鋼管管端坡口面橫縱波專用探頭（LS型）設計與應用

汪 超，張志明，王慶雷

（1.渤海裝備巨龍鋼管南京公司，南京 210061；2.渤海石油裝備制造有限公司 輸送裝備部，河北 青縣062650）

0 前 言

隨著我國經濟的飛速發展，對鋼管產品的需求越來越多，同時對其質量的要求也越來越嚴格。在鋼管的生產過程中，為了控制鋼管質量，鋼管無損檢驗標準要求對鋼管管端坡口面進行檢測，同時還要求每根鋼管管端端面應采用專用超聲波、滲透或磁粉法檢查是否存在延伸到管端面的分層和裂紋缺陷。

鋼管管端坡口面是由鈍邊和坡口組成，在利用常規的單晶K1斜探頭加上工裝的檢測過程中，探頭在鋼管內表面沿著圓周方向進行掃查，這樣對鋼管坡口面上的裂紋（線性缺陷）、夾渣（夾雜）都有很高的檢測靈敏度，很容易發現該類缺陷，但卻很難發現管端坡口面上的母材分層缺陷。因此，對鋼管管端坡口面超聲波檢測進行了研究，根據超聲波檢測原理及鋼管管端坡口易出現缺陷的特征，研制了一種鋼管管端坡口面橫縱波專用探頭（下文簡稱LS型探頭）。該探頭是由一種橫波和一種尖脈沖縱波組合而成，不但可以檢出鋼管管端坡口面上的裂紋（線性缺陷）、夾渣（夾雜）等缺陷，還可以檢出鋼管管端坡口面上母材分層、重皮等重要危害性缺陷，確保了鋼管管端的質量。

1 LS型探頭的研制背景

1.1 標準要求

在天然氣管道工程中，鋼管管端的質量要求比管體部位更為嚴格，這主要是針對管端裂紋和母材分層缺陷的問題。因此，鋼管管端就要求用專用的超聲波檢測方法來檢測。CDP-S-NGPPL-006—2011-2《天然氣管道工程鋼管通用技術條件》要求：①管端25 mm范圍內、坡口面上及縱焊縫兩側不允許存在分層，擴展到鋼管表面、坡口面上、距焊縫兩側25 mm范圍內的分層均視為缺陷，有這種缺陷的鋼管應切除，直到去除這種分層為止；②每根鋼管管端端面應采用專用超聲波、滲透或磁粉法檢查是否存在延伸到管端面的分層和裂紋。

1.2 常規探頭的不足及分析

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、折射或是波形轉換，且該波形信號與各種缺陷一一對應。這樣就可以利用被接收到的波形來計算缺陷的位置、種類以及數量等。

根據天然氣管道工程中鋼管的缺陷特征和相關標準，首先選用CTS-23型超聲波探傷儀和常規的超聲波檢測探頭進行檢測。結果發現，這種檢測方法只能檢測出管端的裂紋缺陷，且對缺陷方向性也較敏感，但是，卻很難發現管端母材分層的缺陷。

因此，這就要求對該類缺陷的檢出率必須達到100%。針對目前常規探頭存在管端母材分層缺陷難以檢出的不足，研制了管端坡口面橫縱波專用探頭（LS型），該探頭主要由一種橫波和一種尖脈沖縱波組合而成。

2 探頭的工作原理與結構特點

2.1 探頭的工作原理

超聲波探頭是利用壓電效應來制作的，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，這種效應稱為正壓電效應。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，探頭就發射超聲脈沖。反之，當一個超聲脈沖作用到探頭上時，探頭就產生一個電脈沖。

鋼管管端坡口面橫縱波專用探頭（LS型）的檢測過程如圖1所示，當坡口面上不存在缺陷時，就不會有波反射回來；而當坡口面上存在缺陷時，就會有較高的反射波反射回來。管端坡口面缺陷波形如圖2所示。在鋼管管端檢測中，只要有反射波出現，即可判定為缺陷波。如果該缺陷波被評為不可存在的缺陷，就必須切除該缺陷部位的管段。

圖1 管端坡口檢測示意圖

圖2 管端坡口面缺陷波形圖

2.2 LS型探頭的結構特點

LS型探頭是由一種橫波和一種尖脈沖縱波組合而成的探頭，包括電纜接頭、探頭外殼、兩根引線、吸聲材料、透聲斜楔、兩塊阻尼塊、隔聲層、耐磨塊和兩塊自發自收壓電晶片等組成，其結構如圖3所示。

