管材超声波探伤之欧阳美创编文档格式.docx
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这种方法一般为受动探伤，检测效率低，但设备简单，操作方便，机动灵活性强。
适用于单件小批量及规格多的倩况。
接触法探伤小口径管时，由于其管径小，曲率大，常规横波斜探头与管材接触面小、耦合不良，波束严重扩散，灵敏度低。
为了改善耦合条件。
常将探头有机玻璃斜楔加工成与管材表面相吻合的曲面。
为了提高探伤灵敏度，可以采用接触聚焦探头来探伤。
下面分别介绍纵向缺陷和横向缺陷的一般探伤方法。
1.纵向缺陷探测
（1）探头：
探测纵向缺陷的斜探头，应加工成如图5.23所示的形状，使之与工件表面吻合良好。
探头压电晶片的长度或直径不大于25mm，探头的频率为2.5～5.0MHz。
（2）试块：
探测纵向缺陷的对比试块应选取与被检管材规格相同，材质、热处理及表面状态相同或相似的管材制成。
对比试块上的人工缺陷为尖角槽，尖角槽的位置和尺寸见图5.25和表5.5。
（3）灵敏度调节：
探头置于对比试块上作周向扫查探测，将试块上内壁尖角槽的最高回波调至满幅度的80％，再移动探头找外壁尖角槽的最高回波。
二者波峰的连线为距离一波幅曲线，作为基准灵敏度。
在基准灵敏度的基础上提高6dB作为扫查灵敏度。
（4）扫查探测：
探头沿径向按螺旋线进行扫查探测。
具体扫查方式有三种：
一是探头不动，管材旋转的同时作轴向移动。
二是探头作轴向移动，管材作转动。
三是管材不动，探头沿螺旋线运动。
探头扫查螺旋线的螺距不能太大，要保证超声波束对管材进行100%扫查，并有不小于15%的覆盖。
在扫查探测过程中，当发现缺陷时，要将仪器调整到基准灵敏度、若缺陷回波幅度≥基准灵敏度，则判为不合格。
不合格晶允许在公差范围内采取修磨方法进行处理。
然后再复探
管材合格级别由供需双方商定。
2.横向缺陷的探测
探测横向缺陷的探头应加工成如图5.24所示的形状，探头的晶片长度或直径不大于25mm，探头的频率为2.5～5.0MHz。
探测横向缺陷用的对比试块，同样应选用与被检管材规格相同，材质、热处理及表面状态相同或相似的管材制成。
对比试块上的人工缺陷为周向尖角槽，尖角槽位置和尺寸见图5.26和表5.6
对出试块上人工缺陷一般加工在外表面，只有当D≥80mm，且壁厚t≥10mm时，才同时在内外表面加工人工缺陷。
二者在轴向要有足够的距离，以免测试时互相影响。
对于只有外表面人工缺陷的试块，可直接将对比试块上的人工缺陷最高回波调至50%作为基准灵敏度。
对于内外表面均有人工缺陷的试块．应将内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，二者波峰的连线为距离一波幅曲线，该曲线为基准灵敏度。
在基准灵敏度的基础上提高6dB作为扫查灵敏度。
探头沿轴向按螺旋线进行扫查探测。
当发现缺陷时，仪器调回到基准灵敏度，若缺陷回波幅度≥基准灵敏度，则该管材为不合格。
不合格品允许在公差范围内进行修磨，修磨后复探。
合格级别由供需双方商定。
（二）水浸探伤
小口径管水漫探伤是将水浸纵波探头置于水中，利用纵波倾斜入射到水/钢界面。
当入射角a=a1～a1时，可在钢管内实现纯横波探测。
如图5.29所示。
1.探测参数的选择
（1）偏心距的选择：
如图5.27所示，偏心距是指探头声束轴线与管材中心轴线的水平距离，常用χ表示。
