管材超聲波探傷

1、第四節(jié) 管材超聲波探傷一、管材加工及常見缺陷 管材種類很多，據(jù)管徑不同分為小口徑管和大口徑管，據(jù)加工方法不同 分為無縫鋼管和焊接管。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。焊接管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(jīng)鍛造、 軋制等工藝加工而 成。管材中常見缺陷與加工方法有關(guān)。無縫鋼管中常見缺陷有裂紋、折迭、 夾層等。焊接管中常見缺陷與焊縫類似， 一般為裂紋、 氣孔、夾

2、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行超聲波探 傷。據(jù)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向缺陷 （稱橫向缺陷 ）。對于管內(nèi)縱向缺陷，一般利用橫波進行周向掃查探測，如圖 5.23 所示。 對于管內(nèi)橫向缺陷，一般利用橫波進行軸向掃查探測，如圖 5.24 所示。按耦合方式不同，小口徑

3、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(zhì)與鋼管直接接觸進行探傷的方 法。這種方法一般為受動探傷，檢測效率低，但設(shè)備簡單，操作方便，機動靈活 性強。適用于單件小批量及規(guī)格多的倩況。接觸法探傷小口徑管時，由于其管徑小，曲率大，常規(guī)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表面相吻合的曲面。 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(yīng)加工成如圖 5.23 所示的形狀，

4、使 之與工件表面吻合良好。探頭壓電晶片的長度或直徑不大于 25mm，探頭的頻率 為 2.5 5.0MHz。(2) 試塊：探測縱向缺陷的對比試塊應(yīng)選取與被檢管材規(guī)格相同，材質(zhì)、 熱處理及表面狀態(tài)相同或相似的管材制成。 對比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(diào)節(jié)： 探頭置于對比試塊上作周向掃查探測， 將試塊上內(nèi)壁尖 角槽的最高回波調(diào)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(zhǔn)靈敏度。 在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)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行掃查探測。 具體

5、掃查方式有三種： 一是探頭不動，管材旋轉(zhuǎn)的同時作軸向移動。 二是探頭作軸向移動， 管材作轉(zhuǎn)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 聲波束對管材進行 100%掃查，并有不小于 15%的覆蓋。在掃查探測過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時，要將儀器調(diào)整到基準(zhǔn)靈敏度、若缺 陷回波幅度基準(zhǔn)靈敏度， 則判為不合格。 不合格晶允許在公差范圍內(nèi)采取修磨 方法進行處理。然后再復(fù)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(yīng)加工成如圖 5.24 所示的形狀，探頭的 晶片長度或直徑不大于 25mm，探頭的頻率為 2.5 5.0MHz。(2) 試塊：

6、探測橫向缺陷用的對比試塊， 同樣應(yīng)選用與被檢管材規(guī)格相同， 材質(zhì)、熱處理及表面狀態(tài)相同或相似的管材制成。 對比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表面，只有當(dāng) D80mm，且壁厚 t 10mm時，才同時在內(nèi)外表面加工人工缺陷。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(diào)節(jié)： 對于只有外表面人工缺陷的試塊， 可直接將對比試塊上 的人工缺陷最高回波調(diào)至 50%作為基準(zhǔn)靈敏度。對于內(nèi)外表面均有人工缺陷的試塊應(yīng)將內(nèi)表面人工缺陷最高回波凋至80%，然后找到外表面人工缺陷最高回波，二者波峰的連線為距離一波幅曲線， 該

7、曲線為基準(zhǔn)靈敏度。在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)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行掃查探測。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時， 儀器 調(diào)回到基準(zhǔn)靈敏度， 若缺陷回波幅度基準(zhǔn)靈敏度， 則該管材為不合格。 不合格 品允許在公差范圍內(nèi)進行修磨，修磨后復(fù)探。合格級別由供需雙方商定。( 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(dāng)入射角 a=a1 a1時，可在鋼管內(nèi)實現(xiàn)純橫波探測。如圖 5.29 所示。1. 探測參數(shù)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

