钢管轴向超声横波检测方法

王计宝

（辽宁省安全科学研究院，沈阳 110000）

超声横波检测方法一般分为曲线法与幅值法，曲线法常用来检测焊缝，幅值法常用来检测原材料自身缺陷。

超声幅值法检测之前，必须先进行超声波探伤仪的扫描基线校准、横波斜探头K值测试、确定检测范围与检测灵敏度等准备工作。而扫描基线校准与探头K值测试需要在规定的标准试块上进行。由于超声检测教材与相应超声检测标准对钢管横向缺陷检测都没有规定所用的标准校准试块，因此笔者利用等效校准试块的原理探讨使用SGB、DL、GS等系列校准试块，完成不同直径钢管横向缺陷检测时扫描基线校准与横波斜探头K值测试的可行性［1－4］。

1 钢管横向缺陷检测时关注的问题

1.1 扫描基线校准

图1网格区域下方带有刻度的水平线段称作超声波探伤仪的扫描基线，扫描基线的作用相当于尺，检测时依据缺陷反射回波在扫描基线上出现的位置判定缺陷在被检工件中的位置。

图1 超声波探伤仪扫描基线示意

如图2所示，检测时超声波是由探头斜楔中压电晶体发出，并在斜楔中走过距离a，经由入射点进入被检工件，相同型号或不同型号的超声探头a值不同。对一位置固定的缺陷，扫描基线校准前由于a值不确定，也无法通过反射回波在扫描基线上出现的位置准确地反映出缺陷的真实位置，因此，超声检测前必须先进行扫描基线校准。扫描基线校准的过程，就是借助校准试块上已知尺寸规则反射体的反射回波确定超声波的入射点，将入射点与图1所示扫描基线的0点重合，在扫描基线上去除a值的不确定对反射回波准确定位的影响。

图2 横波探头斜楔示意

1.2 K 值测试

如图3所示，假设φ1通孔为一固定位置的缺陷，如果超声波折射角度βs确定，则图3中的S是定值，S的具体数值可在扫描基线上读出；缺陷的实际埋藏深度H＝cosβs（S＋0.5）。因此，超声检测除要求扫描基线必须具备尺的精度，还要求必须掌握βs的准确值。由于超声检测的历史原因，将βs的正切值定义为超声横波探头的K值，即tgβs＝K。

图3 K 值测试示意

超声探头均是手工制作，其K值具有一定的误差，相关超声检测标准将这一误差范围规定为K±0.1。由于K值直接关系到缺陷定位的准确性，故其具体数值必须在检测开始之前，利用校准试块测试得出。

1.3 校准试块的选择

扫描基线校准，探头K值测试必须在校准试块上完成，因此选用的校准试块必须具备扫描基线校准与探头K值测试的功能。对于钢管的轴向超声横波检测，由于钢管的直径范围较大，因此必须考虑超声探头与被检钢管的良好接触问题。一般规定，钢管外径不大于600mm 时，选用探头的轴向曲率半径必须与选用校准试块的轴向曲率半径相同或相近；钢管外径大于600mm 时，选用探头的底面与选用的校准试块可以是平面，因此应重点考虑钢管外径不大于600mm 时校准试块曲率半径的选用。

等效试块是指：能代替标准试块完成对仪器与探头系统性能校准，能代替对比试块完成检测灵敏度校准的试块。

1.3.1 SGB系列校准试块的选择

依据等效试块的原理，选择SGB系列试块做为钢管轴向超声横波检测的校准试块，SGB 系列试块一套共计六块，各试块曲率半径及适合钢管的外径范围见表1。试块的结构示意如图4所示。

表1 SGB系列试块适用范围 mm

图4 SGB系列校准试块结构示意

由表1可知，SGB－5号试块曲率半径适用管外径范围为φ360～φ600mm，满足钢管曲率半径上限要求。SGB－1 号校准试块最小适合管外径为φ57mm，满足不了管外径小于57mm 的钢管轴向超声横波检测扫描基线校准与K值测试的需要。