入射角a随偏心距χ增大而增大，控制χ就可控制a。
偏心距范围由以下两个条件决定。
①纯横波探测条件
②横波探测内壁条件
同时满足纯横波探测内壁的条件为
（5.5）
对于水浸探伤钢管，cL1=1480m/s，cL2=5900m/s，cs2=3230m/s，有：
0.251R≤χ0.458r
（5.6）
（5.7）
式中
R一一小径管外半径；
r—一小径管内半径。
（2）水层厚度的选择：
如图5.28，在水浸探伤中．要求水层厚度日大于钢管中横波全声程的l/2（即H>
χs）。
这是因为水中C水=14380m/s，钢中Cs=3230m/s，C水/Cs≈1/2。
当水层厚度大于钢管中横波声程的1/2时，水/钢界面的第二次回波S2将位于管子的缺陷波F内（一次波）、F外（二次波）之后，这样有利于对缺陷的判别。
（3）焦距的选择：
用水浸聚焦探头探伤小径管，应使探头的焦点落在与声束轴线垂直的管心线上，如图5.29所示。
F——焦距；
H——水层厚度；
R——钢管外半径：
χ——偏心距。
例1，用有机玻璃聚焦探头水浸探伤φ42×
4小管径，已知水中c水=1480m/s，钢中cL2=5900m/s，cL2=3230m/s。
求偏心距χ，水层厚度H，透镜曲率半径r′。
解：
（1）求偏心距χ（平均值）
R=21，r=R－t=21－4=17
（2）求水层厚度H
③求钢中横波全声程之半χ
在图5.28的△ABO中，由正弦定律得
又由正弦定律得
④水层厚度选取：
H>
6.2mm，这里取H=10mm。
（3）求焦距F
（4）求声透镜曲率半径r′
由F=2.2r′得
r′＝0.455F=30×
0.455=13.7（mm）
例2，水浸聚焦探伤φ60×
8小径管，声透镜曲率半径r′=36mm，求偏心距χ和水层厚度H。
（1）偏心距χ
（2）求焦距F
F=2.2r′－2.2×
36=79.2（mm）
（3）求水层厚度H
2.探测条件的确定
（1）探头；
小径管水浸探伤，一般采用聚焦探头。
聚焦探头分为线聚焦和点聚焦。
一般钢管采用线聚焦探头。
对于薄壁管，为了提高检测能力，也可用点聚焦探头。
探头的频率为2.5～5.0MHz。
聚焦探头声透镜的曲率半径r应符合下述条件：
（5.9）
C1——声透镜中纵波波速；
C2——水中波速；
F——水中焦距。
对于有机玻璃声透镜：
C1=2730m/s，C2=1480m/s
（2）声耦合：
小管径探伤常用耦合剂为水。
为了增强对钢管表面的润湿作用，需加入少量活性剂。
为了防止钢管生锈，需加入适量的防锈剂。
（3）扫查方式；
小径管探伤时探头扫查方式为螺旋线。
一是探头不动，钢管作螺旋运动；
二是探头沿管轴转动，钢管直线运动。
三是探头沿管移动，钢管转动。
螺距应小于或等予探头声束有效宽度，探头移动速度u为
U=n·
t
（5.10）
n——管子转速；
t——螺距。
3.探伤灵敏度的调整和质量评定
小管径探伤时，常用如图5.26所示的内外壁开有人工尖角槽的对比试样来调整灵敏度，试样材质及规格同被探钢管。
调整时，转动水中试样使内外壁人工槽回波均达50%基准高，以此作为基准灵敏度。
扫查探伤灵敏度比基准灵敏度高6dB。
探伤中当缺陷回波≥基准灵敏度时，就判为不合格。
不合格品允许在壁厚的公差范围内进行打磨，然后再复探。
三、大口径管探伤
超声波探伤中，大口径管一般是指外径大于100mm的管材。