圖3 LS型探頭結構示意圖

由圖3可知，LS型探頭的電纜接頭位于探頭外殼上，透聲斜楔的斜面與底面成45°夾角，固定在探頭外殼前內部的下底面上，探頭外殼內充滿吸聲材料，其中一自發自收壓電晶片貼裝在透聲斜楔的斜面上，另一自發自收壓電晶片貼裝在耐磨塊上，兩塊自發自收壓電晶片通過引線與電纜接頭連接，并通過隔聲層隔開，互不干擾，探頭側面要超出探頭耐磨塊一部分以保證在檢測時與管端端面緊貼。

為了保證探頭的探測面積，防止其他信號對檢測結果的干擾，將橫波自發自收壓電晶片尺寸設計成8 mm×12 mm×2 mm，尖脈沖縱波自發自收壓電晶片尺寸設計成φ5 mm并緊貼探頭側面，探頭外殼尺寸設計成38 mm×18 mm×26 mm。檢測時通過壓電晶片發射出超聲波實現電聲換能。探傷時，探頭在管端坡口面內側做圓周運動，聲束通過耦合劑進入管端坡口面，探頭的兩種壓電晶片各自通過自發自收的方式確保鋼管管端坡口面缺陷100%探出。

3 LS型探頭的主要技術要求

3.1 橫波探頭折射角（或入射角）的要求

橫波探頭的折射角（或入射角）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，需要依據相應的理論，并根據采用的有機玻璃以及被檢測材料的聲速計算相應的縱波折射角（或入射角），橫波探頭的折射角為45°。

3.2 探頭頻率的要求

探頭頻率是影響檢測結果是否準確的重要因素之一。探頭頻率高，檢測時靈敏度和分辨率就高，指向性就好。隨著頻率的降低，探頭的尺寸要相應增大，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，該探頭由兩個不一樣的晶片組成，兩個晶片發射的波形也不一樣，其橫波晶片發射頻率為2.5 MHz，尖脈沖縱波晶片發射頻率為5 MHz。

3.3 探頭晶片尺寸的要求

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。由于檢測對象為表面比較平整且曲率較大的鋼管，為了減少鋼管檢測時的耦合損失，設計該探頭橫波晶片尺寸為8 mm×12 mm×2 mm，尖脈沖縱波晶片尺寸為φ5 mm。

3.4 透聲楔尺寸和形狀的要求

設計橫波探頭時，選擇合適的長度、寬度和高度是必要的，阻止經過多次反射的聲波返回到晶片上是設計的關鍵。探頭入射點至探頭最前端的距離為探頭前沿，探頭前沿應大到足以使晶片上邊緣發射的聲波不會經前臂與底面形成兩面角反射回來。同時，也要注意使晶片下邊緣發射的聲波經透聲楔反射后不會回到晶片的上邊緣。試驗證明，探頭尺寸為38 mm×18 mm×26 mm，探頭橫波檢測前沿為6 mm最為合適，其發射方向與尖脈沖縱波晶片方向相反，從而避免波形的相互干擾。

4 現場應用效果

探頭制作完成后，對其性能進行測試和實際應用。以天然氣管道工程鋼管通用技術條件為例，要求對每根鋼管管端坡口面進行專用超聲波檢測，檢測是否存在延伸到鋼管端面的分層或裂紋。根據要求，在鋼管管端坡口面部位制作了對比試塊，在對比試塊上加工φ1.6 mm的豎通孔和φ6 mm平底孔。

用CTS-23型超聲波探傷儀在對比試塊上進行調試，使反射波達到80%作為檢測靈敏度，在檢測過程中，只要出現缺陷波就確定為不可接受的缺陷。

采用常規探頭和LS型探頭對鋼管管端坡口面進行檢測對比，發現坡口面上裂紋（線性缺陷）的波形基本一致。管端坡口面上母材裂紋的金相照片及其檢測波形如圖4所示。

圖4 管端坡口面上母材裂紋的金相照片及其檢測波形

但在檢測管端坡口面上母材的分層缺陷時，常規探頭很難檢出，而LS型探頭就很容易檢出該類缺陷。管端坡口面上母材分層的金相照片及其檢測波形如圖5所示。

采用LS型探頭探傷時操作簡便，效率高，能100%覆蓋管端坡口面，檢測靈敏度高，盲區小，分辨力強。該探頭可作為管端坡口面檢測的專用探頭。

圖5 管端坡口面上母材分層的金相照片及其檢測波形

5 結 語

鋼管管端坡口面橫縱波專用探頭（LS型）的使用，不僅加強了鋼管產品的質量控制，而且還降低了鋼管產品的質量風險。在檢測過程中，為了保證鋼管的實物質量和理順生產過程，結合鋼管制造技術標準，對缺陷回波信號有問題的鋼管要進行切除處理，以保證鋼管成品的質量。

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［2］ISO 3183，石油天然氣工業輸送鋼管交貨技術條件 ［S］.

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