工業管道超聲波檢測技術條件的選擇

李俊(曲靖市質量技術監督綜合檢測中心，云南 曲靖 655000)

0 引言

TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則-工業管道》自2018年5月1日實施，對工業管道的定期檢驗有了新的要求。其中，對于埋藏缺陷的檢測[1]，標準要求采用NB/T 47013—2015標準規定的射線或者超聲檢測方法[2]。對于一般的管道環向焊接接頭，采用射線檢測可以取得較好的檢測效果，并且能將射線底片保留作為檢測的永久證據，所以射線檢測在壓力管道定期檢驗中運用最為廣泛，但是對于有些結構復雜，射線檢測實施有困難而又被抽檢到的焊接接頭，超聲波檢測將成為埋藏缺陷的不二選擇。管道環向焊接接頭，由于其檢測面為曲面，超聲波檢測時，其技術參數的選擇和平板對接焊接接頭相比，更具特殊性，研究其技術條件的最佳搭配，對于提高缺陷檢出率和保障設備安全具有重要意義。

1 超聲波探頭的選擇

探頭頻率和晶片尺寸是對缺陷檢出率影響較大的關鍵因素，對于探頭的頻率，頻率大小對于檢出最小缺陷的尺寸有直接的關系，超聲波的聲速、頻率、波長有如下關系：

對于既定的檢測材料，其內部超聲波的聲速也是既定的，當頻率f越高，其波長越小，而超聲波檢測能發現的最小缺陷大約為λ/2[2]，因此，從能發現最小缺陷的角度來說，超聲波的頻率應盡量選擇高一點。

對于探頭晶片尺寸的選擇，根據NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測》4.2.2.2條的要求規定，對于圓形晶片，其直徑應≤40mm；對于方型晶片，其任意邊長應≤40mm，晶片尺寸對于超聲波檢測的影響主要體現在半擴散角和近場區長度，晶片尺寸越大，對應的半擴散角越小，而近場區長度和晶片尺寸有如下關系：

從近場區越小越好的角度出發，晶片尺寸越小則其近場區長度越小，對檢測越有利。在NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測》中，壓力管道焊接接頭分為I型焊接接頭和II型焊接接頭，其中對于工件厚度為5～150mm，外徑≥159mm的區分為I型焊接接頭，其他的區分為II型焊接接頭。I型焊接接頭的超聲波檢測技術條件與平板對接焊接接頭無異，在此不做討論。對于II型焊接接頭，NB/T 47013.3—2015第6.4.3.1條：推薦采用線聚焦探頭和雙晶斜探頭，探頭頻率一般采用4～5MHz，當管壁厚大于15mm時，采用2.5～5MHz；探頭的契塊應加工成與接管外徑相吻合的形狀。對于探頭K值的選擇，根據NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測》的要求，可以按表31的要求選擇[2]。

對于II型焊接接頭超聲波檢測探頭的K值選擇，一般選擇大K值的探頭，而且其探頭前沿較短。這是由于對于管道環向焊接接頭而言，在焊接接頭的根部比較容易產生缺陷，而采用大K值，短前沿的探頭，可以至少保證一次波能掃查到焊接接頭的根部。

2 耦合劑的選擇

在探頭和工件之間使用耦合劑是為了保證在異質界面上有足夠的聲強透射率，當探頭和檢測面之間有存在空氣薄層時，超聲波在傳輸過程中會在空氣界面上方被全部反射回探頭契塊，而無法接收到任何關于被檢工件內部的超聲返回的信息[3]。耦合性能良好的物質，能很好的填充探頭與檢測面之間的間隙，使超聲波能夠傳輸至工件，而工件內部如果有反射信號，也使得信號能夠被探頭所接收，使超聲檢測缺陷成為可能。而除了給信號傳輸提供穩定路徑以外，耦合劑的另外一個作用是潤滑。由于耦合劑的存在，使探頭和工件之間的摩擦力得以減小，可以防止工件表面磨損探頭，探頭移動也更為方便。其作用可以歸納為以下3 點：(1)為超聲信號在探頭契塊和工件之間的傳輸提供一個穩定傳輸的路徑；(2)通過耦合劑的聲阻抗性能，減少界面聲能損失，使更多的聲能到達工件以用于檢測；(3)潤滑作用，減少摩擦阻力和探頭的磨損。

