大容積鋼制無縫氣瓶瓶口螺紋的小角度縱波超聲檢測

楊靜 王騫 歐三立

摘 要：隨著環保越來越受到人們的重視，天然氣以其價格優勢和低碳環保的屬性，已經普遍應用于汽車能源市場。然而，受制于我國的國情，我國天然氣管道建設還遠落后于實際生產所需，為了解決天然氣運輸問題，長管拖車的使用則變得日益重要。隨著近些年我國長管拖車保有量的不斷增加，如何保證長管拖車安全的使用就成為亟待規范和把控的關鍵問題。

關鍵詞：天然氣管道;長管拖車;超聲波檢測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.013

在運行的過程中，長管拖車的受力情況十分復雜，特別是大容積無縫氣瓶瓶口部位要承受瓶體產生的動、靜載荷，并將這些載荷傳遞給法蘭，因此瓶口部位是長管拖車的關鍵部位。根據受力可知，瓶口在截面上的受力是并不均勻的，且越接近表面受力越大，所以瓶口的裂紋主要產生在瓶口的表面和近表面。另外瓶口長期經受交變載荷，易造成金屬的疲勞，降低了金屬的抗拉強度和疲勞極限，從而容易在瓶口螺紋部位產生橫向裂紋。

然而，長管拖車用大容積無縫氣瓶在定期檢驗的過程中，為了保證法蘭的完整性和不破壞瓶口外螺紋，而不能拆卸法蘭，因此無法在外表面做磁粉檢測。這時使用小角度縱波超聲檢測從瓶口端面檢測就成為了最為可行的辦法。

1 小角度縱波超聲檢測的原理

小角度縱波超聲檢測方法如圖1所示，將小角度探頭置于瓶口端面，調整探頭角度使探頭的主聲束朝向瓶口螺紋方向，利用探頭折射的縱波進行探傷。當折射的縱波輻射到螺紋部位時，螺紋部位的反射會在超聲探傷機上顯示清晰的鋸齒形波形如圖2。若螺紋根部存在橫向裂紋，輻射到裂紋部位的超聲就會產生比正常螺紋更加強烈的聲波反射，從而在超聲探傷儀上顯示一個比正常螺紋反射更高的反射波如圖3。根據波高的高低和在掃描時間軸上的位置，便可判斷裂紋的大小和在瓶口的位置。

2 探頭的選擇

（1）探頭頻率的選擇。晶片發出的超聲波，其方向在某一個范圍內，聲束是不擴散的。可是，發射到一定程度時，由于晶片的制約力減弱，聲束就開始擴散。聲速的半擴散θ與頻率T、晶片直徑D和聲速C的關系為：

由上述公式可知頻率越高，晶片尺寸越大，半擴散角越小，聲束便更加集中，從而使靈敏度變高。所以實際探傷中，為了提高探傷靈敏度一般采用5MHZ的探頭。

（2）探頭角度的選擇。瓶口在使用過程中由于受到復雜的交變應力作用，一般會在螺紋根部產生橫向裂紋，所以可以采用縱波直探頭和小角度縱波斜探頭。圖4和圖5分別是直探頭和小角度斜探頭檢測同一深度人工缺陷的靈敏度發射波形。由圖4和圖5可見，檢測同一深度為77mm，開口深1.5mm的橫向缺陷，當缺陷波高都為80%時，斜探頭的靈敏度為50.8dB，直探頭為56.7dB，相差5.9dB。所以，為了提高檢測靈敏度應采用小角度斜探頭。

如圖1所示，為了檢測到瓶口根部直段，超聲波經折射后的折射角α應滿足如下：

其中H≈23mm，L≈110mm。

α≤arctan（H/L）=arctan（23/110）=11.8o

又由表1可以得知，在滿足α的同時，只能選擇探頭角度為3o或5o的小角度斜探頭。

3 缺陷和偽缺陷的識別

正常瓶口螺紋探傷過程中，無缺陷的反射波形為鋸齒形波形，各螺紋反射波波幅相差不大且有一定的規律性。當螺紋底部出現裂紋時，這種規律會被打破，而出現個別明顯高于周圍螺紋波的反射波，或因裂紋波的遮擋而在這個較高的反射波后出現一段空白。因此根據裂紋波的特點來比較正常螺紋和帶有裂紋螺紋的反射波就不難判定螺紋底部是否存在裂紋。

但同時，長管拖車在長期的運行過程中，瓶口螺紋與法蘭之間相互磨損，會在瓶口螺紋與法蘭之間產生臺階，導致在超聲探傷中發現缺陷顯示，所以探傷人員要根據實際情況綜合各種信息判別該缺陷波是否為裂紋反射波。如果無法判斷，可將法蘭拆卸進行磁粉檢測，以防止出現漏檢或誤檢。

4 結論

綜上所述，正確地采用小角度縱波斜探頭進行瓶口螺紋探傷，既能很好的解決法蘭無法拆卸而導致的檢測盲區，也能快速準確的檢測出螺紋根部出現的橫向裂紋缺陷，從而提高檢測效率、增加經濟效益。但同時，缺陷和偽缺陷的識別也需要探傷人員長期的經驗積累。

參考文獻：

[1]鄭輝，林樹青.超聲檢測[M].中國勞動社會保障出版社，2008.

[2]李邦憲，張君鵬，陳祖志.長管拖車定期檢驗案例及剖析[M].北京：化學工業出版社，2013.

[3]TSG R0005-2011移動式壓力容器安全技術監察規程[S].

作者簡介：楊靜（1989-），男，土家族，湖北利川人，學士，助理工程師。