1、第四節  管材超聲波探傷    一、管材加工及常見缺陷    管材種類很多，據管徑不同分為小口徑管和大口徑管，據加工方法不同分為無縫鋼管和焊接收。    無縫鋼管是通過穿孔法和高速擠壓法得到的，穿孔法是用穿孔機穿孔。并同時用軋輥滾軋，最后用心棒軋管機定徑壓延平整成型。高速擠壓法是在擠壓機中直接擠壓成形，這中方法加工的管材尺寸精度高。焊接收是先將板材卷成管形，然后用電阻焊或埋弧自動焊加工成型。一般大口徑管多用這種方法加工。對于厚壁大口徑管也可由鋼錠經鍛造、軋制等工藝加工而成。  

2、;  管材中常見缺陷與加工方法有關。無縫鋼管中常見缺陷有裂紋、折迭、夾層等。焊接收中常見缺陷與焊縫類似，一般為裂紋、氣孔、夾渣、未焊透等鍛軋管常見缺陷與鍛件類似，一般為裂紋、白點、重皮等。     用于高溫、高壓的管材及其它特殊用途的重要管材都必須進展超聲波探傷。據管材不同，分為鋼管、銅管和鋁管等。下面以鋼管為例來說明管材的超聲波探傷方法：    二、小口徑管探傷超聲波探傷的小口徑管是指外徑小于100mm的管材。這種管材一般為無縫管，采用穿孔法或擠壓法得到。其中主要缺陷平行于管軸的徑向缺陷(稱縱向缺陷)，有時也有垂直于軸的徑

3、向缺陷(稱橫向缺陷)。     對于管內縱向缺陷，一般利用橫波進展周向掃查探測，如圖5.23所示。    對于管內橫向缺陷，一般利用橫波進展軸向掃查探測，如圖5.24所示。    按耦合方式不同，小口徑管探傷分為接觸法探傷和水浸法探傷。    (一)接觸法探傷    接觸法探傷是指探頭通過薄層耦合介質與鋼管直接接觸進展探傷的方法。這種方法一般為受動探傷，檢測效率低，但設備簡單，操作方便，機動靈活性強。適用于單件小批量及規格多的倩況。 &

4、#160;  接觸法探傷小口徑管時，由于其管徑小，曲率大，常規橫波斜探頭與管材接觸面小、耦合不良，波束嚴重擴散，靈敏度低。為了改善耦合條件。常將探頭有機玻璃斜楔加工成與管材外表相吻合的曲面。為了提高探傷靈敏度，可以采用接觸聚焦探頭來探傷。    下面分別介紹縱向缺陷和橫向缺陷的一般探傷方法。    1.縱向缺陷探測    (1)探頭：探測縱向缺陷的斜探頭，應加工成如圖5.23所示的形狀，使之與工件外表吻合良好。探頭壓電晶片的長度或直徑不大于25mm，探頭的頻率為2.55.0MHz。 &

5、#160;  (2)試塊：探測縱向缺陷的比照試塊應選取與被檢管材規格一樣，材質、熱處理及外表狀態一樣或相似的管材制成。比照試塊上的人工缺陷為尖角槽，尖角槽的位置和尺寸見圖5.25和表5.5。    (3)靈敏度調節：探頭置于比照試塊上作周向掃查探測，將試塊上內壁尖角槽的最高回波調至滿幅度的80，再移動探頭找外壁尖角槽的最高回波。二者波峰的連線為距離一波幅曲線，作為基準靈敏度。在基準靈敏度的根底上提高6dB作為掃查靈敏度。    (4)掃查探測：探頭沿徑向按螺旋線進展掃查探測。具體掃查方式有三種：一是探頭不動，管材旋轉的同時作