8、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(nèi)壁條件同時滿足純橫波探測內(nèi)壁的條件為(5.5) 對于水浸探傷鋼管， cL1=1480m/s， cL2=5900m/s，cs 2=3230m/s，有： 0.25 1R 0.458r(5.6)(5.7)式中 R一一小徑管外半徑；r 一小徑管內(nèi)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 Hs) 。這是因為水中 C水=14380m/s，鋼中 Cs=3230m/s，C水/Cs1/2。當(dāng)水層厚度大于鋼管中橫波聲程的 1/2 時，水/ 鋼界 面的第二

9、次回波 S2將位于管子的缺陷波 F 內(nèi)(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(yīng)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 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 424小管徑，已知水中 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 )R=21，r=Rt=21 4=17(2) 求水層厚度 H 求鋼中橫波全聲程之半 在圖 5.28 的 AB

10、O中，由正弦定律得又由正弦定律得 水層厚度選?。?H6.2mm，這里取 H=10m。m(3) 求焦距 F(4) 求聲透鏡曲率半徑 r 由 F=2.2r 得r 0.455F=300.455=13.7(mm)例 2，水浸聚焦探傷 608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 (2) 求焦距 FF=2.2r 2.2 36=79.2(mm)(3) 求水層厚度 H2. 探測條件的確定(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.

11、5 5.0MHz。聚焦探頭聲透鏡的曲率半徑 r 應(yīng)符合下 述條件：(5.9)式中C1聲透鏡中縱波波速；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(2) 聲耦合：小管徑探傷常用耦合劑為水。 為了增強對鋼管表面的潤濕作 用，需加入少量活性劑。為了防止鋼管生銹，需加入適量的防銹劑。(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(zhuǎn)動，鋼管直線運動。三是探頭沿管移動，鋼管 轉(zhuǎn)動。螺距應(yīng)小于或等予探頭聲束有效寬度，探頭移動速度 u 為U=nt(5.10)式中 n 管子轉(zhuǎn)速；t 螺距。3. 探傷靈敏

12、度的調(diào)整和質(zhì)量評定小管徑探傷時， 常用如圖 5.26 所示的內(nèi)外壁開有人工尖角槽的對比試樣 來調(diào)整靈敏度，試樣材質(zhì)及規(guī)格同被探鋼管。調(diào)整時，轉(zhuǎn)動水中試樣使內(nèi)外壁人工槽回波均達 50%基準(zhǔn)高，以此作為 基準(zhǔn)靈敏度。掃查探傷靈敏度比基準(zhǔn)靈敏度高 6dB。 探傷中當(dāng)缺陷回波基準(zhǔn)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(nèi)進行打磨，然后再復(fù)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。 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，若管徑不太大，為了實 現(xiàn)更好的耦合， 需將探頭斜楔磨成與管材

13、表面相吻合的曲面， 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(nèi)缺陷比較復(fù)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(lián)合雙直探頭探傷。當(dāng)缺陷較小時，缺陷波F 與底波 B同時出現(xiàn)。這時可根據(jù) F波的高度來評價缺陷的當(dāng)量大小。 當(dāng)缺陷較大時， 底波 B將會消失，這

14、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行周向探測。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，探頭應(yīng)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(fā)，同一缺陷在示波 屏上可能同時出現(xiàn)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(cè)對稱位置。當(dāng)探頭沿管外壁作周向移動時， F、 F在 180的兩側(cè)作對稱移動。據(jù)此可對缺陷進行判別。(3) 橫波軸向

