頭結構示意圖

3　超大型晶片K1探頭的主要技術要求

3.1　探頭折射角的要求

折射角（或入射角）橫波探頭的入射角一般都在第一臨界角和第二臨界角之間。為了獲得一定的折射角，需要按照其理論公式，根據有機玻璃和被檢測材料的聲速計算相應的縱波入射角，橫波探頭的折射角為45°。

3.2　探頭頻率的要求

探頭頻率的高低是影響定量可靠性的重要因素，頻率越高，檢測靈敏度和分辨率就越高，指向性就好；若頻率降低，探頭的尺寸就應該相應地增大，否則就不能保證有很好的指向性和提供足夠尺寸的聲陷阱，綜合考慮，該探頭的頻率取2.5 MHz較合適。

3.3　探頭晶片的要求

探頭晶片尺寸大小對聲束指向性、近場區長度、近距離掃查范圍和遠距離缺陷檢測能力有較大影響。由于所檢測工件為檢測表面比較平整和曲率較大的鋼管，為了減少鋼管檢測時耦合損失，探頭晶片尺寸選取10 mm×40 mm×2 mm最為合理。

3.4　透聲楔尺寸和形狀的要求

透聲楔尺寸和形狀設計時，選擇合適的長度、寬度和高度是必要的，讓經過多次反射的聲波不能返回到晶片上是設計的原則。因此，探頭入射點至探頭最前端的距離為探頭的前沿，探頭的前沿應大到足以使晶片上邊緣發射聲波，不會經前臂與底面形成兩面角反射回來，也要注意使晶片下邊緣發射聲波，經透聲楔反射后不會回到晶片的上邊緣。試驗證明，探頭的外形尺寸為26 mm×48 mm×26 mm，探頭前沿選擇10 mm最為合適。

4　現場應用效果

在探頭制作完成后對其性能進行了測試和實際應用。以天然氣輸送管道用X90鋼級直縫埋弧焊管技術條件為例，標準要求對鋼管的管端100 mm范圍內進行100%的非分層缺陷檢測。根據要求，利用鋼管母材部位制作了對比試塊，使用CTS-23型超聲波探傷儀在對比試塊上加工φ1.6 mm的豎通孔，使反射波達到100%作為合格極限。

在對鋼管管端100 mm范圍內進行非分層缺陷檢測過程中，采用掃查方式為鋸齒形掃查，每次掃查過程中都至少有10%的覆蓋。利用普通K1探頭和超大型晶片K1探頭分別進行探傷比較。檢測過程中發現，鋼管母材非分層缺陷的波形圖基本一樣，結果如圖2～圖5所示。但超大型晶片K1探頭的探傷操作簡便，檢測覆蓋面積大，效率高，大大縮短了檢測時間；同時具有檢測盲區小、分辨力強、檢測靈敏度高、檢測范圍廣的特點，特別是對鋼管母材線性缺陷有更高的檢出率。該探頭的使用，簡化了檢測工序，提高了生產效率，增強了質量控制，優化了檢測手段，能夠得到滿意的探傷結果。

圖2　鋼管母材裂紋波形圖

圖3　鋼管母材裂紋金相圖

圖4　鋼管母材夾雜波形圖

圖5　鋼管母材夾雜物金相圖

5　結語

超大型晶片K1探頭與探傷儀的綜合性能均滿足計量檢定規程JIG 746―2004，其靈敏度余量、空載始波寬度、分辨率、遠距離和近距離等技術指標均達到標準要求，性能穩定。

實踐表明，超聲波檢測是鋼管母材檢測的有效手段之一。超大型晶片K1探頭的使用，大大縮短了檢測時間，直接提高了鋼管生產效率，增強了產品質量控制能力，創造了可觀的經濟效益，降低了鋼管的質量事故風險，同時對鋼板軋制質量分析具有很好的實用價值。

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