6、軸向移動。二是探頭作軸向移動，管材作轉動。三是管材不動，探頭沿螺旋線運動。探頭掃查螺旋線的螺距不能太大，要保證超聲波束對管材進展100%掃查，并有不小于15%的覆蓋。    在掃查探測過程中，當發現缺陷時，要將儀器調整到基準靈敏度、假設缺陷回波幅度基準靈敏度，那么判為不合格。不合格晶允許在公差范圍內采取修磨方法進展處理。然后再復探    管材合格級別由供需雙方商定。    2.橫向缺陷的探測    (1)探頭：探測橫向缺陷的探頭應加工成如圖5.24所示的形狀，探頭的晶片長度或

7、直徑不大于25mm，探頭的頻率為2.55.0MHz。    (2)試塊：探測橫向缺陷用的比照試塊，同樣應選用與被檢管材規格一樣，材質、熱處理及外表狀態一樣或相似的管材制成。比照試塊上的人工缺陷為周向尖角槽，尖角槽位置和尺寸見圖5.26和表5.6    對出試塊上人工缺陷一般加工在外外表，只有當D80mm，且壁厚t10mm時，才同時在內外外表加工人工缺陷。二者在軸向要有足夠的距離，以免測試時互相影響。    (3)靈敏度調節：對于只有外外表人工缺陷的試塊，可直接將比照試塊上的人工缺陷最高回波調至50%作為基

8、準靈敏度。    對于內外外表均有人工缺陷的試塊應將內外表人工缺陷最高回波凋至80%，然后找到外外表人工缺陷最高回波，二者波峰的連線為距離一波幅曲線，該曲線為基準靈敏度。    在基準靈敏度的根底上提高6dB作為掃查靈敏度。    (4)掃查探測：探頭沿軸向按螺旋線進展掃查探測。當發現缺陷時，儀器調回到基準靈敏度，假設缺陷回波幅度基準靈敏度，那么該管材為不合格。不合格品允許在公差范圍內進展修磨，修磨后復探。    合格級別由供需雙方商定。   

9、(二)水浸探傷    小口徑管水漫探傷是將水浸縱波探頭置于水中，利用縱波傾斜入射到水/鋼界面。當入射角a=a1a1時，可在鋼管內實現純橫波探測。如圖5.29所示。    1.探測參數的選擇(1)偏心距的選擇：如圖5.27所示，偏心距是指探頭聲束軸線與管材中心軸線的水平距離，常用表示。入射角a隨偏心距增大而增大，控制就可控制a。    偏心距范圍由以下兩個條件決定。    純橫波探測條件        橫波探測內壁條件

10、        同時滿足純橫波探測內壁的條件為                                          

11、                                                  

12、                     (5.5)    對于水浸探傷鋼管，cL1=1480m/s，cL2=5900m/s，cs2=3230m/s，有：                 &

13、#160;               0.251R0.458r                                 

14、                                                   

15、0;                       (5.6)                           

16、60;                                                 

17、60;                                          (5.7)式中  R一一小徑管外半徑；   

18、60;    r一小徑管內半徑。    (2)水層厚度的選擇：如圖5.28，在水浸探傷中要求水層厚度日大于鋼管中橫波全聲程的l/2(即H>s)。這是因為水中C水=14380m/s，鋼中Cs=3230m/s，C水/Cs1/2。當水層厚度大于鋼管中橫波聲程的1/2時，水/鋼界面的第二次回波S2將位于管子的缺陷波F 內(一次波)、F外(二次波)之后，這樣有利于對缺陷的判別。    (3)焦距的選擇：用水浸聚焦探頭探傷小徑管，應使探頭的焦點落在與聲束軸線垂直的管心線上，如圖5.29所示。式中  F

19、焦距；        H水層厚度；        R鋼管外半徑：        偏心距。    例1，用有機玻璃聚焦探頭水浸探傷42×4小管徑，水中c水=1480m/s，鋼中cL2=5900m/s，cL2=3230m/s。求偏心距，水層厚度H，透鏡曲率半徑r。    解：(1)求偏心距(平均值)  

