本文通過幾何作圖的方法并從聲學(xué)原理的角度討論在對(duì)高頻焊直縫鋼管的焊縫進(jìn)行超聲橫波探傷時(shí)，應(yīng)該注意選擇適當(dāng)晶片尺寸的問題。指出在管直徑較小時(shí)使用較大尺寸的晶片會(huì)在工件上產(chǎn)生表面波及其他波型的干擾，從而影響純橫波探傷時(shí)對(duì)焊縫缺陷的正確判斷。給出了晶片尺寸與管半徑的關(guān)系供選擇探頭時(shí)參考。本文對(duì)于其他同類型的管材橫波探傷也有參考意義。 |
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筆者在為某大型鋼管公司提供超聲波探傷技術(shù)咨詢服務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，該公司對(duì)高頻焊接鋼管直焊縫進(jìn)行超聲橫波探傷時(shí)，探傷工人以為采用大探頭可以加快探傷速度，于是使用晶片尺寸為13X13的2.5P-K1.5探頭（ 探傷儀是北京華海恒輝產(chǎn)HUD50型），探傷對(duì)象是油田用的高頻焊直縫鋼管，規(guī)格有外徑四英寸、五英寸、六英寸、八英寸、十英寸和十二英寸，壁厚從3.5毫米到10.31毫米。探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按美國(guó)石油協(xié)會(huì)的API標(biāo)準(zhǔn)即3.0毫米直徑的徑向通孔（柱孔），探傷耦合劑為機(jī)油或漿糊。 |
在這樣的探傷條件下，探傷過程中經(jīng)常有回波信號(hào)出現(xiàn)并且被判斷為缺陷信號(hào)。實(shí)際上通過觸摸法和聲程位置判斷以及解剖證實(shí)均不是焊縫缺陷回波，結(jié)果造成的誤判率*高曾達(dá)到90%。造成這樣高的誤判率除了探傷工人本身操作技術(shù)問題和判傷經(jīng)驗(yàn)不足以外，分析起來其使用的探頭晶片選擇不當(dāng)也是一個(gè)重要的原因。為此,筆者進(jìn)行了理論上的分析計(jì)算和探討如下。 |
2.晶片尺寸大小與在管材上激發(fā)純超聲橫波的關(guān)系 |
如后面附圖所示，通過簡(jiǎn)單的幾何作圖可以推導(dǎo)出斜探頭晶片的切向尺寸D與鋼管外半徑R以及晶片上下邊緣聲線在鋼管曲面上入射角的關(guān)系有： |
α' = arcsin[sinα+(D/2R)] |
α''= arcsin[sinα-(D/2R)] |
式中：α' 為晶片上邊緣聲線在管材表面上的入射角；α''為晶片下邊緣聲線在管材表面上的入射角；α為晶片聲軸線在管材表面上的入射角；R 為管材外半徑 |
從圖中可以明顯看到α'＞α＞α''，根據(jù)所采用的管材直徑和探頭型式有以下計(jì)算結(jié)果，見表1至表4。 |
表1 2.5P13x13K2探頭（聲軸線入射角α= 49.7°） |
鋼管外徑 | 4英寸 | 5英寸 | 6英寸 | 8英寸 | 10英寸 | 12英寸 | a′ | 62.95° | 59.89° | 57.99° | 55.76° | 54.47° | 53.64° | | (27%) | (21%) | (17%) | (12%) | (10%) | (8%) | a″ | 39.4° | 41.32° | 42.64° | 44.32° | 45.36° | 46.06° | | (-21%) | (-17%) | (-14%) | (-11%) | (-9%) | (-7%) |
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注：表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示與聲軸線入射角相差的百分?jǐn)?shù)，以下均同。 |
表2 2.5P8x10K2探頭（聲軸線入射角α=49.7°） |
鋼管外徑 | 4英寸 | 5英寸 | 6英寸 | 8英寸 | 10英寸 | 12英寸 | a′ | 57.29° | 55.66° | 54.6° | 53.33° | 52.58° | 52.08° | | (15%) | (12%) | (10%) | (7%) | (6%) | (5%) | a″ | 43.15° | 44.4° | 45.25° | 46.33° | 46.98° | 47.43° | | (-13%) | (-11%) | (-9%) | (-7%) | (-5%) | (-5%) |
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表3 2.5P13x13K1.5探頭（聲軸線入射角α=45.2°） |
