高频焊直缝管超声探伤的探头选择

本文通过几何作图的方法并从声学原理的角度讨论在对高频焊直缝钢管的焊缝进行超声横波探伤时，应该注意选择适当晶片尺寸的问题。指出在管直径较小时使用较大尺寸的晶片会在工件上产生表面波及其他波型的干扰，从而影响纯横波探伤时对焊缝缺陷的正确判断。给出了晶片尺寸与管半径的关系供选择探头时参考。本文对于其他同类型的管材横波探伤也有参考意义。 

主题词 无损检测 焊缝 超声检测 

1.问题的提出

笔者在为某大型钢管公司提供超声波探伤技术咨询服务时发现，该公司对高频焊接钢管直焊缝进行超声横波探伤时，探伤工人以为采用大探头可以加快探伤速度，于是使用晶片尺寸为13X13的2.5P-K1.5探头（探伤仪是汕头产CTS-23型），探伤对象是油田用的高频焊直缝钢管，规格有外径四英寸、五英寸、六英寸、八英寸、十英寸和十二英寸，壁厚从3.5毫米到10.31毫米。探伤验收标准按美国石油协会的API标准即3.0毫米直径的径向通孔（柱孔），探伤耦合剂为机油或浆糊。 

在这样的探伤条件下，探伤过程中经常有回波信号出现并且被判断为缺陷信号。实际上通过触摸法和声程位置判断以及解剖证实均不是焊缝缺陷回波，结果造成的误判率曾高达到90%。造成这样高的误判率除了探伤工人本身操作技术问题和判伤经验不足以外，分析起来其使用的探头晶片选择不当也是一个重要的原因。为此,笔者进行了理论上的分析计算和探讨如下。 

2.晶片尺寸大小与在管材上激发纯超声横波的关系

如后面附图所示，通过简单的几何作图可以推导出斜探头晶片的切向尺寸D与钢管外半径R以及晶片上下边缘声线在钢管曲面上入射角的关系有： 

α' = arcsin[sinα+(D/2R)] 

α''= arcsin[sinα-(D/2R)] 

式中：α' 为晶片上边缘声线在管材表面上的入射角；α''为晶片下边缘声线在管材表面上的入射角；α 为晶片声轴线在管材表面上的入射角；R 为管材外半径

从图中可以明显看到α'＞α＞α''，根据所采用的管材直径和探头型式有以下计算结果，见表1至表4。 

表1 2.5P13x13K2探头（声轴线入射角α= 49.7°） 

钢管外径 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%) 

注：表中括号内的数字表示与声轴线入射角相差的百分数，以下均同。 

表2 2.5P8x10K2探头（声轴线入射角α=49.7°） 

钢管外径 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%) 

表3 2.5P13x13K1.5探头（声轴线入射角α=45.2°） 

钢管外径 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%) 

表4 2.5P8x10K1.5探头（声轴线入射角α=45.2°） 

钢管外径 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%) 

注：探头斜楔材料按有机玻璃纵波速度2730米/秒；钢中横波速度按3200米/秒，钢中纵波速度按5900米/秒。 

讨论： 

从计算结果可以发现，晶片直径（或切向边长）相对钢管直径为较大的时候，其上边缘声线入射角已经接近或超出其二临界角（对于有机玻璃-钢界面，其二临界角为58°左右）从而会激发出表面波造成干扰，钢管的曲率越大和晶片直径越大则激发表面波的机会越大，这是其一。此外，从近声场特性来看，晶片直径越大，相对于一定的频率和材料其近场长度也越大，众所周知，脉冲超声波束在近场内呈收敛状态至N点后再发散，因此对于一般斜探头斜楔中声轴线声程为10-15毫米的情况下，2.5P13X13斜探头在有机玻璃斜楔中的近场长度约有38.41毫米而2.5P8X10斜探头在有机玻璃斜楔中的近场长度则只有约14.55毫米，显然后者上下边缘声线的收敛程度大于前者，因而其上下边缘声线入射角将会更接近声轴线的入射角，亦即有利于声束的集聚，这是其二。第三个可能造成干扰的因素是在对壁厚仅有3.5毫米的钢管探伤时，若晶片直径相对于壁厚较大，则有可能会因为粗大的波束在钢管薄壁中反射形成叠加干涉而激发出某种模式的兰姆波造成干扰。 

因此，在综合考虑探伤灵敏度和探伤速度的情况下，适当选择切向边长较小而轴向尺寸较大（即较宽）的晶片应该是有利的。 

3.实际探伤验证

考虑到探伤对象是壁厚与外径之比在0.02-0.05范围的薄壁管，采用K2探头较有利于发现常见的径向取向的焊缝缺陷，故选择声束相对扁宽且能保证发射功率以保证探伤灵敏度的2.5P8X10K2探头进行探伤。 

通过对原来探伤判定不合格的数百吨钢管改用2.5P8X10K2探头进行全部复验，确认约90%的钢管并非存在不合格缺陷而不该判废，从而避免了重大的浪费。采用改进后的探伤工艺在以后的探伤中也大大降低了虚假缺陷回波信号的出现几率，大幅度提高了探伤的可靠性，显著降低了探伤的误判率。 

4.结论

综上所述，笔者认为在钢管超声横波探伤中，应当注意探头晶片尺寸与钢管曲率的关系，特别是曲率较大的钢管应当采用切向尺寸较小的晶片。在综合考虑探伤灵敏度和探伤速度与效率的需要情况下，适当选择切向边长较小而轴向尺寸较大（即较宽）的晶片有利于减少干扰回波信号的产生。