20、  R=21，r=Rt=214=17        (2)求水層厚度H        求鋼中橫波全聲程之半    在圖5.28的ABO中，由正弦定律得        又由正弦定律得        水層厚度選取：H>6.2mm，這里取H=10mm。    (3)求焦距F &#

21、160;      (4)求聲透鏡曲率半徑r    由F=2.2r得                  r0.455F=30×0.455=13.7(mm)    例2，水浸聚焦探傷60×8小徑管，聲透鏡曲率半徑r=36mm，求偏心距和水層厚度H。    解：(1)偏心距 

22、;       (2)求焦距F    F=2.2r2.2×36=79.2(mm)    (3)求水層厚度H        2.探測條件確實定    (1)探頭；小徑管水浸探傷，一般采用聚焦探頭。聚焦探頭分為線聚焦和點聚焦。一般鋼管采用線聚焦探頭。對于薄壁管，為了提高檢測能力，也可用點聚焦探頭。探頭的頻率為2.55.0MHz。聚焦探頭聲透鏡的曲率半徑r應符合下述條件：  

23、;                                                  

24、;                                                  

25、0;                                        (5.9)式中  C1聲透鏡中縱波波速；    

26、0;   C2水中波速；        F水中焦距。    對于有機玻璃聲透鏡：C1=2730m/s，C2=1480m/s                               

27、60; (2)聲耦合：小管徑探傷常用耦合劑為水。為了增強對鋼管外表的潤濕作用，需參加少量活性劑。為了防止鋼管生銹，需參加適量的防銹劑。    (3)掃查方式；小徑管探傷時探頭掃查方式為螺旋線。一是探頭不動，鋼管作螺旋運動；二是探頭沿管軸轉動，鋼管直線運動。三是探頭沿管移動，鋼管轉動。螺距應小于或等予探頭聲束有效寬度，探頭移動速度u為                   

28、0;                                                 

29、0;                                   U=n·t             

30、                                     (5.10)式中  n管子轉速；        t螺距。  

31、60; 3.探傷靈敏度的調整和質量評定    小管徑探傷時，常用如圖5.26所示的內外壁開有人工尖角槽的比照試樣來調整靈敏度，試樣材質及規格同被探鋼管。    調整時，轉動水中試樣使內外壁人工槽回波均達50%基準高，以此作為基準靈敏度。掃查探傷靈敏度比基準靈敏度高6dB。探傷中當缺陷回波基準靈敏度時，就判為不合格。不合格品允許在壁厚的公差范圍內進展打磨，然后再復探。    三、大口徑管探傷    超聲波探傷中，大口徑管一般是指外徑大于100mm的管材。  

32、  大口徑管曲率半徑較大，探頭與管壁聲耦合較好，通常采用接觸法探傷批量較大時也可采用水浸探傷。采用接觸法探傷時，假設管徑不太大，為了實現更好的耦合，需將探頭斜楔磨成與管材外表相吻合的曲面，也可在探頭加裝與管材吻合良好的滑塊，如圖5.30所示。    1.探測方法的選擇       大口徑管成型方法較多，如穿孔法、高速擠壓法、鍛造法和焊接法等。因此大口徑管內缺陷比擬復雜。既可能有平行于軸線的徑向和周向缺陷，又可能有垂直于軸線的徑向缺陷。不同類型的缺陷需要采用不同的方法來探測。常用的方法有縱波垂直探傷法，橫波

33、周向、軸向探傷法。    (1)縱渡垂直探傷法：如圖5.31所示，對于與管軸平行的周向缺陷，一般采用縱波單直探頭或聯合雙直探頭探傷。當缺陷較小時，缺陷波F與底波B同時出現。這時可根據F波的高度來評價缺陷的當量大小。當缺陷較大時，底波B將會消失，這時可用半波高度法來測定缺陷的面積大小。    (2)橫波周向探傷法：如圖5.32所示，對于與管軸平行的徑向缺陷，常采用橫渡單斜探頭或雙斜探頭進展周向探測。    單斜探頭探傷如圖5.32(a)，這時缺陷的粼剮與普通斜探頭探傷類似。考慮到缺陷的取向不同，探測時，探頭

