鋼管軸向超聲橫波檢測方法

王計寶

（遼寧省安全科學研究院，沈陽 110000）

超聲橫波檢測方法一般分為曲線法與幅值法，曲線法常用來檢測焊縫，幅值法常用來檢測原材料自身缺陷。

超聲幅值法檢測之前，必須先進行超聲波探傷儀的掃描基線校準、橫波斜探頭K值測試、確定檢測范圍與檢測靈敏度等準備工作。而掃描基線校準與探頭K值測試需要在規定的標準試塊上進行。由于超聲檢測教材與相應超聲檢測標準對鋼管橫向缺陷檢測都沒有規定所用的標準校準試塊，因此筆者利用等效校準試塊的原理探討使用SGB、DL、GS等系列校準試塊，完成不同直徑鋼管橫向缺陷檢測時掃描基線校準與橫波斜探頭K值測試的可行性［1－4］。

1 鋼管橫向缺陷檢測時關注的問題

1.1 掃描基線校準

圖1網格區域下方帶有刻度的水平線段稱作超聲波探傷儀的掃描基線，掃描基線的作用相當于尺，檢測時依據缺陷反射回波在掃描基線上出現的位置判定缺陷在被檢工件中的位置。

圖1 超聲波探傷儀掃描基線示意

如圖2所示，檢測時超聲波是由探頭斜楔中壓電晶體發出，并在斜楔中走過距離a，經由入射點進入被檢工件，相同型號或不同型號的超聲探頭a值不同。對一位置固定的缺陷，掃描基線校準前由于a值不確定，也無法通過反射回波在掃描基線上出現的位置準確地反映出缺陷的真實位置，因此，超聲檢測前必須先進行掃描基線校準。掃描基線校準的過程，就是借助校準試塊上已知尺寸規則反射體的反射回波確定超聲波的入射點，將入射點與圖1所示掃描基線的0點重合，在掃描基線上去除a值的不確定對反射回波準確定位的影響。

圖2 橫波探頭斜楔示意

1.2 K 值測試

如圖3所示，假設φ1通孔為一固定位置的缺陷，如果超聲波折射角度βs確定，則圖3中的S是定值，S的具體數值可在掃描基線上讀出；缺陷的實際埋藏深度H＝cosβs（S＋0.5）。因此，超聲檢測除要求掃描基線必須具備尺的精度，還要求必須掌握βs的準確值。由于超聲檢測的歷史原因，將βs的正切值定義為超聲橫波探頭的K值，即tgβs＝K。

圖3 K 值測試示意

超聲探頭均是手工制作，其K值具有一定的誤差，相關超聲檢測標準將這一誤差范圍規定為K±0.1。由于K值直接關系到缺陷定位的準確性，故其具體數值必須在檢測開始之前，利用校準試塊測試得出。

1.3 校準試塊的選擇

掃描基線校準，探頭K值測試必須在校準試塊上完成，因此選用的校準試塊必須具備掃描基線校準與探頭K值測試的功能。對于鋼管的軸向超聲橫波檢測，由于鋼管的直徑范圍較大，因此必須考慮超聲探頭與被檢鋼管的良好接觸問題。一般規定，鋼管外徑不大于600mm 時，選用探頭的軸向曲率半徑必須與選用校準試塊的軸向曲率半徑相同或相近；鋼管外徑大于600mm 時，選用探頭的底面與選用的校準試塊可以是平面，因此應重點考慮鋼管外徑不大于600mm 時校準試塊曲率半徑的選用。

等效試塊是指：能代替標準試塊完成對儀器與探頭系統性能校準，能代替對比試塊完成檢測靈敏度校準的試塊。

1.3.1 SGB系列校準試塊的選擇

依據等效試塊的原理，選擇SGB系列試塊做為鋼管軸向超聲橫波檢測的校準試塊，SGB 系列試塊一套共計六塊，各試塊曲率半徑及適合鋼管的外徑范圍見表1。試塊的結構示意如圖4所示。

表1 SGB系列試塊適用范圍 mm

圖4 SGB系列校準試塊結構示意

由表1可知，SGB－5號試塊曲率半徑適用管外徑范圍為φ360～φ600mm，滿足鋼管曲率半徑上限要求。SGB－1 號校準試塊最小適合管外徑為φ57mm，滿足不了管外徑小于57mm 的鋼管軸向超聲橫波檢測掃描基線校準與K值測試的需要。