大口径管曲率半径较大，探头与管壁声耦合较好，通常采用接触法探伤．批量较大时也可采用水浸探伤。
采用接触法探伤时，若管径不太大，为了实现更好的耦合，需将探头斜楔磨成与管材表面相吻合的曲面，也可在探头加装与管材吻合良好的滑块，如图5.30所示。
1.探测方法的选择
大口径管成型方法较多，如穿孔法、高速挤压法、锻造法和焊接法等。
因此大口径管内缺陷比较复杂。
既可能有平行于轴线的径向和周向缺陷，又可能有垂直于轴线的径向缺陷。
不同类型的缺陷需要采用不同的方法来探测。
常用的方法有纵波垂直探伤法，横波周向、轴向探伤法。
（1）纵渡垂直探伤法：
如图5.31所示，对于与管轴平行的周向缺陷，一般采用纵波单直探头或联合双直探头探伤。
当缺陷较小时，缺陷波F与底波B同时出现。
这时可根据F波的高度来评价缺陷的当量大小。
当缺陷较大时，底波B将会消失，这时可用半波高度法来测定缺陷的面积大小。
（2）横波周向探伤法：
如图5.32所示，对于与管轴平行的径向缺陷，常采用横渡单斜探头或双斜探头进行周向探测。
单斜探头探伤如图5.32（a），这时缺陷的粼剐与普通斜探头探伤类似。
考虑到缺陷的取向不同，探测时，探头应作正反两个方向的全面扫查，以免漏检。
双斜探头探伤如图5.32（b），这时两个探头单独收发，同一缺陷在示波屏上可能同时出现两个缺陷波，如图中F′、F″就是探头1、2接收到的同一缺陷回波，它们处于180°
的两侧对称位置。
当探头沿管外壁作周向移动时，F′、F″在180°
的两侧作对称移动。
据此可对缺陷进行判别。
（3）横波轴向探伤法：
如图5.33所示，对于与管轴垂直的径向缺陷，常用单斜探头或联合双斜探头进行轴向探伤。
图5.33（a）为单斜探头探伤，这时声束在内壁的反射波更进一步发散，声能损失大，因此外壁缺陷灵敏度较低，探伤时要注意这一点。
图5.33（b）为联合双斜探头探伤，这时只要内外壁缺陷处于两晶片发射声场交集区内，则内外壁缺陷灵敏度基本一致。
（4）水浸聚焦探伤法：
图5.34为水浸聚焦探伤大口径管堵塞情况，这时聚焦探头声束敛聚。
能量集中，灵敏度高。
一般采用线聚焦探头，焦点调在管材中心线上。
这样横波声柬在管内外壁多次反射，产生多次敛聚发散。
在整个管子截面上形成平均宽度基本一致的声束，这样不仅探伤灵敏度较高，而且内外壁缺陷检出灵敏度大致相同。
2.周向探伤缺陷定位与修正
横波轴向探伤管材时，缺陷定位与平板工件类似，但横波周向探伤时，缺陷定位与平板工停不同，如图5.35所示，这时不但入射到管材内壁的入射角增加了，而且一次波声程和跨距也都增加了。
这样平钣工件缺陷定位计算公式也就不适用了，需要推导别的计算公式。
为了便于计算，特引进声程修正系数μ和跨距修正系数m。
其中
声程修正系数μ和跨距修正系数m可由图4.25和图4.26查得。
管材缺陷大多出现在内外壁上，内壁缺陷可用一次波探测到，外壁缺陷可用二次波探测到。
一次波探测发现内壁缺陷时，缺陷定位计算公式为：
μ——声程修正系数；
m——跨距修正系数；
T——材壁厚；
β——探头折射角。
二次波探测发现外壁缺陷时，缺陷定位计算公式为：
3.探头入射点与拆射角的测定
在管材探伤中，为了实现良好的耦合，常将探头修磨为与管材曲率半经相同的曲面，如图5.36所示，但这时探头的入射点和折射角发生了变化。
因此需要重新测定入射点和折射角。
由于这时探头表面为曲面，因此常规测定，入射点和折射角的方法就不用了。
而要用特殊的方法和试块来测定。
