超聲波探傷時磁場對超聲波信號的影響

蔣桂通，王 猛，閆留青，路正道，常英魁

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

為解決導管架和組塊結構焊縫超聲波檢驗過程中遇到的眾多不便，比如：鋼樁和導管環焊縫探傷時需要頻繁轉管，焊縫處于狹窄、高處、弦外空間時，探頭很難或無法接觸到焊縫掃查面而增加檢驗難度的問題。設計一種用于焊縫探傷的超聲波探頭夾持工具，此探頭夾持工具主要由手柄、伸縮桿、旋轉軸、磁性探頭套組成。將探頭固定在磁性探頭套內，磁性探頭套可將探頭與工件表面吸附，在不用手按壓的情況下使探頭與工件保持良好接觸和耦合，磁性探頭套與伸縮桿通過兩個旋轉軸連接，調節旋轉軸可使探頭上下左右旋轉，可使探頭各個方向掃查，根據需求調整伸縮桿長度，伸縮桿與磁性探頭套可自由拆裝，既可達到幫助手臂伸長的目的，又可達到解放手的情況下探頭依然穩定吸附在工件表面的目的。在實現功能的同時，磁場是否會對超聲波信號產生影響，影響的程度是否進而影響到探傷結果成了關鍵問題。因此，有必要進行磁場對超聲波信號影響的試驗研究。

1 磁場的種類選擇

磁場主要分為動磁場和恒磁場，動磁場主要由交電流、脈沖電流、脈動直流電產生。恒磁場主要由永磁體產生，或者通以直流電的電磁場也能產生恒磁場。

在設計磁性探頭套時，由于探頭內部的構造中含有電纜線、壓電晶片等部件，可能受到磁場的影響，如果探頭套采用動磁場，交流電、脈沖電流或脈動直流電本身會影響超聲波信號，其產生的動磁場可能對探頭的影響相對復雜，因此探頭套采用永磁體制作，產生的磁場是靜磁場[1]。這種磁場對探頭的影響會相對小些或者無影響，并且永磁體結構簡單容易實現。

2 器材選擇

器材選擇如下：（1）設備選USM35 超聲波探傷儀；（2）試塊選IIW 試塊；（3）永磁體4 塊，其中2塊S 極，2 塊N 極；（4）探頭2 組，第1 組是GE 的B5F 5Z20N直探頭和SIUI的5Z20N直探頭，第2組是GE 的 MWB 70-4 4MHz 8X9 斜探頭、SIUI 5Z10X10A70 斜探頭和多普勒的A5P10X10A70 斜探頭[2]。

3 試驗方案

4塊永磁體的磁力大小和磁極并非完全一樣，因此對永磁體進行編號：分別為A、B、C和D，磁力依次從小到大。A、B 同為S 極，相斥；C、D 同為N極，相斥；A與C相吸，B與D相吸。

將直探頭放置在IIW試塊25 mm面上，調整底波至深度顯示25 mm，波幅高度為滿屏的50%，記錄此時增益dB 值。用1 個永磁體、2 個相斥的同極永磁體、2個相吸的異極永磁體貼近探頭，測試磁場對超聲波信號的影響。將斜探頭放置在IIW試塊25 mm面上，調整底面端角反射波深度顯示25 mm，波幅高度為滿屏的50%，記錄此時增益dB 值。用1 個永磁體、2 個相斥的同極永磁體、2 個相吸的異極永磁體貼近探頭，測試磁場對超聲波信號的影響。

4 試驗實施

4.1 對直探頭進行試驗

（1）對GE 的B5F 5Z20N 直探頭進行測試，將探頭置于IIW25mm 面上，校準儀器，將底波高度調整到滿屏的50%，固定探頭，加永磁體觀察顯示屏上的深度讀數和波幅變化，先在上側加1個永磁體，再在側面加1個永磁體，最后在兩側加2個永磁體。不加磁體時，將底波高度調整到滿屏的50%，儀器顯示的dB 值為17.0 dB，加磁體后依然保持17.0 dB 的增益下，峰值高度滿屏的50%不變。