在壓力管道的超聲波檢測中，對耦合劑的要求比一般設備要更為嚴格，因為壓力管道長期承受壓力和介質的共同作用，這要求管道檢驗中的耦合劑對工件應沒有腐蝕作用，而且對人員無毒無害，檢測完畢后能夠方便快捷的清除干凈。在工程實踐中，常用的耦合劑有變壓器油，甘油，水，機油，化學漿糊等，就聲壓往復透射率而言，化學漿糊19≥甘油12.5≥機油11[4]。

壓力管道環向II型焊接接頭超聲波檢測時，因檢測面為曲面，且其曲率半徑較小，雖然探頭契塊一般會加工成與檢測面相吻合的形狀，但是探頭契塊和檢測面之間還是難以避免會存在空氣間隙，選擇合適的耦合劑對檢測面和探頭之間的間隙進行填充，對于提高檢驗質量具有重要意義。在壓力管道環向II型焊接接頭的超聲波檢測中，針對上述常用的耦合劑甘油，機油，化學漿糊進行如下適用性分析：

(1)甘油由于其聲阻抗特性，在三種耦合劑中能達到最好的耦合效果，但是在使用時候，需要用水對其進行稀釋，對工件具有一定的腐蝕性，如果使用，則應邊檢測邊清洗，價格也較為昂貴。

(2)機油取材較為方便，對工件表面有良好的潤濕功能，具有一定的粘度，價格低廉，目前是最常用的耦合劑。

(3)化學漿糊適應性較強，通過調節其濃度可以用在各種凹凸曲面上，且價格便宜，在超聲檢測中運用得越來越廣泛。

3 對比試塊的制作

壓力管道環向焊接接頭所采用的對比試塊應采用與被檢工件化學成分相似，且外形尺寸(主要是指曲率)應和被檢管道的尺寸相接近。

對于壓力管道來說，應采用的試塊是GS系列，其形狀和尺寸應符合NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測 超聲波檢測》圖23和表30的規定。在制作時候，應根據被檢管道的外徑進行相應試塊的制作，再使用試塊完成DAC曲線的制作。

4 實驗論證

為了驗證不同耦合劑和不同K值的探頭，對同一缺陷的檢測敏感性，本文制作了一個模擬缺陷試件，試件尺寸管道定期檢驗時候最常遇見的φ89×5管管對接焊接接頭，所模擬的缺陷為未焊透，采用以下組合對缺陷進行檢測，5P6×6K2.5，探頭前沿為4，和6；5P6×6K3.0探頭前沿分別為4和6，耦合劑分別采用甘油，機油，化學漿糊，進行檢測，檢測結果見圖1。可以得出如下結論：

(1)采用小晶片探頭能夠檢測出φ89×5管管對接焊接接頭的未焊透缺陷；

(2)不同探頭前沿值的探頭，對檢測信號的幅值具有影響，“短”前沿的探頭總是能得到比“長”前沿的探頭更高的信號幅值；

(3)在三種耦合劑的對比上，采用濃度可調的化學漿糊所得到的信號幅值在同等條件下總是最高的。

圖1 檢測結果

5 結語

對于壓力管道II型焊接接頭的超聲波檢測，只要采用合適的探頭和適宜的耦合劑相搭配，完全有能力檢測出缺陷。對于耦合劑和探頭的選擇，通過實驗論文可以得知，選用大K值和短前沿的探頭，在同等條件下能得到最大的信號幅值。