钢管焊缝超声波探伤探头角度及晶片尺寸的选择

钢管焊缝超声波探伤探头角度及晶片尺寸的选择薛 永 祥(宝鸡石油钢管厂科技处 721008)摘 要 论述了钢管焊缝超声波探伤探头角度及晶片尺寸的选择原则, 通过对影响超声波探伤因素的分析和理论计算, 提出了不同条件下探头的选用原则。主题词 焊管曲率焊缝超声波探伤探头角度晶片尺寸选择声程1引言众所周知, 对焊缝的超声波探伤大多采 用斜角横波探伤法。 这是为了克服探伤中的外在自然障碍 ( 如埋弧焊的焊缝加强高度及 高频焊的焊缝毛刺高度) 和更好地发现焊缝 中的缺陷而采取的探伤方法。因此, 该探伤方 法探头角度的选择 (即倾斜角度的大小) 对焊 缝中缺陷的发现以及对缺陷的定位定量都十分重要。 而探头角度的大小在平板焊缝探伤 中主要取决于被探测工件厚度的变化, 在钢 管焊缝探伤中, 除了与工件厚度有关外, 还与钢管的曲率 ( tD ) 有直接关系。横波探伤探头角度及晶片尺寸的选择主要遵循下列原则:(1) 折射声束基本上能扫查焊缝横断面;( 2) 以一、二次波探伤为好, 以便减少转 换声能损失;(3) 尽量避开在近场区 (N ) 内探伤。因为 在近场区内, 声束轴线上声压变化起伏较大,这 对缺陷的定位及定量极为不利 ( 见图 1) ,但声程也不能太远, 以避免由于材质衰减引 起的灵敏度降低。一般情况下, 探伤声程选择在 1N 5N 之间;( 4) 探头晶片尺寸的选择同样要考虑近 场区、指向性及钢管焊缝探伤接触面是曲面,2选择原则图 1 圆盘源轴线上的声压第 22 卷第 1 期薛永祥: 钢管焊缝超声波探伤探头角度及晶片尺寸的选择51体积不能太大的原则, 根据近场区计算公式和半扩散角 (指向性) 计算公式, 一般情况下,晶片尺寸 D 选用 14mm 或 1212mm ;(5) 钢管焊缝探伤, 折射声束不能从管壁 上表面直接射向上表面, 以避免漏检和不必 要的干扰。 而且以探测焊缝中缺陷为主要目的, 折射声束尽量与焊缝中的主要缺陷走向 即与焊缝上下表面近于成垂直分布走向 的缺陷成垂直状态, 以便获得较大的回波反射, 这就给探头角度的选择带来了严格的要求。探头 K 值 3. 75, 工件厚度大于 8mm 时, 其52焊管1999 年 1 月的缺陷) , 探头 K 值尽量选大些, 但仍要受到曲率的影响和限制。c) 为实现一次波探伤, 应有足够大的声 程, 以避开近场区, 当然探头 K 值也要选大些, 这从下面的计算中可得出结论。以 K 1. 5 探头为例, 探头晶片为 14mm ,钢中横波声速 C s = 3230m s, 探伤频率 f =的 探 头; tD = 0. 1331, 最 大 选 用 折 射 角 为45(K = 1) 的探头。( 3 : 包括半扩散角 , 即 = + 。在斜探头辐射的横波声场中, 在声束轴线与界 面法线所决定的入射平面内, 声束不对称于声束轴线, 声束的上半扩散角 上 大于声束下 半扩散角 下; 在通过声束轴线与入射平面垂直的平面内, 声束对称于轴线, 这时的半扩散2.5M H z, 有机玻璃的纵波声速 C 1 = 2730m 角 计算公式为 = a rc sin 1. 22 s盘源) , 这时的扩散角最小。)sD 70( 圆s, 入射点至实际声源的距离为 15mm , 求在钢中的近场区长度:tg = 1. 5, = 56. 3D根据折射定律公式: sin sin =CL C ssin = CL sin C s= 2730sin 56. 33230= 0. 7032= 44. 693230103C ss =f2. 5106 =1.29mm 近场区R s 2 co stg 长度 N=s co s - tg L 1图 3 钢管焊缝探伤探头角度的选择2 7 co s56. 3 - 15 tg 44. 69=1. 29co s44. 69tg56. 3从图 3 及上述计算中, 我们可以看出:a ) 同 样 厚 度 的 平 板 焊 缝 和 钢 管 焊 缝 探= 29. 64- 9. 89= 19. 75 (mm )如果用一次波探伤, 这时的声程W s1 为:伤, 计算出的探头 K值是不一样的。 