超聲波探頭磨損對檢測的影響與修復方法探究

喻德耀

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院南昌檢測分院，江西南昌 330000）

0 引言

在工業生產中，存在大量的承壓類特種設備，對這些設備進行定期檢驗時，都需要進行一定比例的埋藏缺陷檢測。比如《鍋爐安全技術規程》（TSG 21—2020）規定，對于A 級鍋爐的集中下降管角接接頭、B 級鍋殼鍋爐管板與鍋殼的T 形接頭、貫流式鍋爐集箱筒體T 形焊接接頭應進行100%的超聲波檢測；《固定式壓力容器安全技術監察規程》（TSG 21—2016）中，第8.3.7條規定，埋藏缺陷的檢測，應當采用NB/T 47013—2015 中的射線檢測或者超聲檢測等方法；《壓力管道定期檢驗規則 工業管道》（TSG D7005—2018）第2.4.2.4 規定，埋藏缺陷的檢測，應當采用NB/T 47013—2015 中的射線檢測或者超聲檢測等方法。對于承壓類特種設備，無論是其制造過程中還是在役設備的定期檢驗過程，超聲波檢測是不可或缺的一種埋藏缺陷的檢測方法。

《承壓設備無損檢測》（NB/T 47013—2015）中第4.5.1.3 規定，超聲波檢測時，檢測面（探頭經過的區域）影響到檢測的油漆、雜物等應予以清除，然而在實際操作過程中，這一點往往很難達到標準要求。對于已投產的企業，使用的設備盛裝的介質大多存在一定的腐蝕性，雖然在檢測時，標準要求對檢測面進行打磨，但是實際上其往往光潔度有所欠缺。因此，超聲波檢測時檢測面往往不會太光滑。

檢測面不夠光滑平整，其結果是對探頭的保護膜產生一定的磨損，由于探頭直接與檢測面摩擦接觸，對于探頭的接觸面帶來一定的影響。根據超聲波檢測原理，探頭磨損不但會對檢測靈敏度產生影響，而且可能對缺陷造成漏檢或者誤判，進而帶來嚴重的安全隱患。因此，探究探頭磨損對檢測靈敏度的影響和修復磨損探頭的方法，具有較大的工程實踐意義。

1 探頭的結構和磨損形式

超聲波探頭是超聲檢測系統最重要的組成部件之一，其性能好壞直接決定了檢測效果和檢測系統發現最小缺陷的能力。超聲波探頭一般由壓電晶片、阻尼塊、接頭、保護膜、外殼、電纜線等組成，斜探頭還有一個使晶片與入射面成一定角度的斜楔塊。各組成部分的作用分別如下：①壓電晶片：以壓電效應的方式發送和接收超聲波，根據不同的需求，壓電晶片可以制作成不同的形狀，常見的有圓形、方形和矩形；②阻尼塊：對晶片的振動起阻尼作用，同時吸收晶片向其背面發射的超聲波；③保護膜：保護晶片和電極層不被磨損，改善探頭與試件的耦合效果；④斜楔：使超聲波傾斜入射到檢測面，同時屏蔽掉多次反射的超聲波，以防止缺陷被干涉。

探頭的主要種類有接觸式縱波直探頭、接觸式斜探頭、雙晶探頭（分割探頭）、接觸式聚焦探頭以及水浸平探頭和水浸聚焦探頭等。此外，為了滿足特殊需求，近年來還研制了高溫探頭、電磁超聲探頭和爬波探頭等專用探頭。對于承壓類特種設備的埋藏缺陷檢測來說，使用最為廣泛的探頭是縱波直探頭用于壁厚測定和接觸式斜探頭用于焊縫和木材的埋藏缺陷檢測，因此本研究專門探討這兩種探頭。

從上述超聲波的結構中可以了解到，檢測時探頭被磨損的部位是斜楔和保護膜。根據超聲波探頭的使用特點，結合檢驗人員檢測時的操作習慣，超聲波斜探頭、直探頭的磨損形式有以下4 種（圖1）。

圖1 探頭磨損的常見形式

2 磨損對超聲波探傷結果的影響

在承壓類特種設備中的設備定期檢驗中，按照《壓力管道定期檢驗規則 工業管道》之規定，對于GC1 管道，首次定期檢驗時應抽取焊接接頭總數的15%且不少于2個進行超聲或者射線檢測；對于GC2 管道，首次定期檢驗時應抽取焊接接頭總數的10%且不少于2個進行超聲或者射線檢測。雖然目前對于埋藏缺陷檢測的方法選擇中，射線檢測由于其自身優勢已然成為了首選，但是射線檢測由于需要電，還有焦距等一系列前置條件，超聲波檢測是一些特殊場合不得不選擇的一種方法。而探頭磨損對這類管道的檢測結果具有重要影響。

當對壓力管道焊接接頭采用超聲波檢測時，一般是采用斜探頭縱波入射，利用聲學原理，使入射波在管子中折射成純橫波后對焊接接頭的內外表面缺陷和埋藏缺陷進行檢測。在工程實踐中對石化管道Φ159×18 管道進行檢測時，對發現的缺陷存在爭議，為了查明原因，同時對探頭磨損對檢測結果的影響做細致的分析，基于此案例對發現的問題進行分析探討。