15、探傷法：如圖 5.33 所示，對于與管軸垂直的徑向缺陷，常 用單斜探頭或聯(lián)合雙斜探頭進行軸向探傷。圖 5.33(a) 為單斜探頭探傷，這時聲 束在內(nèi)壁的反射波更進一步發(fā)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(lián)合雙斜探頭探傷，這時只要內(nèi)外壁缺陷處于兩 晶片發(fā)射聲場交集區(qū)內(nèi)，則內(nèi)外壁缺陷靈敏度基本一致。(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(diào)在管材 中心線上。 這樣橫波聲柬在管內(nèi)外壁多次反射， 產(chǎn)生多次斂聚發(fā)散。 在整個管子 截面上形成平均寬度基本

16、一致的聲束， 這樣不僅探傷靈敏度較高， 而且內(nèi)外壁缺 陷檢出靈敏度大致相同。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(nèi)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(dǎo)別的計算公式。為了便于計算，特引進聲程修正系數(shù) 和跨距修正系數(shù) m。其中聲程修正系數(shù) 和跨距修正系數(shù) m可由圖 4.25 和圖 4.26 查得管材缺陷大多出現(xiàn)在內(nèi)外壁上，內(nèi)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(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷時，缺陷定位

17、計算公式為：式中 聲程修正系數(shù)； m跨距修正系數(shù)； T 材壁厚； 探頭折射角。 二次波探測發(fā)現(xiàn)外壁缺陷時，缺陷定位計算公式為：3. 探頭入射點與拆射角的測定 在管材探傷中， 為了實現(xiàn)良好的耦合， 常將探頭修磨為與管材曲率半經(jīng)相同的曲 面，如圖 5.36 所示，但這時探頭的入射點和折射角發(fā)生了變化。因此需要重新 測定入射點和折射角。 由于這時探頭表面為曲面， 因此常規(guī)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(yīng)的點為探頭入射點。 這 種方法稱為

18、棱角反射法。(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(zhì)曲率半徑與被探管材相同，在試塊表面附近加工一個 1.520 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 。(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(zhì)、 外 徑、壁厚同被探管材。 試樣內(nèi)外壁加工有兩個同深度的小槽， 設(shè)探頭楔缺中的聲 程為 ，則示波屏上一次波的聲程 a=Ws+，二次波的聲程 b=2Ws+

19、。則該試 樣內(nèi)一次波聲程 Ws為Ws=b a(5.14)式中 a 示波屏上試樣內(nèi)壁小槽對應(yīng)的讀數(shù)；b示波屏上試樣外壁小槽對應(yīng)的讀數(shù)。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 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) 采用與工件曲率相同的對比試塊測：探頭置于圖 5.40 所示的對比試 塊上，測波橫孔直射波與第一次反射波最大值所對應(yīng)的簡化水平距離L 1、L 2根據(jù)對比試抉曲率半徑 R、壁厚 ，計算出 L2L1/2R 和/2R 的值。從圖 5.41 疊出折射角 。然后

20、將圖 5.42 所示的中心發(fā)現(xiàn)儀角度指針撥到 值。并 使指針線通過試塊橫孔中心，則中心發(fā)現(xiàn)儀上 角頂點對應(yīng)的點即為探頭的入 射點。(2) 采用與工件曲率不同的對比試塊測：當(dāng)工件曲率半徑與試塊不同時。 要利用圖 5.43 所示對比試塊 I 來測試探頭的折射角 和入射點。該試塊曲率半徑與工件相差 0.226 時，橫波掃查不到管子內(nèi)壁缺陷，可能引起漏檢。為此人 們設(shè)想使 a0.26 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(guī)格 管材檢驗。大批量生產(chǎn)時，一般采用自動超聲波探傷。 目前國內(nèi)管材自動蹀傷設(shè)各分為探頭旋轉(zhuǎn)式