（1）入射点的测定：
如图3.37所示，将探头楔块的圆弧置于试块的棱角上，前后移动探头，使棱角反射波最高时试块棱角处对应的点为探头入射点。
这种方法称为棱角反射法。
（2）折射角的测定：
先加一个如图5.38所示的实心圆柱体试块，试块材质曲率半径与被探管材相同，在试块表面附近加工一个φ1.5×
20的人工缺陷。
然后将探头置于试块上，前后移动探头，找到φ1.5人工缺陷的最高回波，测定探头入射点A至φ1.1的距离b，并连接过入射点A的直径AB，这时∠BAC为探头的折射角β。
（5.13）
D——圆柱试块的直径。
此外探头的折射角还可用图5.39所示的试样来测定。
该试样的材质、外径、壁厚同被探管材。
试样内外壁加工有两个同深度的小槽，设探头楔缺中的声程为δ，则示波屏上一次波的声程a=Ws+δ，二次波的声程b=2Ws+δ。
则该试样内一次波声程Ws为
Ws=b－a
（5.14）
a——示波屏上试样内壁小槽对应的读数；
b——示波屏上试样外壁小槽对应的读数。
在图5.39示的△OBA中，由余弦定理得探头折射角为：
t——试样的壁厚；
D——一试样的外径；
Ws——试祥中一次波声程。
上述测试曲面探头折射角β和入射点的方法不太方便，同时精度也不高。
下面介绍推荐两种方法。
（1）采用与工件曲率相同的对比试块测：
探头置于图5.40所示的对比试块上，测波横孔直射波与第一次反射波最大值所对应的简化水平距离L′1、L′2，根据对比试抉曲率半径R、壁厚δ，计算出L′2－L′1/2R和δ/2R的值。
从图5.41叠出折射角β。
然后将图5.42所示的中心发现仪角度指针拨到β值。
并使指针线通过试块横孔中心，则中心发现仪上β角顶点对应的点即为探头的入射点。
（2）采用与工件曲率不同的对比试块测：
当工件曲率半径与试块不同时。
要利用图5.43
所示对比试块I来测试探头的折射角β和入射点。
该试块曲率半径与工件相差<
10%，试块的上下曲面半径不同，共有4种规格，其曲率半径尺寸见表5.7
折射角β与入射点测试方法：
将探头置于对比试块I上，测出第一、二横孔最大反射波幅对应的简化水平距离L′1、L′2，根椐探测面曲率半径r从图5.44查出探头折射角β。
然后将图5.45所示的中心发现仪角度指针拨到β值上，并使指针线通过试块横孔中心，则中心发现仪上β角顶点对应的点为探头的入射点。
四、厚壁管探伤
横波探伤管材时，第一临界角对应的探测厚度最大。
由于第一临界角a1对应的横波折射角βs是确定的。
因此可探测的壁厚也受到一定的的制，如图5.06所示的A位置。
对于钢而言，a1对应的βs为
当t/D>
0.226时，横波扫查不到管子内壁缺陷，可能引起漏检。
为此人们设想使a<
a1时让L、S同存于管内，利用aL=61°
时产生较强的变型横波来探测内壁缺陷，时最大探测壁厚增加，如图5.46所示的B位置。
由反射定律与aL=61°
得
（5.17）
以上计算表明，利用61°
反射产生一个较强的变型横波来探测内壁缺陷，将使可可探测的最大壁厚增加到t/D=0.26。
但对于t/D>
0.26的厚壁管，利用边型横波探伤灵敏度较低，不宜采用。
五、管材自动探伤
管材手动探伤，检测效率低，劳动强度太，仅适用于单件小批量多规格管材检验。
大批量生产时，一般采用自动超声波探伤。
目前国内管材自动蹀伤设各分为探头旋转式和管子旋转式两类。
探头旋转式设备是管材直线送进，探头绕管材旋转，这种设备适用于中小口径管材自动探伤。