34、應作正反兩個方向的全面掃查，以免漏檢。                  雙斜探頭探傷如圖5.32(b)，這時兩個探頭單獨收發，同一缺陷在示波屏上可能同時出現兩個缺陷波，如圖中F、F就是探頭1、2接收到的同一缺陷回波，它們處于180°的兩側對稱位置。當探頭沿管外壁作周向移動時，F、F在180°的兩側作對稱移動。據此可對缺陷進展判別。    (3)橫波軸向探傷法：如圖5.33所示，對于與管

35、軸垂直的徑向缺陷，常用單斜探頭或聯合雙斜探頭進展軸向探傷。圖5.33(a)為單斜探頭探傷，這時聲束在內壁的反射波更進一步發散，聲能損失大，因此外壁缺陷靈敏度較低，探傷時要注意這一點。圖5.33(b)為聯合雙斜探頭探傷，這時只要內外壁缺陷處于兩晶片發射聲場交集區內，那么內外壁缺陷靈敏度根本一致。    (4)水浸聚焦探傷法：圖5.34為水浸聚焦探傷大口徑管堵塞情況，這時聚焦探頭聲束斂聚。能量集中，靈敏度高。一般采用線聚焦探頭，焦點調在管材中心線上。這樣橫波聲柬在管內外壁屢次反射，產生屢次斂聚發散。在整個管子截面上形成平均寬度根本一致的聲束，這樣不僅探傷靈敏度較高，而

36、且內外壁缺陷檢出靈敏度大致一樣。    2.周向探傷缺陷定位與修正    橫波軸向探傷管材時，缺陷定位與平板工件類似，但橫波周向探傷時，缺陷定位與平板工停不同，如圖5.35所示，這時不但入射到管材內壁的入射角增加了，而且一次波聲程和跨距也都增加了。這樣平鈑工件缺陷定位計算公式也就不適用了，需要推導別的計算公式。        為了便于計算，特引進聲程修正系數和跨距修正系數m。其中聲程修正系數和跨距修正系數m可由圖4.25和圖4.26查得。   

37、管材缺陷大多出現在內外壁上，內壁缺陷可用一次波探測到，外壁缺陷可用二次波探測到。    一次波探測發現內壁缺陷時，缺陷定位計算公式為：                            式中  聲程修正系數；        m

38、跨距修正系數；        T材壁厚；        探頭折射角。    二次波探測發現外壁缺陷時，缺陷定位計算公式為：                         

39、0;      3.探頭入射點與拆射角的測定在管材探傷中，為了實現良好的耦合，常將探頭修磨為與管材曲率半經一樣的曲面，如圖 5.36所示，但這時探頭的入射點和折射角發生了變化。因此需要重新測定入射點和折射角。由于這時探頭外表為曲面，因此常規測定，入射點和折射角的方法就不用了。而要用特殊的方法和試塊來測定。    (1)入射點的測定：如圖3.37所示，將探頭楔塊的圓弧置于試塊的棱角上，前后移動探頭，使棱角反射波最高時試塊棱角處對應的點為探頭入射點。這種方法稱為棱角反射法。    

40、;               (2)折射角的測定：先加一個如圖5.38所示的實心圓柱體試塊，試塊材質曲率半徑與被探管材一樣，在試塊外表附近加工一個1.5×20的人工缺陷。然后將探頭置于試塊上，前后移動探頭，找到1.5人工缺陷的最高回波，測定探頭入射點A至1.1的距離b，并連接過入射點A的直徑AB，這時BAC為探頭的折射角。           &

