超厚壁無縫鋼管縱向缺陷超聲波檢測探討

高 翔，彭 俊，李冬華，胡才望

（大冶特殊鋼有限公司，湖北 黃石 435001）

眾所周知，當無縫鋼管的厚徑比t/D≤0.23[1]，可以利用純橫波方法探測整個鋼管截面（含內、外壁）中的縱向缺陷，這部分鋼管一般稱為薄壁鋼管；當鋼管的厚徑比0.23 t/D≤0.26，可以利用折射純橫波探測鋼管外壁縱向缺陷，而利用折射縱波經鋼管外壁產生的反射橫波（亦稱變型橫波）探測鋼管內壁縱向缺陷，這部分鋼管一般稱為厚壁鋼管[2-12]。目前，純橫波法與變型橫波法是保證薄壁鋼管和厚壁鋼管質量的主要超聲波探傷方法。

隨著各行業對降本增效要求的提高，一些原本采用圓鋼車削或鍛壓成型的機械部件、石油鉆鋌和工具接頭等，如今使用無縫鋼管作為原材料，由此使得鋼管的壁厚越來越厚。目前，厚徑比t/D 0.26 的鋼管已不鮮見，這部分鋼管可以稱為超厚壁鋼管。對于超厚壁鋼管，即使采用變型橫波法也無法探測到鋼管內壁的縱向缺陷，這給使用橫波進行的鋼管超聲波探傷帶來較大困難。本文介紹采用小角度折射縱波與折射純橫波相結合的方法檢測超厚壁鋼管縱向缺陷的超聲波探傷技術及其實際應用效果。

1 超厚壁鋼管的接觸法檢測

當厚徑比t/D 0.26，遇到的最大困難是變型橫波法的外壁反射橫波無法投射到鋼管的內壁表面。此時，只能選擇入射角小于第一臨界角的折射縱波（可稱小角度折射縱波）對超厚壁鋼管內壁及其路徑區域上的縱向缺陷進行檢測[13]，如圖1 所示。

圖1 折射縱波探測鋼管內壁

如果使折射縱波探測到鋼管內壁缺陷，就要使縱波與鋼管內壁相切，此時入射聲波在鋼管中的折射角β 為：

式中 r —— 鋼管內半徑，mm；

R —— 鋼管外半徑，mm。

它對應的接觸法探頭的入射角α為：

式中 CL1—— 有機玻璃中縱波聲速，m/s；

CL2—— 鋼中縱波聲速，m/s。

在公式（2）中，CL1為2 700 m/s，CL2為5 900 m/s。以Φ165 mm×51 mm 鋼管為例，其厚徑比為0.31，應采用小角度折射縱波法檢測鋼管內壁，按公式（2）計算，入射角α=8°。如果采用2.5P/14 mm×16 mm/K0.75（α=30°）斜探頭進行改制，則需要將探頭的有機玻璃楔塊磨去30°-8°=22°。改制的斜探頭如圖2 所示。

圖2 改制的斜探頭示意

Φ165 mm×51 mm 規格鋼管內壁刻槽的縱波檢測波形（接觸法）如圖3 所示，鋼管外壁刻槽的橫波檢測波形（接觸法）如圖4 所示。圖3 所示是采用2.5P/14 mm×16 mm/K0.75 改制后探頭探測Φ165 mm×51 mm 規格鋼管內壁縱向刻槽的波形顯示，刻槽深度是1.5 mm。由于折射縱波不適宜檢測鋼管外壁缺陷，特別是縱波對外表面縱向刻槽的角反射率幾乎為0，所以需要使用另外一只未經改制的2.5P/14 mm×16 mm/K0.75 探頭，利用折射的純橫波檢測鋼管外壁缺陷。圖4 所示為獲得的檢測波形，外表面刻槽深度是1.5 mm。

圖3 Φ165 mm×51 mm 規格鋼管內壁刻槽的縱波檢測波形（接觸法）

圖4 Φ165 mm×51 mm 規格鋼管外壁刻槽的橫波檢測波形（接觸法）

由圖3 和圖4 可以看出，采用小角度折射縱波和折射純橫波分別對Φ165 mm×51 mm 規格超厚壁鋼管的內壁和外壁進行檢測，鋼管外壁刻槽的檢測信噪比很高，而鋼管內壁刻槽的波幅雖然較高，但檢測波形中存在20%的噪聲，對檢測信噪比產生一定的影響。