1.3.2 DL系列校准试块的选择

表2 中第3 号试块最大适合管外径范围为φ48～φ60mm，SGB－1号试块适合管外径范围为φ57～φ89 mm，形成了管外径的交叉覆盖，管外径范围φ32～φ600mm的钢管轴向超声横波检测都有校准试块，可以完成扫描基线校准与探头K值测试。试块的结构示意如图5所示。

表2 DL－1系列试块适用范围表 mm

图5 DL－1系列校准试块示意

2 SGB、DL系列试块的使用

2.1 双弧法扫描基线校准

参考图4与图5，具备双弧法（用校准试块两个圆弧反射回波实现扫描基线校准的方法）扫描基线校准的数字式超声波探伤仪，可用SGB系列试块的R50与R25圆弧，或使用DL 试块的R50与R30圆弧的反射回波完成扫描基线校准。

2.2 单弧法扫描基线校准

具备单弧法（用校准试块上一个圆弧反射回波实现扫描基线校准的方法）扫描基线校准的数字式超声波探伤仪，可用SGB 系列试块的R50 或R25圆弧，或使用DL试块的R50或R30圆弧的反射回波完成扫描基线校准。

2.3 K 值测试

参考图3，两种校准形式的数字式超声波探伤仪，可依据不同K值的探头选用SGB或DL系列校准试块上不同深度，不同直径的横通孔进行K值测试，其数学表达式如下：

式中：H为测试孔的圆心距离测试面的深度；φ为测试孔的直径；S值可由仪器得出。

2.4 双孔法扫描基线校准与探头K 值及前沿测试

图6所示GS系列校准试块与SGB、DL系列校准试块几何形状不同，缺少用来扫描基线校准的不同半径1／4圆弧，不适合双弧或单弧法扫描基线校准功能的数字式超声波探伤仪。具备双孔法扫描基线校准功能的CBC－100型数字式超声波探伤仪可参考图6，借助SGB、DL等系列校准试块上任意不同深度两个横通孔反射回波达到最高点时获得的L1与L2值，利用下列计算结果一次完成扫描基线校准，探头K值与前沿测试。此方法定义为双孔法。

图6 双孔法扫描基线校准与探头K 值及前沿测试示意

前置声程

式中：τ1与τ2为一次声程分别发现h1与h2孔时的声程（包含a），可在扫描基线上获得。

仪器利用上述计算公式一次完成扫描基线校准与探头K值及前沿b的自动测试。

3 基准灵敏度确定

上述不同校准方法的探伤仪扫描基线校准时，可在探头K值测试结束后使用相关检测标准指定的人工V 型槽灵敏度校准试块确定基准检测灵敏度。

4 结语

SGB系列等效校准试块与DL系列等效校准试块组合，解决了管外径由φ32～φ600mm 或φ36～φ600mm 的钢管轴向超声横波检测时超声探头轴向曲率与校准试块轴向曲率的匹配问题；也同时解决了扫描基线校准方法不同的各类型数字式超声波探伤仪的扫描基线校准与探头K值测试的问题。

通过等效试块的使用，完善了钢管轴向超声横波检测方法，扫描基线校准，探头K值测试，检测灵敏度确定的全过程，满足了超声波检测的基本要求，弥补了超声检测教材与标准的欠缺。

轴类锻件，筒形锻件及棒材超声轴向横波检测都存在与之相同的问题，可借鉴上述方法予以解决。

［1］JB／T 4730.3－2005 承压设备无损检测 第3部分 超声检测［S］.

［2］DL／T 820－2002 管道焊接接头超声波检验技术规程［S］.

［3］SY／T 4109－2013 石油天然气钢质管道无损检测［S］.

［4］中国特种设备检验协会.超声检测［M］.北京：中国劳动社会保障出版社，2009.