41、#160;                                                 &

42、#160;                                                 &

43、#160;      (5.13)式中   D圓柱試塊的直徑。    此外探頭的折射角還可用圖5.39所示的試樣來測定。該試樣的材質、外徑、壁厚同被探管材。試樣內外壁加工有兩個同深度的小槽，設探頭楔缺中的聲程為，那么示波屏上一次波的聲程a=Ws+，二次波的聲程b=2Ws+。那么該試樣內一次波聲程Ws為                

44、60;               Ws=ba                                  

45、60;                                                 

46、60;                                  (5.14)式中  a示波屏上試樣內壁小槽對應的讀數；        b示波屏上試樣外壁小槽對應

47、的讀數。    在圖5.39示的OBA中，由余弦定理得探頭折射角為：    式中  t試樣的壁厚；        D一試樣的外徑；        Ws試祥中一次波聲程。                    上述測試曲面探頭折射角

48、和入射點的方法不太方便，同時精度也不高。下面介紹推薦兩種方法。    (1)采用與工件曲率一樣的比照試塊測：探頭置于圖5.40所示的比照試塊上，測波橫孔直射波與第一次反射波最大值所對應的簡化水平距離L1、L2，根據比照試抉曲率半徑R、壁厚，計算出L2L1/2R和/2R的值。從圖5.41疊出折射角。然后將圖5.42所示的中心發現儀角度指針撥到值。并使指針線通過試塊橫孔中心，那么中心發現儀上角頂點對應的點即為探頭的入射點。     (2)采用與工件曲率不同的比照試塊測：當工件曲率半徑與試塊不同時。要利用圖5.43所示比照試塊I來

49、測試探頭的折射角和入射點。該試塊曲率半徑與工件相差<10%，試塊的上下曲面半徑不同，共有4種規格，其曲率半徑尺寸見表5.7    折射角與入射點測試方法：將探頭置于比照試塊I上，測出第一、二橫孔最大反射波幅對應的簡化水平距離L1、L2，根椐探測面曲率半徑r從圖5.44查出探頭折射角。然后將圖5.45所示的中心發現儀角度指針撥到值上，并使指針線通過試塊橫孔中心，那么中心發現儀上角頂點對應的點為探頭的入射點。             

50、       四、厚壁管探傷    橫波探傷管材時，第一臨界角對應的探測厚度最大。由于第一臨界角a1對應的橫曲折射角s是確定的。因此可探測的壁厚也受到一定的的制，如圖5.06所示的A位置。    對于鋼而言，a1對應的s為                        

51、 當t/D>0.226時，橫波掃查不到管子內壁缺陷，可能引起漏檢。為此人們設想使a<a1時讓 L、S同存于管內，利用aL=61°時產生較強的變型橫波來探測內壁缺陷，時最大探測壁厚增加，如圖5.46所示的B位置。由反射定律與aL=61°得                           

52、0;                                                 

53、0;                            (5.17)        以上計算說明，利用61°反射產生一個較強的變型橫波來探測內壁缺陷，將使可可探測的最大壁厚增加到t/D=0.26。    但

54、對于t/D>0.26的厚壁管，利用邊型橫波探傷靈敏度較低，不宜采用。    五、管材自動探傷    管材手動探傷，檢測效率低，勞動強度太，僅適用于單件小批量多規格管材檢驗。大批量生產時，一般采用自動超聲波探傷。目前國內管材自動蹀傷設各分為探頭旋轉式和管子旋轉式兩類。探頭旋轉式設備是管材直線送進，探頭繞管材旋轉，這種設備適用于中小口徑管材自動探傷。管子旋轉式是探頭固定不動管材旋轉送進或管材轉動探頭直線移動。這種設備多用于大口徑管材自動探傷。    下面以探頭旋轉式設備為例來說明管材自動探傷設備的概況。

