變型橫波反射法在超厚壁鋼管檢測中的應用

劉國海 張景旭

摘 ?要：現階段，各行業對無縫鋼管的質量要求越來越高，大量研究已經證實超聲波無損檢測技術是一種有效的檢測方法。目前，有關變型橫波反射法的無損檢測研究成為熱點，文章主要介紹了變型橫波反射法的原理和在超厚壁鋼管無損探傷中的應用，具有準確率高、實用性強、應用方便等優點。

關鍵詞：超聲波;無損探傷;超厚壁鋼管

引言

在超聲波探傷的基本方法中，按聲耦合方式來分類，可分為接觸法和水浸法兩大類。對于無縫鋼管管壁的超聲波探傷，目前運用最為廣泛的方法是水浸法，它是將探頭發射的超聲波經過一定厚度的水層后再進入工件的探傷方式。在水浸法中，對于不同壁厚的探傷方式主要有兩種，一種為橫波反射法，一種為變型橫波反射法。在進行超聲波檢測時，面對鋼管壁徑比t/D大于0.2的超厚壁鋼管，常用的橫波反射法已經不能完整地探查到鋼管內壁上的缺陷。為實現對鋼管進行完整的探傷，必須保證折射橫波與鋼管內壁相切，所以就需要使用變型橫波反射法進行探傷。

1 變型橫波反射法的檢測原理

當t/D>0.2時，橫波反射法已經無法探測到鋼管內壁的缺陷，應采用特殊方法進行探傷，因此，變型橫波反射法得到了應用。其中，變型橫波反射法與橫波反射法的入射角就有所不同，前者的入射角要小于第一臨界角α1，這樣就可以保證，鋼管中的橫波和縱波同時存在，然后利用折射縱波在鋼管外壁上產生的反射橫波，進行超厚壁鋼管內壁缺陷的檢測。

為了獲得較大折射縱波分量，角度選擇小于第一臨界角，這樣折射縱波既能透射到管材一個壁面，又能分離出較強的反射橫波投射到管材的內表面，如圖1。

為了保證變型橫波能探測到鋼管內壁，這個角度也有它的最大值上限，根據數學推導可得

由公式（1）可以看出，探頭入射角的最大值，跟鋼管的內外徑尺寸比有直接關系。如表1，列出了幾種常見規格所允許的最大入射角[1]。這樣，就可以根據不同超厚壁鋼管的尺寸來選取相應的探頭，檢測其內部缺陷，滿足生產的需要。

2 實際應用

2.1 標準樣管設計

根據現行的相關標準和技術要求，采用規格為φ121mm×36mm的超厚壁鋼管，截取一段，在鋼管內外壁上進行人工刻傷，加工成具有橫孔和矩形槽的兩種標準反射體，其中橫孔可制作成φ2mm深25mm的規格，矩形槽可按標準GB/T 5777-2008制作成40mm×1mm×1.5mm的矩形槽。在進行無損檢測時，需要有標準人工參照反射物來檢查探測儀的靈敏度，以保證檢測的準確性。

2.2 探傷頻率的選擇

根據GB/T 5777-2008標準要求[2]，探傷儀使用的探頭頻率可以在1-15MHz之間選擇。同時，根據鋼管本身的結構采用適當的頻率探傷，查閱資料可以發現，晶粒較粗的鋼管可以采用低頻進行探傷，反之則需要用高頻。通過生產經驗可知，對于該規格超厚壁鋼管，可采用頻率為2.5MHz的探頭進行探傷。

2.3 檢測方法

在對超厚壁鋼管式樣檢測之前，先將鋼管探頭探測處的油漆及氧化膜去掉，以保證探頭和鋼管之間良好的接觸。當變型橫波遇到鋼管內外部缺陷時，會產生強烈的反射信號，在其所顯示的波形中，外傷顯示的波形相對于內傷顯示的波形更靠近始脈沖，因此操作人員在工作中，可以根據缺陷波在時基線上的位置，很容易正確地判斷出來內外壁的缺陷。但是，在實際應用中，由于超厚壁鋼管的本身厚度原因，會導致鋸齒形傳播的超聲波由于跨距增大而加大衰減量，從而再導致鋸齒漏點面在鋼管圓周面上出現的問題。因此，為了保證探傷儀對鋼管圓周的110%的檢測，才能對鋼管進行批量的精確檢測，所以需要增大探頭沿鋼管圓周方向的移動范圍。根據生產經驗，可將鋼管分為三個圓周面，每次檢測鋼管的三分之一圓周，且每次檢測應有10%的覆蓋面，從而保證全部缺陷均被檢測出來。

2.4 實測結果

實際檢測時選取三十根φ121mm×36mm的超厚壁鋼管進行檢測，在入射角的最大允許范圍內，根據相關技術規范要求，測試三十根超厚壁鋼管時，發現有缺陷的超厚壁鋼管認定為不合格，并將缺陷鋼管進行解剖驗證缺陷確實存在。實驗證明，該方法檢測超厚壁鋼管內部缺陷比常規方法所檢測的結果真實可靠，同時具有準確率高、實用性強、應用方便等優點。

3 結束語

超厚壁鋼管壁徑比大，常用的橫波反射法不能完整的檢測到鋼管內壁上的缺陷，所以變型橫波反射法得到了應用，它通過調整探頭不同的入射角，使之配合不同的超厚壁鋼管規格，再增大探頭沿鋼管圓周方向上的移動范圍，避免漏測點面的出現。根據生產經驗可知，變型橫波反射法具有實用性強，準確率高和應用方便等優點。但是，目前這種檢測方法還存在缺陷，對于缺陷的成像還不能直觀顯示出來，使它的發展有一定的局限性，因此未來可以向信號成像、處理等方面發展，使該技術慢慢成熟起來。

參考文獻

[1]趙仁順.超厚壁鋼管內壁缺陷的超聲波探傷方法研究[J].檢測技術，2010，39（3）：55-59.

[2]中國鋼鐵工業協會.GB/T 5777-2008.無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法[S].北京：中國標準出版社，2008.