探测钢管焊缝所选用的探头角度小于平板焊缝探头角度, 这显然是由于曲率 ( tD ) 的限制, 为了 保证折射声束到达钢管内壁, 折射角度不可能选得太大, 否则折射声束从钢管上表面仍 射 向钢管上表面 ( 因为钢管是圆的) , 很可能 造成漏检和不必要的干扰。一般情况下, 平板焊缝探伤工件厚度在 20mm 以下时, 探头 K值选在大于 2. 5 以上, 这在一些标准中也有 规定。而钢管焊缝探伤基本按上述原则选择,W s1 t W w = co sW w 为声程修正系 数, 由 于 钢 管 曲 率 的影响, 探测钢管的声程实际上比探测平板的 声程要长些。W w 与 tD 及所用的探头角度 有 关, 当 探 测 219mm 钢 管, 壁 厚 为 8mm , 用 K 1. 5 探头, 这时的W w 1. 16 ( 该修正系数 在一定的图表中可查到, 笔者已在另外的文 章中介绍过。)壁厚在 20mm 以下时, 探头 K为宜。值选在 2 3. 0t8W s1 =W w =1. 16co sco s56. 3b ) 上面计算钢管焊 缝 探 伤 的 公 式 实 际上还未考虑钢管焊缝的宽度, 为了保证探测 焊缝中的主要缺陷 ( 即与焊缝上下表面垂直= 16. 73 (mm )显然用 K 1. 5 探头进行一次波探伤, 它是 在近场区内工作的, 这显然是不准确的。第 22 卷第 1 期薛永祥: 钢管焊缝超声波探伤探头角度及晶片尺寸的选择53( 2) 探头角度的大小主要取决于被检测工件的厚度。 钢管焊缝探伤还与钢管的管径 以 及 管 壁 厚 与 管 径 的 比 值 tD ( 即 曲 率) 有关;( 3) 选择探头角度时应该考虑探伤灵敏 度、材质衰减、声束指向性、缺陷在焊缝中的 分布走向以及近场区干扰等因素的影响。 这 些因素在决定探头角度时其影响有时是矛盾 的, 但以探测缺陷为主要目的, 尽量避开在近 场区工作, 又不致使探伤灵敏度太低, 所以大多采用一、二次波探伤, 其声程范围在 1N5N 之间。 故而探伤角度在条件许可情况下,尽可能选大些;( 4) 根据理论计算和实践经验以及探伤 标 准 的 规 定, 平 板 焊 缝 探 伤, 板 厚 在 20mm再以 K 2 探头为例, 其它条件不变, 这时的近场区长度:tg = 2= 63. 43 同样根据折射定律公式:sin = C c sin C s2730 sin 63. 43=3230= 0. 756= 49. 112= R s co stg Ns co s - tgL 127 co s63. 43tg49. 11=- 151. 29co s49. 11tg63. 43 25. 95- 8. 6617. 3 (mm )此时一次波的声程为: (取W w = 1. 3)以下时, 探头 K值选择大于 2. 5; 钢管焊缝探tW s1 =W w伤由于受其曲率影响, 探头 K值选在 2. 0co s83. 0 之间为宜。 ERW 钢管焊缝的探伤, 其目的是检测高频焊缝区域的缺陷, 为了不使探 测缺陷与内毛刺相混, 更应按照文中所述的 选用原则和计算公式进行探头角度及晶片尺寸的选择。=1. 3co s63. 43= 23. 25 (mm )很显然, 用 K 2 探伤, 一次波的声程 ( 23.25mm ) 大 于 近 场 区 长 度 ( 17. 3mm ) , 这 时 的 探伤是准确可靠的。参 考 文 献4结语( 1) 焊缝超声波探伤大多采用斜角横波 探伤法。斜角横波探伤选择探头 K 值尤为重要。 因为探头角度的大小关系着对焊缝中的缺陷是否能检出, 以及对缺陷的定位、定量、 定性是否准确等问题;1,超声波探伤编写组编著: 超声波探伤, 水利电力出版社, 1985. 1。2, 全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核委员会编写: 超声波探伤, 劳动人事出版社, 1989. 7。(收稿日期: 19980624)(上接第 27 页)造中所有的积累误差均被消除, 定位精度得 到可靠保证。(4) 夹具上还要妥善安装一些挡铁屑板,防止铁屑进入运动部位。机械进给钢管自动平头倒棱机为我国中小焊管企业的平头倒棱精整工序技术改造提 供了一种结构新颖价廉物美的专用设备。 气 动自定心平头倒棱夹具结构简单、体积小、定 心精度高。 有条件、有兴趣的厂家可以一试。(收稿日期: 19971006)4结语