2 超厚壁鋼管的水浸法檢測

對于水浸法的超厚壁鋼管超聲波檢測，要實現公式（1）的縱波折射角，其探頭的入射角仍可按公式（2）計算，只是其中的CL1變為水中縱波聲速，為1 470 m/s。仍以Φ165 mm×51 mm 規格鋼管為例，入射角α=4.3°。

超厚壁鋼管的水浸法探傷除了采用小角度折射縱波檢測內壁缺陷外，同樣需要采用折射純橫波檢測外壁缺陷，而外壁缺陷的檢測信噪比很高。相比較而言，利用小角度折射縱波檢測內壁缺陷的信噪比遠不及純橫波檢測，而且會在顯示屏上出現等距離的波幅噪聲，靜態調試時噪聲波幅可達20%左右，動態檢測時噪聲波有較大跳動，波幅甚至達到40%。Φ165 mm×51 mm 規格鋼管內壁刻槽的縱波檢測波形（水浸法）如圖5 所示，是鋼管內壁1.5 mm深刻槽的檢測波形，從圖5 中可以清楚地看到等距離的波幅噪聲。

圖5 Φ165 mm×51 mm 規格鋼管內壁刻槽的縱波檢測波形（水浸法）

分析等距離波幅噪聲的來源，在使用小于第一臨界角入射的超聲波探傷時，會伴有折射橫波，而橫波的折射角度一定小于縱波的折射角度，折射橫波會投射到鋼管內壁上。投射在內壁上的橫波在鋼管內表面發生散射，一部分沿原路返回探頭，并依此發生多次反射，由此造成固定的波幅噪聲。在動態檢測時，由于探頭與鋼管做相對運動時入射角可能發生波動，使橫波在鋼管內壁的散射更嚴重，因此噪聲波幅增大，檢測信噪比更低[14]。

盡管采用小角度折射縱波檢測超厚壁鋼管內壁時的信噪比不高，但仍能有效探測出鋼管中較明顯的自然缺陷。利用水浸法從Φ176 mm×54 mm 規格鋼管檢測到的內壁缺陷如圖6 所示，經解剖后的金相測量缺陷深度為0.5 mm，如圖7 所示。

圖6 Φ176 mm×54 mm 規格鋼管內壁縱波檢測波形

圖7 Φ176 mm×54 mm 規格鋼管內壁缺陷金相

3 超厚壁鋼管檢測的聲束覆蓋區域

小角度折射縱波和折射純橫波的聲束覆蓋區域如圖8 所示，當采用“小角度折射縱波+折射純橫波”檢測超厚壁鋼管的縱向缺陷，隨著探頭對鋼管作相對周向掃查，與鋼管內壁相切的折射縱波可以覆蓋整個鋼管截面[15]；而以第一臨界角入射的折射橫波（這是采用純橫波檢測管壁的入射最小角度）的覆蓋檢測區域半徑x 為：

圖8 小角度折射縱波和折射純橫波的聲束覆蓋區域

式中 CS2——鋼中橫波聲速，m/s。

將CS2為3 200 m/s，CL2為5 900 m/s，代入公式（3），可得x≥0.5R。由此可知，在用折射純橫波對超厚壁鋼管作周向掃查時，所能檢測到的區域是0.5R～R 的圓周范圍（圖8 所示陰影部分），因為縱波亦可到達此區域，所以是橫波+縱波檢測。而在鋼管內徑r～0.5R 范圍，折射純橫波無法到達，所以僅為縱波檢測。

當要求對超厚壁鋼管的縱向缺陷進行聲束雙向入射的自動超聲波探傷，設備應配備4 只探頭進行檢測，其中2 只探頭以對稱角度檢測內壁缺陷，另外2 只探頭以對稱角度檢測外壁缺陷。如果自動探傷設備僅具有2 只聲束單向入射的探頭檢測縱向缺陷，則這種設備需要在對鋼管檢測一次之后，再將鋼管掉頭檢測一次。

4 結 語

對于厚徑比t/D 0.26 的超厚壁無縫鋼管，由于純橫波法和變型橫波法均無法探測鋼管內壁缺陷，所以不得不采用小角度折射縱波和折射純橫波分別對鋼管進行超聲波檢測。這種采用雙探頭的探傷，實際上對鋼管截面的內圓（r～0.5R）部分實施的是縱波檢測，而對外圓（0.5R～R）部分實施的是橫波+縱波檢測。試驗表明，無論接觸法還是水浸法，小角度折射縱波檢測縱向缺陷的信噪比較低，且伴有固定的內壁橫波散射干擾，但對于具有一定當量尺寸的自然缺陷仍具有較好的檢出效果。