（2）對SIUI 的5Z20N 直探頭也進行同樣的測試，不加磁體時，將底波高度調整到滿屏的50%，儀器顯示的dB 值為20.0 dB，加磁體后依然保持20.0 dB的增益下，峰值高度滿屏的50%不變。

（3）兩個直探頭的測試結果如表1所示，從表中可以總結出，使用直探頭測試板厚或者板材中是否存在夾層時，磁場對直探頭產生的超聲波信號高度沒有影響[3]。由于Sa聲程沒有隨著施加磁場的變化而變化，說明磁場對直探頭產生的超聲波聲速也沒有影響[4]。

表1 直探頭測試結果

4.2 對斜探頭進行試驗

（1）對GE的MWB 70-4 4MHz 8X9斜探頭進行測試，將探頭置于IIW25 mm面上，校準儀器，將底面端角反射波高度調整到滿屏的50%，固定探頭，此時，增益為59 dB，峰值高度50%。

（2）在前面加一個磁體，波幅高度無變化，如圖1所示。

圖1 GE斜探頭前面加1個磁體測試

（3）在上側加一個磁體，波幅高度也無變化。

（4）但在側面加一個磁體后，峰值高度發生了變化，顯示波幅降低了10dB，也就是說磁場對超聲波信號高度產生了影響，此時使用的是磁場強度最小的磁體A，接下來使用磁體B、C、D進行測試。發現波幅降低分別為15 dB、17.2 dB、18.6dB，也就是說，磁場越大波幅降低的越明顯，如圖2所示。

圖2 GE斜探頭側面加1個磁體測試

（5）當在側面加兩個異極相吸磁體后，波幅高度發生了明顯變低，顯示高度不足滿屏的5%，說明波幅降低了超過20 db，如圖3所示。

圖3 GE斜探頭兩側加異極相吸磁體測試

圖4 GE斜探頭兩側加同極相斥磁體測試

表2 斜探頭測試結果

（6）當在側面加兩個同極相斥磁體后，波幅高度也發生了變化，但不是降低，而是增高，顯示波幅高度增加了3.2 dB，如圖4所示。

（7）以同樣的步驟測試SIUI 5Z10X10A70斜探頭和多普勒的A5P10X10A70 斜探頭，發現多普勒的A5P10X10A70斜探頭效果和GE的斜探頭一致，而汕頭超聲的斜探頭在各個方向施加磁體后波幅沒有任何變化，測試結果如表2所示。

4.3 試驗小結

在直探頭方面，無論磁體放在什么位置，都不會對探頭產生的超聲波信號產生影響[5]。

在斜探頭方面，磁場對SIUI 的斜探頭產生的超聲波信號幅度和聲速都沒有影響。

無論是哪種探頭，磁場對超聲波信號的聲速沒有影響[6]。

磁場對GE的斜探頭和多普勒的斜探頭產生的超聲波信號幅度有一定的影響，當磁體放在探頭前側和上側時沒有影響；當磁體放在探頭側面時影響明顯，且隨著磁場的強度加大而影響程度增大，兩側相吸的磁場使波幅降低最嚴重，兩側相斥的磁場反而使波幅有所增高。

5 結束語

對聲速的影響決定了對缺陷定位影響，對波幅高度的影響決定了對缺陷大小的評定[7]。在對特殊空間的焊口進行超聲波檢驗使用磁性探頭套時，直探頭和SIUI 的斜探頭產生的超聲波信號不受磁場影響，可以直接使用磁性探頭套。GE 的斜探頭和多普勒的斜探頭產生的超聲波信號受磁場會影響到波幅高度，但不影響聲速，也可以使用磁性探頭套，使用時先測試一下使用前后的波幅差值，將差值考慮進去再對缺陷進行定量也是可取的[8]。最通用的方法就是，不用考慮哪個型號的探頭，只要校準時使用了磁性探頭套，現場檢驗焊縫時依然使用磁性探頭套則不需要考慮磁場的影響。