曲面掃查時(shí)楔塊與檢測(cè)面間隙的計(jì)算方法

吳 昊，楊宇清，羅曉明

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062）

超聲檢測(cè)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于管道無(wú)損檢測(cè)中［1－2］，當(dāng)管道直徑較小時(shí)，必須考慮到探頭楔塊表面與管道表面之間的耦合狀態(tài)［3］。標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－2013《焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》對(duì)曲面耦合條件進(jìn)行了規(guī)定，即檢測(cè)面與探頭楔塊底面之間的間隙（g）不應(yīng)大于0.5mm，并給出了相應(yīng)的間隙值計(jì)算公式。但是計(jì)算公式存在一定的局限性，公式為近似計(jì)算公式，而且只針對(duì)平面楔塊與曲面工件之間的間隙計(jì)算，未涉及曲面楔塊與曲面工件之間的間隙計(jì)算。此外，計(jì)算公式與標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》中的計(jì)算公式存在一定的差別。根據(jù)兩個(gè)公式對(duì)相同的楔塊以及工件進(jìn)行計(jì)算，所得到的計(jì)算結(jié)果不同。針對(duì)以上情況，分析了新舊標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)生差異的原因，并對(duì)不同曲率的楔塊進(jìn)行了全面的分析和公式推導(dǎo)。

1 新舊標(biāo)準(zhǔn)中符號(hào)的對(duì)比

因?yàn)樾屡f標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于楔塊寬度，工件之間采取了不同的符號(hào)說(shuō)明，容易使人混淆，因此筆者將兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系一一列出進(jìn)行對(duì)比分析。

如圖1所示，圖1（a）舊標(biāo)準(zhǔn)中探頭的楔塊寬度以W表示，圖1（b）新標(biāo)準(zhǔn)中以a表示；圖1（a）中管道半徑用R表示，圖1（b）中管道半徑用D／2表示。

圖1 新舊標(biāo)準(zhǔn)中相同試件不同的符號(hào)表示

2 間隙近似計(jì)算公式推導(dǎo)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－1989

在通常檢測(cè)情況下，楔塊底面應(yīng)被其與工件曲面的交線平分為對(duì)稱的兩部分。如圖2所示，圖中w為楔塊沿檢測(cè)方向的寬度，AC為楔塊沿檢測(cè)方向長(zhǎng)度的一半，AC為w／2；AE為工件直徑，AE為2R。此時(shí)的BC值為楔塊與工件表面的最大間隙（g）。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)GB11345－1989平面楔塊與工件接觸示意圖

由圖2 中可以得出ΔABC≈ΔAEB，因此可得BC／AB＝AB／AE，即BC＝AB2／AE。

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，為了耦合良好，應(yīng)使間隙（g）值盡量小，此時(shí)可挖認(rèn)為AB＝AC，因此，BC＝AC2／AE，即可得

公式（1）為楔塊與工件間隙的近似計(jì)算公式。

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，為了減少超聲能量的損失，應(yīng)確保探頭與工件的耦合良好，一般認(rèn)為，當(dāng)間隙（g）小于0.5mm 時(shí)，能達(dá)到該要求.即g＝w2／8R＜0.5，由此推導(dǎo)出w＜4R，即R＞w2／4，也就是說(shuō)當(dāng)R＞w2／4時(shí)，能滿足耦合要求，這就是舊版標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

按照新舊標(biāo)準(zhǔn)中符號(hào)關(guān)系，式（1）可以表示為：

2.2 標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－2013

由于檢測(cè)人員手法的影響，使得楔塊不能均勻?qū)ΨQ地沿著工件進(jìn)行掃查，其極端情況如圖3所示，楔塊只有邊緣與工件表面接觸，而其他部分完全與工件表面分離。圖中a為楔塊沿檢測(cè)方向的寬度，AC為楔塊沿檢測(cè)方向長(zhǎng)度，且AC與工件表面相切，AC＝a；AE為工件直徑，AE＝D。此時(shí)的BC值為楔塊與工件表面的最大間隙（g）。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)GB 11345－2013平面楔塊與工件接觸示意圖

由圖3中可以得出ΔABC≈ΔAEB，因此，BC／AB＝AB／AE，即BC＝AB2／AE，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，為了耦合良好，應(yīng)使g值盡量小，此時(shí)可近似認(rèn)為AB＝AC，因此AB＝AC，則BC＝AC2／AE，即

