高頻焊直縫管超聲探傷的探頭選擇

高頻焊直縫管超聲探傷的探頭選擇
夏紀(jì)真
摘要
本文通過(guò)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(wèn)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(lèi)型的管材橫波探傷也有參考意義。
主題詞 無(wú)損檢測(cè) 焊縫 超聲檢測(cè)
The selection of UT probe for high-frequency welded tube
Jizhen Xia
Abstract
The article is discussed the problem that selection of the crystal size in the ultrasonic probe for ultrasonic-shear-wave testing to the high-frequency welds of stell tube by the method of geometrical construction and from the acoustic principle.It is indicated that the bigger crystal size will generate surface-wave and other wave-mode to interference on the workpiece when the tube diameter is smaller,so that influence the correct identification for the weld's defects during the pure shear-wave testing.
1.問(wèn)題的提出
筆者在為某大型鋼管公司提供超聲波探傷技術(shù)咨詢(xún)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（探傷儀是汕頭產(chǎn)CTS-23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(guò)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(guò)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(wèn)題和判傷經(jīng)驗(yàn)不足以外，分析起來(lái)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(guò)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(xiàn)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(xiàn)在管材表面上的入射角；α''為晶片下邊緣聲線(xiàn)在管材表面上的入射角；α 為晶片聲軸線(xiàn)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(jiàn)表1*表4。
表1 2.5P13x13K2探頭（聲軸線(xiàn)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%)
注：表中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示與聲軸線(xiàn)入射角相差的百分?jǐn)?shù)，以下均同。
表2 2.5P8x10K2探頭（聲軸線(xiàn)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%)
表3 2.5P13x13K1.5探頭（聲軸線(xiàn)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%)
表4 2.5P8x10K1.5探頭（聲軸線(xiàn)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%)
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(xiàn)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(lái)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)*N點(diǎn)后再發(fā)散，因此對(duì)于一般斜探頭斜楔中聲軸線(xiàn)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(xiàn)的收斂程度大于前者，因而其上下邊緣聲線(xiàn)入射角將會(huì)更接近聲軸線(xiàn)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*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(jiàn)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(guò)對(duì)原來(lái)探傷判定不合格的數(shù)百?lài)嶄摴芨挠?.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，*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