φ500～1000mm管材超聲波水浸法自動探傷設備

吳海燕，吳揚寶，高東林，張倫兆

（北京有色金屬研究總院，北京 100088）

隨著我國管材制造工業的發展，無縫管材正朝著大直徑的方向發展。其對于探傷的要求越來越多，越來越高。很多廠家大多采用手工探傷方法，探頭與鋼管的接觸是用機油、漿糊等作耦合劑探傷，存在探頭磨損大、探傷速度慢等問題，影響生產效率。為了提高生產效率，降低勞動強度，采用超聲波水浸法自動探傷可滿足實際生產要求。

1 水浸法探傷原理及方法

所研制的水浸探傷設備采用脈沖反射法對管材進行探傷。探傷形式為探頭左右擺動調整，管材螺旋前進。局部水浸法探傷所得管材中的缺陷由超聲波探傷儀判別，計算機記錄缺陷大小并報警，實現自動化探傷目的。管材超聲波水浸法探傷需注意下列幾點：

圖1 φ500～1000mm管材水浸法探傷

（1）管材水浸法探傷的波形與接觸法不同，除始波外，還有界面波，如圖1所示。為了充分利用儀器的示波屏，并使缺陷波形顯示清晰，通過適當調節儀器的“水平”和“掃描時間”旋鈕，使始波不顯示，一、二次界面波得到顯示。另外也可采用跟蹤觸發方式，即儀器的掃描電路由界面脈沖觸發，這時沒有始波顯示，只有界面波顯示。當探頭位置調試正常時，探頭左右擺動調整改變入射角，管材轉動前進，在一、二次界面波之間顯示缺陷波形。

（2）探傷機械設備應有良好的精度（即同心度）和隨動性，以保證動態情況下界面波的位置和幅度無顯著變化。

（3）應經常保持探頭聲透鏡表面潔凈，為此除定時檢查清洗外，還必須保持耦合用水的清潔。

（4）水浸法探傷用16通道儀器組合探頭，設備實現自動化探傷。必須保證各通道具有基本一致的探傷靈敏度。

（5）探傷中應注意隨時排除各種干擾信號，防止造成誤報警現象。

2 超聲波水浸法自動探傷設備構成

φ500～1000mm管材超聲波水浸法自動探傷系統組成如圖2所示。

圖2 超聲波水浸法自動探傷設備構成

2.1 探傷主機

探傷主機由升降裝置、水箱、隨動裝置、組合探頭和調節裝置組成。升降裝置的作用是保證主機中心與鋼管在輥道上中心一致。組合探頭裝在水箱內，由探頭調節裝置調節入射角。為了保證入射角穩定且波形晃動較小，隨動裝置起到水箱與鋼管隨動作用，如圖3所示。

2.2 隨動裝置

水浸法探傷時，探頭不直接與管材接觸，而是通過水來耦合。若管材螺旋前進時有一定波動，將造成入射角改變，缺陷波形也隨之改變，非常不利于探傷。為了減少缺陷波形波動，設計了隨動裝置，以保持探頭到管材表面距離的相對穩定。隨動裝置主要是在水箱上裝有彈簧，保證水箱可以上下隨動，水箱下方有輥輪，可以左右移動，以此達到隨動目的，起到減少界面波晃動，使缺陷波形相對穩定的效果。

圖3 探傷主機

2.3 組合探頭結構

2.3.1 組合探頭結構

探頭是由7個單一的線聚焦探頭組合而成的，如圖4所示。探頭晶片面積大有利于提高檢測速度，但晶片面積過大會影響探頭靈敏度分辨力及聲阻抗，故一般選擇為φ10mm左右。

實際每個晶片的尺寸為20mm×12mm，是由同一塊晶片切割而成，制作成組合探頭，探頭晶片相隔間隙為2mm。組合探頭有效長度150mm。每一個探頭分別由儀器每個通道控制。探頭頻率5MHz。晶片材料鋯鈦酸鉛。

按照以上方法制做的組合探頭特性基本相同。由于線聚焦探頭呈直線排列，利用聲場擴散原理，各個探頭之間有一定的覆蓋區域，寬度等于若干探頭的聲場有效寬度之和，故探傷螺距成倍增大，從而提高了探傷速度，如圖5所示。同時水程距離變化對探頭掃查效果有直接影響，所以必須控制在一定范圍內，不然影響探傷儀計算機對缺陷的判別。

圖5 組合探頭性能示意

2.3.2 組合探頭要求

同一組合探頭的靈敏度誤差應小于4dB。探頭之間聲束要求平行，即探頭晶片要求在同一平面上。探頭要求有較高的機－電轉換效率，以得到較高的探傷靈敏度。脈沖持續時間要短，激勵后可盡快回到靜止狀態，以便獲得較高的縱向分辨力和較小的盲區。要求有良好的波形，即有接近高斯曲線的頻譜分布曲線。要求有適當的聲阻抗，以獲得較高輻射效率。

2.4 探傷靈敏度的調節

調節探傷靈敏度時，采用長度小于40mm的人工缺陷，深度為壁厚的8%～15% 。首先將人工缺陷放置在組合探頭上方，組合探頭轉動調節入射角，轉動管材找到人工缺陷顯示波最大波高，并將報警閘門放置在缺陷波上。此時需注意組合探頭必須放置在與管材平行位置，水程距離要適當。

2.5 輥道及傳動裝置

輥道是由兩個相對滾輪組成的滾輪組，單體滾輪可以轉動角度并能夠相向調節距離。有八對滾輪組由萬向聯軸節相互連接，組成旋轉輥道。滾輪開合大小根據管材直徑調節。滾輪轉動角度可以由旋轉螺距調節。輥道由鏈輪與變速箱連接形成傳動裝置。傳動裝置可以正反方向轉動也可以步進調速度，如圖6所示。

圖6 錕道及傳動裝置

3 結語

所研制系統已經在廠家得到實際應用，具有以下優點：

（1）采用探頭擺動方式改變入射角進行探傷，調節方便。

（2）采用線聚焦組合探頭，掃描螺距大并且一致性好，顯著提高了探傷靈敏度。

（3）實現了機械化探傷，大大提高了生產效率。

（4）解決了探頭磨損問題，使用了廉價的水耦合介質，降低了生產成本。