公式（2）為GB／T 11345－2013中楔塊與工作之間間隙（g）的近似計(jì)算公式。

3 精確計(jì)算公式推導(dǎo)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－1989

由圖2 中可以得出ΔABC≈ΔAEB，因此可得BC／AB＝AB／AE，即

對(duì)公式（3），（4）聯(lián)立求解，得到

公式（5）為楔塊與工件表面間隙的精確公式。

按照新舊標(biāo)準(zhǔn)中符號(hào)關(guān)系，式（5）可以表示為

3.2 標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－2013

由圖3 中可以得出，ΔABC≈ΔAEB，因此，BC／AB＝AB／AE，即

對(duì)公式（7），（8）聯(lián)立求解，得到

3.3 誤差分析

為了研究近似計(jì)算公式得到的結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間的誤差，對(duì)極端情況新標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－2013下通過(guò)兩公式計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行了比較，假設(shè)工件直徑D＝200mm，楔塊寬度a為5，10，15，20，25mm，計(jì)算得出的楔塊與工件間隙（g）如表1所示。

表1 近似公式與精確公式計(jì)算值對(duì)比

在工件之間相互固定的情況下，隨著楔塊寬度的增大，利用近似公式計(jì)算得到的結(jié)果與精確值之間的誤差逐漸增大，但是當(dāng)計(jì)算出的間隙值已經(jīng)達(dá)到0.5mm時(shí)，誤差僅有0.25%，這證明近似公式可以滿足檢測(cè)工作中的要求。

4 曲面楔塊與工件間隙

實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，往往根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的表面曲率，加工相適應(yīng)的曲面楔塊，并且探頭楔塊曲面與試塊的弧面半徑差越大，反射體的反射回波越小［4］。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－2013的要求，如果間隙（g）值大于0.5mm，則探頭楔塊底面應(yīng)修磨至與曲面吻合，此項(xiàng)要求說(shuō)明某一個(gè)固定曲率的楔塊可以覆蓋一定直徑范圍的工件表面，前提是楔塊與工件表面的間隙不大于0.5mm，只要滿足此要求，就不需要針對(duì)每一個(gè)工件尺寸加工一個(gè)完全吻合的楔塊（如Olympus的相控陣儀器，擁有一套針對(duì)不同管徑的楔塊成品，每個(gè)楔塊可以覆蓋一定直徑的管道表面）。只要通過(guò)計(jì)算得出楔塊與工件間隙（g）的值，即可判斷此楔塊是否滿足匹配條件。

4.1 工件直徑大于楔塊直徑

楔塊沿檢測(cè)方向的寬度為a，其底面曲率半徑為d／2，工件曲率半徑為D／2，如圖4所示，工件直徑大于楔塊直徑。

圖4 曲面楔塊與工件接觸示意圖

由圖4中幾何關(guān)系可得x＝g

4.2 工件直徑小于楔塊直徑

楔塊沿檢測(cè)方向的寬度為a，其底面曲率半徑為d／2，工件曲率半徑為D／2，如圖5所示，工作直徑小于楔塊直徑。

圖5 曲面楔塊與工件接觸示意圖

由圖5中幾何關(guān)系可得：y＝g（g為楔塊與工件表面的間隙），

5 結(jié)論

新標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－2013 中對(duì)于探頭靴底（楔塊底面）與檢測(cè)面之間的間隙計(jì)算公式是近似公式，其主要作用在于指導(dǎo)探頭（楔塊）的選型，在了解探頭（楔塊）幾何尺寸以及工件表面曲率的前提下，可以通過(guò)理論計(jì)算得知所選探頭（楔塊）是否符合間隙g不大于0.5mm 的要求。

舊標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－1989 和新標(biāo)準(zhǔn)GB／T 11345－2013中都提供了間隙g的近似計(jì)算公式，兩者并不是同一公式。GB／T 11345－1989是按照1節(jié)描述的通常接觸條件進(jìn)行計(jì)算的，而GB／T 11345－2013是按照2.2節(jié)描述的極端接觸條件進(jìn)行計(jì)算的。將同樣幾何尺寸的探頭（楔塊）帶入兩個(gè)近似公式，按照新標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的間隙大于按照舊標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的間隙，也就是說(shuō)，新標(biāo)準(zhǔn)提高了對(duì)于探頭（楔塊）與工件耦合的要求。

目前很多新型設(shè)備（如相控陣）擁有自帶的系列曲率楔塊，可以利用公式直接計(jì)算出某一型號(hào)楔塊能夠適用的工件曲率范圍。

［1］文毅，馮強(qiáng)，李燕.超聲檢測(cè)在管道焊縫腐蝕中的應(yīng)用［J］.無(wú)損檢測(cè)，2014，36（2）：50－52.

［2］周以琳.管道超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用［M］.青島：青島科技大學(xué)出版社，2011：1.

［3］李衍.小徑薄壁管道超聲相控陣檢測(cè)［J］.無(wú)損探傷，2015（1）：1－5.

［4］魏同鋒.小口徑管道超聲波檢測(cè)耦合曲面修正系數(shù)［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2014（6）：629－631，652.