55、    1.自動探傷設備系統    管材超聲波自動探傷設備系統示意如圖5.47所示，該設備由多通道超聲波探傷儀與機械傳動系統組成。其檢驗工藝流程如下。當設備調試好以后，開動主機同時水，于是上料裝置2將鋼管送進料輥道3，當管子前進到達開關4時，上料裝置復位，堵球裝置6動作將一個橡膠球送入堵球裝置，管子頭部到達前定心輥5后自動堵球，接著進入探頭架7進展探傷。    管子探傷后到達開關9時，落球裝置10動作，將橡膠球打掉，球返回堵球裝置。假設管內無超標缺陷，那么徑后定心輥11進入出料輥道14，當管材離開開關18

56、時，翻料裝置13動作，管子落入成品收集槽16。假設管內有超標缺陷，探頭對應的儀器通道報警，同時儀器延遲單元記憶此信號，當缺陷部位走到標記裝置12處時，延遲單元發出信號，驅動標記噴槍動作，在缺陷處噴漆標記。與此同時選裝置15動作使管子落入廢品收集槽17。     2.探頭架構造    探頭架是探頭旋轉式自動探傷設備的主要部件。噴水耦合式探頭架如圖5.48所示，圖中主軸1為定心軸，上面安裝有探頭盤、輸水器、電氣耦合裝置等，被探鋼管從空心軸內通過。探頭盤2的作用是固定探頭和調節探頭的位置。探頭盤根據三爪卡盤的原理設計，每個探頭盤上安裝3只探

57、頭。該探頭架有四個探頭盤，共安裝12只探頭。探頭縱橫向位置可調。輸水器5套在主軸上，在探頭與管子之間形成穩定水柱，起聲耦合作用。點耦合裝置7的作用是使高速旋轉的探頭與探傷儀保持良好的電路導通。    3.主要工藝參數的選擇       水浸聚焦自動探傷以前，要確定以下工藝參數。    (1)水層厚度H：水層厚度是指探頭至鋼管外表的距離，水浸自動探傷時為使管材界面回波不致于干擾對缺陷波的判別，要求水層厚度H滿足以下條件；     

58、0;   H>Xs(鋼管中一次波聲程)   (2)偏心距X：水浸自動探傷，欲實現純橫波探測鋼管內壁，探頭偏心距X應在下述范圍內：                                    &#

59、160;                                                 &#

60、160;                                        (5.18)式中   R鋼管外半徑；     

61、60;   r鋼管內半徑；         X平均偏心距。    (3)焦距F：水浸自動探傷。要求聲束焦點落在鋼管水平軸線上，這時的焦距F為       (4)聚焦探頭的曲率半徑：水浸聚焦探頭分為線聚焦和點聚焦兩種。線聚焦探頭探傷速度較快，點聚焦探頭靈敏度較高。此外，二  者對于同一缺陷回波幅度不同。如圖5.49所示，對于點聚焦探頭，當缺陷長度大于焦點尺寸時，缺陷長度增加，其回波幅度不變，如圖5.49中B線

62、。對于線聚焦探頭，當缺陷長度增加時，其回波幅度隨之增加。當缺陷卡度超過焦線卡度時，回波才不再增加，如圖5.49所示A線。A、B線交點為線聚焦探頭發現缺陷的臨界卡度。    目前聚焦探頭一般采用聲透鏡來實現聚焦，聲透鏡的曲率半徑，為：                            &

63、#160;                                                  

64、                                                  

65、                (5.20)式中  C1聲透鏡中聲速；        C2水中聲速；   (5)掃查速度u：自動探傷管材時，探頭的聚焦聲束在管外壁上的掃查軌跡為螺旋線。掃查速度u為：            

66、;                                               u=n·t  

67、                                                  

68、                                            (5.21)式中  n探頭與管子的相對轉速；        t螺旋線的螺距。    由上式可知，掃查速度與螺距及轉速成正比。但螺距受聚焦聲束寬度和探傷標準關子相鄰兩次掃查覆蓋率的限制。轉速對探傷穩定性有影響，轉速太高，穩定性