管子旋转式是探头固定不动管材旋转送进或管材转动探头直线移动。
这种设备多用于大口径管材自动探伤。
下面以探头旋转式设备为例来说明管材自动探伤设备的概况。
1.自动探伤设备系统
管材超声波自动探伤设备系统示意如图5.47所示，该设备由多通道超声波探伤仪与机械传动系统组成。
其检验工艺流程如下。
当设备调试好以后，开动主机同时水，于是上料装置2将钢管送进料辊道3，当管子前进到达开关4时，上料装置复位，堵球装置6动作将一个橡胶球送入堵球装置，管子头部达到前定心辊5后自动堵球，接着进入探头架7进行探伤。
管子探伤后到达开关9时，落球装置10动作，将橡胶球打掉，球返回堵球装置。
若管内无超标缺陷，则径后定心辊11进入出料辊道14，当管材离开开关18时，翻料装置13动作，管子落入成品收集槽16。
若管内有超标缺陷，探头对应的仪器通道报警，同时仪器延迟单元记忆此信号，当缺陷部位走到标记装置12处时，延迟单元发出信号，驱动标记喷枪动作，在缺陷处喷漆标记。
与此同时选装置15动作使管子落入废品收集槽17。
2.探头架结构
探头架是探头旋转式自动探伤设备的主要部件。
喷水耦合式探头架如图5.48所示，图中主轴1为定心轴，上面安装有探头盘、输水器、电气耦合装置等，被探钢管从空心轴内通过。
探头盘2的作用是固定探头和调节探头的位置。
探头盘根据三爪卡盘的原理设计，每个探头盘上安装3只探头。
该探头架有四个探头盘，共安装12只探头。
探头纵横向位置可调。
输水器5套在主轴上，在探头与管子之间形成稳定水柱，起声耦合作用。
点耦合装置7的作用是使高速旋转的探头与探伤仪保持良好的电路导通。
3.主要工艺参数的选择
水浸聚焦自动探伤以前，要确定以下工艺参数。
（1）水层厚度H：
水层厚度是指探头至钢管表面的距离，水浸自动探伤时为使管材界面回波不致于干扰对缺陷波的判别，要求水层厚度H满足以下条件；
H>
Xs（钢管中一次波声程）
（2）偏心距X：
水浸自动探伤，欲实现纯横波探测钢管内壁，探头偏心距X应在下述范围内：
（5.18）
R——钢管外半径；
r——钢管内半径；
X——平均偏心距。
（3）焦距F：
水浸自动探伤。
要求声束焦点落在钢管水平轴线上，这时的焦距F为
（4）聚焦探头的曲率半径：
水浸聚焦探头分为线聚焦和点聚焦两种。
线聚焦探头探伤速度较快，点聚焦探头灵敏度较高。
此外，二
者对于同一缺陷回波幅度不同。
如图5.49所示，对于点聚焦探头，当缺陷长度大于焦点尺寸时，缺陷长度增加，其回波幅度不变，如图5.49中B线。
对于线聚焦探头，当缺陷长度增加时，其回波幅度随之增加。
当缺陷卡度超过焦线卡度时，回波才不再增加，如图5.49所示A线。
A、B线交点为线聚焦探头发现缺陷的临界卡度。
目前聚焦探头一般采用声透镜来实现聚焦，声透镜的曲率半径，为：
（5.20）
C1——声透镜中声速；
C2——水中声速；
（5）扫查速度u：
自动探伤管材时，探头的聚焦声束在管外壁上的扫查轨迹为螺旋线。
扫查速度u为：
u=n·
（5.21）
式中
n——探头与管子的相对转速；
t——螺旋线的螺距。
由上式可知，扫查速度与螺距及转速成正比。
但螺距受聚焦声束宽度和探伤标准关子相邻两次扫查覆盖率的限制。
转速对探伤稳定性有影响，转速太高，稳定性下降，一般转速控制
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