21、和管子旋轉(zhuǎn)式兩類。 探頭旋轉(zhuǎn)式設(shè)備 是管材直線送進， 探頭繞管材旋轉(zhuǎn)， 這種設(shè)備適用于中小口徑管材自動探傷。 管 子旋轉(zhuǎn)式是探頭固定不動管材旋轉(zhuǎn)送進或管材轉(zhuǎn)動探頭直線移動。 這種設(shè)備多用 于大口徑管材自動探傷。下面以探頭旋轉(zhuǎn)式設(shè)備為例來說明管材自動探傷設(shè)備的概況。1. 自動探傷設(shè)備系統(tǒng)管材超聲波自動探傷設(shè)備系統(tǒng)示意如圖 5.47 所示，該設(shè)備由多通道超聲 波探傷儀與機械傳動系統(tǒng)組成。其檢驗工藝流程如下。 當(dāng)設(shè)備調(diào)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(dāng) 管子前進到達開關(guān) 4 時，上料裝置復(fù)位， 堵球裝置 6 動作將一個橡膠球送入堵球 裝置，管子頭部達到前定心輥 5

22、后自動堵球，接著進入探頭架 7 進行探傷。管子探傷后到達開關(guān) 9時，落球裝置 10動作，將橡膠球打掉， 球返回堵 球裝置。若管內(nèi)無超標(biāo)缺陷，則徑后定心輥 11 進入出料輥道 14，當(dāng)管材離開開 關(guān) 18 時，翻料裝置 13 動作，管子落入成品收集槽 16。若管內(nèi)有超標(biāo)缺陷，探 頭對應(yīng)的儀器通道報警， 同時儀器延遲單元記憶此信號， 當(dāng)缺陷部位走到標(biāo)記裝 置 12 處時，延遲單元發(fā)出信號，驅(qū)動標(biāo)記噴槍動作，在缺陷處噴漆標(biāo)記。與此 同時選裝置 15 動作使管子落入廢品收集槽 17。2. 探頭架結(jié)構(gòu) 探頭架是探頭旋轉(zhuǎn)式自動探傷設(shè)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

23、，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(nèi)通過。探頭盤 2 的作用是固定探頭和調(diào)節(jié)探頭的位置。 探頭盤根據(jù)三爪卡盤的原理設(shè)計， 每個探頭盤上安裝 3 只探頭。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(diào)。輸水器 5 套在主軸上，在探 頭與管子之間形成穩(wěn)定水柱， 起聲耦合作用。 點耦合裝置 7 的作用是使高速旋轉(zhuǎn) 的探頭與探傷儀保持良好的電路導(dǎo)通。3. 主要工藝參數(shù)的選擇水浸聚焦自動探傷以前，要確定以下工藝參數(shù)。(1) 水層厚度 H：水層厚度是指探頭至鋼管表面的距離，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；

24、HXs( 鋼管中一次波聲程 )(2) 偏心距 X：水浸自動探傷，欲實現(xiàn)純橫波探測鋼管內(nèi)壁，探頭偏心距X應(yīng)在下述范圍內(nèi)：(5.18) 式中R鋼管外半徑；r 鋼管內(nèi)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(dāng)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。對于線聚焦探頭，當(dāng)缺陷 長度增加時， 其回波幅度隨之增

25、加。 當(dāng)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(fā)現(xiàn)缺陷的臨界卡度。目前聚焦探頭一般采用聲透鏡來實現(xiàn)聚焦，聲透鏡的曲率半徑，為：(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：u=nt(5.21)式中 n探頭與管子的相對轉(zhuǎn)速；t 螺旋線的螺距。由上式可知，掃查速度與螺距及轉(zhuǎn)速成正比。但螺距受聚焦聲束寬度和 探傷標(biāo)準(zhǔn)關(guān)子相鄰兩次掃查覆蓋率的限制。 轉(zhuǎn)速對探傷穩(wěn)定性有影響， 轉(zhuǎn)速太高， 穩(wěn)定性下降，一般轉(zhuǎn)速控制在 10003000轉(zhuǎn)/ 分范圍內(nèi)。(6) 儀器重復(fù)頻率廠：重