变型横波反射法在超厚壁钢管检测中的应用

刘国海 张景旭

摘  要：现阶段，各行业对无缝钢管的质量要求越来越高，大量研究已经证实超声波无损检测技术是一种有效的检测方法。目前，有关变型横波反射法的无损检测研究成为热点，文章主要介绍了变型横波反射法的原理和在超厚壁钢管无损探伤中的应用，具有准确率高、实用性强、应用方便等优点。

关键词：超声波;无损探伤;超厚壁钢管

引言

在超声波探伤的基本方法中，按声耦合方式来分类，可分为接触法和水浸法两大类。对于无缝钢管管壁的超声波探伤，目前运用最为广泛的方法是水浸法，它是将探头发射的超声波经过一定厚度的水层后再进入工件的探伤方式。在水浸法中，对于不同壁厚的探伤方式主要有两种，一种为横波反射法，一种为变型横波反射法。在进行超声波检测时，面对钢管壁径比t/D大于0.2的超厚壁钢管，常用的横波反射法已经不能完整地探查到钢管内壁上的缺陷。为实现对钢管进行完整的探伤，必须保证折射横波与钢管内壁相切，所以就需要使用变型横波反射法进行探伤。

1 变型横波反射法的检测原理

当t/D>0.2时，横波反射法已经无法探测到钢管内壁的缺陷，应采用特殊方法进行探伤，因此，变型横波反射法得到了应用。其中，变型横波反射法与横波反射法的入射角就有所不同，前者的入射角要小于第一临界角α1，这样就可以保证，钢管中的横波和纵波同时存在，然后利用折射纵波在钢管外壁上产生的反射横波，进行超厚壁钢管内壁缺陷的检测。

为了获得较大折射纵波分量，角度选择小于第一临界角，这样折射纵波既能透射到管材一个壁面，又能分离出较强的反射横波投射到管材的内表面，如图1。

为了保证变型横波能探测到钢管内壁，这个角度也有它的最大值上限，根据数学推导可得

由公式（1）可以看出，探头入射角的最大值，跟钢管的内外径尺寸比有直接关系。如表1，列出了几种常见规格所允许的最大入射角[1]。这样，就可以根据不同超厚壁钢管的尺寸来选取相应的探头，检测其内部缺陷，满足生产的需要。

2 实际应用

2.1 标准样管设计

根据现行的相关标准和技术要求，采用规格为φ121mm×36mm的超厚壁钢管，截取一段，在钢管内外壁上进行人工刻伤，加工成具有横孔和矩形槽的两种标准反射体，其中横孔可制作成φ2mm深25mm的规格，矩形槽可按标准GB/T 5777-2008制作成40mm×1mm×1.5mm的矩形槽。在进行无损检测时，需要有标准人工参照反射物来检查探测仪的灵敏度，以保证检测的准确性。

2.2 探伤频率的选择

根据GB/T 5777-2008标准要求[2]，探伤仪使用的探头频率可以在1-15MHz之间选择。同时，根据钢管本身的结构采用适当的频率探伤，查阅资料可以发现，晶粒较粗的钢管可以采用低频进行探伤，反之则需要用高频。通过生产经验可知，对于该规格超厚壁钢管，可采用频率为2.5MHz的探头进行探伤。

2.3 检测方法

在对超厚壁钢管式样检测之前，先将钢管探头探测处的油漆及氧化膜去掉，以保证探头和钢管之间良好的接触。当变型横波遇到钢管内外部缺陷时，会产生强烈的反射信号，在其所显示的波形中，外伤显示的波形相对于内伤显示的波形更靠近始脉冲，因此操作人员在工作中，可以根据缺陷波在时基线上的位置，很容易正确地判断出来内外壁的缺陷。但是，在实际应用中，由于超厚壁钢管的本身厚度原因，会导致锯齿形传播的超声波由于跨距增大而加大衰减量，从而再导致锯齿漏点面在钢管圆周面上出现的问题。因此，为了保证探伤仪对钢管圆周的110%的檢测，才能对钢管进行批量的精确检测，所以需要增大探头沿钢管圆周方向的移动范围。根据生产经验，可将钢管分为三个圆周面，每次检测钢管的三分之一圆周，且每次检测应有10%的覆盖面，从而保证全部缺陷均被检测出来。

2.4 实测结果

实际检测时选取三十根φ121mm×36mm的超厚壁钢管进行检测，在入射角的最大允许范围内，根据相关技术规范要求，测试三十根超厚壁钢管时，发现有缺陷的超厚壁钢管认定为不合格，并将缺陷钢管进行解剖验证缺陷确实存在。实验证明，该方法检测超厚壁钢管内部缺陷比常规方法所检测的结果真实可靠，同时具有准确率高、实用性强、应用方便等优点。

3 结束语

超厚壁钢管壁径比大，常用的横波反射法不能完整的检测到钢管内壁上的缺陷，所以变型横波反射法得到了应用，它通过调整探头不同的入射角，使之配合不同的超厚壁钢管规格，再增大探头沿钢管圆周方向上的移动范围，避免漏测点面的出现。根据生产经验可知，变型横波反射法具有实用性强，准确率高和应用方便等优点。但是，目前这种检测方法还存在缺陷，对于缺陷的成像还不能直观显示出来，使它的发展有一定的局限性，因此未来可以向信号成像、处理等方面发展，使该技术慢慢成熟起来。

参考文献

[1]赵仁顺.超厚壁钢管内壁缺陷的超声波探伤方法研究[J].检测技术，2010，39（3）：55-59.

[2]中国钢铁工业协会.GB/T 5777-2008.无缝钢管超声波探伤检验方法[S].北京：中国标准出版社，2008.