根據NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測》之規定，探頭的選擇按照標準中表25 進行選擇，但是在實際操作中，往往把探頭的保護膜的表面磨成一定弧度角以增加耦合效果。為形成對比效果，本次驗證特采用兩個探頭，一是檢測時采用的探頭，5P6×6K2（因磨損等原因其K 值待測定）（以下簡稱探頭1）；二是在探頭廠家定制的5P6×6K2（接觸面磨成了與Φ159 相貼合的形狀）探頭（以下簡稱探頭2）。儀器使用南通友聯PXUT-330，試塊按照《承壓設備無損檢測》附錄K 的要求進行設計，如圖2 所示：

圖2 RB-C 對比試塊

采用兩個探頭對試塊上的人工缺陷進行檢測時，其靈敏度對比見表1，為方便表述，將試塊中人為的3 個孔由內及外編號為1、2、3。從表1 中可以看出：①探頭1 的3 個人工缺陷的波幅差值達到了21 dB，但是標準探頭2 卻只有16 dB，給探傷靈敏度的確定帶來了挑戰；②探頭1 和探頭2 的靈敏度不一樣，比如對于孔1，探頭1 為70 dB，探頭2 為58 dB，相差12 dB，在探傷中隨著探頭的磨損其折射角慢慢增大靈敏度降低。

表1 檢測結果對比dB

分析其原因，由于檢驗機構的內部管理等原因，對于某一部門的所有超聲波檢測均由一個人負責，其借用一臺儀器設備后，往往要到每年的校準或者核查的時候才會歸還至設備室。因此該檢測人員長期使用同一臺設備、同一個探頭，其操作時習慣對探頭的后半部分較為用力，因此探頭的后半段磨損較為嚴重，利用CSK-IA 試塊實測此探頭的K 值，竟然高達2.8。在管道檢驗中，根據聲學傳播理論可知：K 值越大，越能接收到一次回波，而一次回波由于其傳播路徑短，被折射和散射的概率也低，回波幅度往往比二次回波大得多，因此其檢測的靈敏度普遍要高于探頭2。在此案例中，所探測出的缺陷也是由于K 值的變化而對表面凹坑的放大，因此對管道氣刨后，也未發現可疑缺陷。

3 解決措施

通過上述理論分析和案例分析，可以得出超聲波探頭經過磨損后，其原有的特性會有所變化，特別是對其K 值的大小，聲束入射點（探頭前沿）、耦合性能等影響較大。另外，根據超聲波檢測理論，缺陷的深度、長度尺寸等關鍵參數和聲束入射角與入射點的變化有關系，如果探頭磨損不及時修復，則其在儀器上的顯示長度也會放大或者縮小，因此探頭修復至關重要。根據多年的超聲波檢測經驗，對于探頭修復有以下建議：

（1）如果磨損不嚴重，可以通過在試塊上對參數進行調節來實現“修復”。例如在對上述案例的前期，發現探頭根部已經開始磨損，但不至于報廢或者暫不需要采用加工的方式來調整，可以通過在試塊上對探頭K 值進行調校的方式來進行。如果在試塊上調整發現K 值與標稱值相差達0.5 以上，則可以采用在粗砂紙上進行打磨的方法，使超聲波探頭與工件接觸面與上平面保持平行，經過粗加工后用水砂紙進行細磨以保證光潔度及耦合性。在修復后應當在超聲波試塊上進行調試確定其前沿、K 值，并重新制作DAC 曲線以保證探傷數據準確性。

（2）如果是重度磨損，則不能采用儀器設備調整參數的方法進行修復，應采用砂輪機對探頭上的下半部分進行充分打磨，打磨量應保證工作面與上平面平行，最后用粗砂紙打磨以保證光潔度。再則，應選擇一塊與探頭斜楔材料一致的有機玻璃塊，其大小應稍大于探頭需要修復面，厚度一般3～5 mm 即可。通過不斷的修磨調整，直至其表面光潔無劃痕，使用三氯甲烷將超聲波探頭與有機玻璃板粘接在一起，使用臺虎鉗夾緊保證粘接效果晾干后修去有機玻璃板多余部分即為修復完成。經修復后的超聲波探頭應按照新探頭的程序來確定其前沿、K 值并重新制作DAC 曲線。

采用以上方法，對上述案例的探頭進行修磨，修磨后的探頭稱為探頭1′，然后與探頭2 同樣對試塊進行檢測，其檢測效果對比見表2：

從表2 可以看出，經修復后的探頭與新購置的標準探頭檢測結果基本一致，說明修磨后的探頭能夠恢復原有的檢測靈敏度。

表2 修磨后檢測結果對比dB

4 總結

探頭磨損是每個檢驗機構不得不面對的棘手問題，檢測實施時不對磨損問題加以重視，在檢測過程中容易引起誤判或者漏判。非超標缺陷誤判為超標缺陷可能會給使用單位帶來生產上的經濟損失，而超標缺陷的漏判則會帶來嚴重的安全隱患。本文基于檢驗案例，通過理論分析和實踐改進，對探頭磨損后對檢測結果的分析進行了探討，同時也提出了探頭磨損的修復方法，對于節約檢測單位的成本有一定的借鑒作用。