1.3.2 DL系列校準試塊的選擇

表2 中第3 號試塊最大適合管外徑范圍為φ48～φ60mm，SGB－1號試塊適合管外徑范圍為φ57～φ89 mm，形成了管外徑的交叉覆蓋，管外徑范圍φ32～φ600mm的鋼管軸向超聲橫波檢測都有校準試塊，可以完成掃描基線校準與探頭K值測試。試塊的結構示意如圖5所示。

表2 DL－1系列試塊適用范圍表 mm

圖5 DL－1系列校準試塊示意

2 SGB、DL系列試塊的使用

2.1 雙弧法掃描基線校準

參考圖4與圖5，具備雙弧法（用校準試塊兩個圓弧反射回波實現掃描基線校準的方法）掃描基線校準的數字式超聲波探傷儀，可用SGB系列試塊的R50與R25圓弧，或使用DL 試塊的R50與R30圓弧的反射回波完成掃描基線校準。

2.2 單弧法掃描基線校準

具備單弧法（用校準試塊上一個圓弧反射回波實現掃描基線校準的方法）掃描基線校準的數字式超聲波探傷儀，可用SGB 系列試塊的R50 或R25圓弧，或使用DL試塊的R50或R30圓弧的反射回波完成掃描基線校準。

2.3 K 值測試

參考圖3，兩種校準形式的數字式超聲波探傷儀，可依據不同K值的探頭選用SGB或DL系列校準試塊上不同深度，不同直徑的橫通孔進行K值測試，其數學表達式如下：

式中：H為測試孔的圓心距離測試面的深度；φ為測試孔的直徑；S值可由儀器得出。

2.4 雙孔法掃描基線校準與探頭K 值及前沿測試

圖6所示GS系列校準試塊與SGB、DL系列校準試塊幾何形狀不同，缺少用來掃描基線校準的不同半徑1／4圓弧，不適合雙弧或單弧法掃描基線校準功能的數字式超聲波探傷儀。具備雙孔法掃描基線校準功能的CBC－100型數字式超聲波探傷儀可參考圖6，借助SGB、DL等系列校準試塊上任意不同深度兩個橫通孔反射回波達到最高點時獲得的L1與L2值，利用下列計算結果一次完成掃描基線校準，探頭K值與前沿測試。此方法定義為雙孔法。

圖6 雙孔法掃描基線校準與探頭K 值及前沿測試示意

前置聲程

式中：τ1與τ2為一次聲程分別發現h1與h2孔時的聲程（包含a），可在掃描基線上獲得。

儀器利用上述計算公式一次完成掃描基線校準與探頭K值及前沿b的自動測試。

3 基準靈敏度確定

上述不同校準方法的探傷儀掃描基線校準時，可在探頭K值測試結束后使用相關檢測標準指定的人工V 型槽靈敏度校準試塊確定基準檢測靈敏度。

4 結語

SGB系列等效校準試塊與DL系列等效校準試塊組合，解決了管外徑由φ32～φ600mm 或φ36～φ600mm 的鋼管軸向超聲橫波檢測時超聲探頭軸向曲率與校準試塊軸向曲率的匹配問題；也同時解決了掃描基線校準方法不同的各類型數字式超聲波探傷儀的掃描基線校準與探頭K值測試的問題。

通過等效試塊的使用，完善了鋼管軸向超聲橫波檢測方法，掃描基線校準，探頭K值測試，檢測靈敏度確定的全過程，滿足了超聲波檢測的基本要求，彌補了超聲檢測教材與標準的欠缺。

軸類鍛件，筒形鍛件及棒材超聲軸向橫波檢測都存在與之相同的問題，可借鑒上述方法予以解決。

［1］JB／T 4730.3－2005 承壓設備無損檢測 第3部分 超聲檢測［S］.

［2］DL／T 820－2002 管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程［S］.

［3］SY／T 4109－2013 石油天然氣鋼質管道無損檢測［S］.

［4］中國特種設備檢驗協會.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2009.