南通安豐儀器有限公司專業(yè)生產(chǎn)超聲波探傷儀，自動化在線探傷系統(tǒng)，以及提供相應(yīng)的超聲波探傷技術(shù)咨詢及配套服務(wù)，今天我們就來講一個(gè)超聲波探傷過程中出現(xiàn)的問題，這個(gè)問題是：超聲波探傷中高頻焊直縫管超聲探傷的探頭選擇對探傷的影響。

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（探傷儀是汕頭產(chǎn)CTS-23型），探傷對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)按美國石油協(xié)會的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)常有回波信號出現(xiàn)并且被判斷為缺陷信號。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)果造成的誤判率最高曾達(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。

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°）

討論：

從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，晶片直徑（或切向邊長）相對鋼管直徑為較大的時(shí)候，其上邊緣聲線入射角已經(jīng)接近或超出第二臨界角（對于有機(jī)玻璃-鋼界面，其第二臨界角為58°左右）從而會激發(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)會越大，這是其一。此外，從近聲場特性來看，晶片直徑越大，相對于一定的頻率和材料其近場長度也越大，眾所周知，脈沖超聲波束在近場內(nèi)呈收斂狀態(tài)至N點(diǎn)后再發(fā)散，因此對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)玻璃斜楔中的近場長度約有38.41毫米而2.5P8X10斜探頭在有機(jī)玻璃斜楔中的近場長度則只有約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壁厚僅有3.5毫米的鋼管探傷時(shí)，若晶片直徑相對于壁厚較大，則有可能會因?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)選擇切向邊長較小而軸向尺寸較大（即較寬）的晶片應(yīng)該是有利的。

實(shí)際探傷驗(yàn)證

考慮到探傷對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)最常見的徑向取向的焊縫缺陷，故選擇聲束相對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。

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的產(chǎn)生。