鋼管外徑 | 4英寸 | 5英寸 | 6英寸 | 8英寸 | 10英寸 | 12英寸 | a′ | 56.88° | 54.29° | 52.64° | 50.67° | 49.53° | 48.78° | | (26%) | (20%) | (16%) | (12%) | (10%) | (8%) | a″ | 35.56° | 37.39° | 38.63° | 40.21° | 41.18° | 41.83° | | (-21%) | (-17%) | (-15%) | (-11%) | (-9%) | (-7%) |
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表4 2.5P8x10K1.5探頭（聲軸線入射角α=45.2°） |
鋼管外徑 | 4英寸 | 5英寸 | 6英寸 | 8英寸 | 10英寸 | 12英寸 | a′ | 52.03° | 50.58° | 49.65° | 48.5° | 47.82° | 47.38° | | (15%) | (12%) | (10%) | (7%) | (6%) | (5%) | a″ | 39.11° | 40.28° | 41.08° | 42.08° | 42.69° | 43.1° | | (-13%) | (-11%) | (-9%) | (-7%) | (-6%) | (-5%) |
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注：探頭斜楔材料按有機(jī)玻璃縱波速度2730米/秒；鋼中橫波速度按3200米/秒，鋼中縱波速度按5900米/秒。 |
討論： |
從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，晶片直徑（或切向邊長(zhǎng)）相對(duì)鋼管直徑為較大的時(shí)候，其上邊緣聲線入射角已經(jīng)接近或超出**臨界角（對(duì)于有機(jī)玻璃-鋼界面，其**臨界角為58°左右）從而會(huì)激發(fā)出表面波造成干擾，鋼管的曲率越大和晶片直徑越大則激發(fā)表面波的機(jī)會(huì)越大，這是其一。此外，從近聲場(chǎng)特性來看，晶片直徑越大，相對(duì)于一定的頻率和材料其近場(chǎng)長(zhǎng)度也越大，眾所周知，脈沖超聲波束在近場(chǎng)內(nèi)呈收斂狀態(tài)至N點(diǎn)后再發(fā)散，因此對(duì)于一般斜探頭斜楔中聲軸線聲程為10-15毫米的情況下，2.5P13X13斜探頭在有機(jī)玻璃斜楔中的近場(chǎng)長(zhǎng)度約有38.41毫米而2.5P8X10斜探頭在有機(jī)玻璃斜楔中的近場(chǎng)長(zhǎng)度則只有約14.55毫米，顯然后者上下邊緣聲線的收斂程度大于前者，因而其上下邊緣聲線入射角將會(huì)更接近聲軸線的入射角，亦即有利于聲束的集聚，這是其二。第三個(gè)可能造成干擾的因素是在對(duì)壁厚僅有3.5毫米的鋼管探傷時(shí)，若晶片直徑相對(duì)于壁厚較大，則有可能會(huì)因?yàn)榇执蟮牟ㄊ阡摴鼙”谥蟹瓷湫纬莎B加干涉而激發(fā)出某種模式的蘭姆波造成干擾。 |
因此，在綜合考慮探傷靈敏度和探傷速度的情況下，適當(dāng)選擇切向邊長(zhǎng)較小而軸向尺寸較大（即較寬）的晶片應(yīng)該是有利的。 |
3.實(shí)際探傷驗(yàn)證 |
考慮到探傷對(duì)象是壁厚與外徑之比在0.02-0.05范圍的薄壁管，采用K2探頭較有利于發(fā)現(xiàn)*常見的徑向取向的焊縫缺陷，故選擇聲束相對(duì)扁寬且能保證必需的發(fā)射功率以保證探傷靈敏度的2.5P8X10K2探頭進(jìn)行探傷。 |
通過對(duì)原來探傷判定不合格的數(shù)百噸鋼管改用2.5P8X10K2探頭進(jìn)行全部復(fù)驗(yàn)，確認(rèn)約90%的鋼管并非存在不合格缺陷而不該判廢，從而避免了重大的浪費(fèi)。采用改進(jìn)后的探傷工藝在以后的探傷中也大大降低了虛假缺陷回波信號(hào)的出現(xiàn)幾率，大幅度提高了探傷的可靠性，顯著降低了探傷的誤判率。 |
4.結(jié)論 |
綜上所述，筆者認(rèn)為在鋼管超聲橫波探傷中，應(yīng)當(dāng)注意探頭晶片尺寸與鋼管曲率的關(guān)系，特別是曲率較大的鋼管應(yīng)當(dāng)采用切向尺寸較小的晶片。在綜合考慮探傷靈敏度和探傷速度與效率的需要情況下，適當(dāng)選擇切向邊長(zhǎng)較小而軸向尺寸較大（即較寬）的晶片有利于減少干擾回波信號(hào)的產(chǎn)生。 |
