超声波探伤时磁场对超声波信号的影响

蒋桂通，王 猛，闫留青，路正道，常英魁

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

为解决导管架和组块结构焊缝超声波检验过程中遇到的众多不便，比如：钢桩和导管环焊缝探伤时需要频繁转管，焊缝处于狭窄、高处、弦外空间时，探头很难或无法接触到焊缝扫查面而增加检验难度的问题。设计一种用于焊缝探伤的超声波探头夹持工具，此探头夹持工具主要由手柄、伸缩杆、旋转轴、磁性探头套组成。将探头固定在磁性探头套内，磁性探头套可将探头与工件表面吸附，在不用手按压的情况下使探头与工件保持良好接触和耦合，磁性探头套与伸缩杆通过两个旋转轴连接，调节旋转轴可使探头上下左右旋转，可使探头各个方向扫查，根据需求调整伸缩杆长度，伸缩杆与磁性探头套可自由拆装，既可达到帮助手臂伸长的目的，又可达到解放手的情况下探头依然稳定吸附在工件表面的目的。在实现功能的同时，磁场是否会对超声波信号产生影响，影响的程度是否进而影响到探伤结果成了关键问题。因此，有必要进行磁场对超声波信号影响的试验研究。

1 磁场的种类选择

磁场主要分为动磁场和恒磁场，动磁场主要由交电流、脉冲电流、脉动直流电产生。恒磁场主要由永磁体产生，或者通以直流电的电磁场也能产生恒磁场。

在设计磁性探头套时，由于探头内部的构造中含有电缆线、压电晶片等部件，可能受到磁场的影响，如果探头套采用动磁场，交流电、脉冲电流或脉动直流电本身会影响超声波信号，其产生的动磁场可能对探头的影响相对复杂，因此探头套采用永磁体制作，产生的磁场是静磁场[1]。这种磁场对探头的影响会相对小些或者无影响，并且永磁体结构简单容易实现。

2 器材选择

器材选择如下：（1）设备选USM35 超声波探伤仪；（2）试块选IIW 试块；（3）永磁体4 块，其中2块S 极，2 块N 极；（4）探头2 组，第1 组是GE 的B5F 5Z20N直探头和SIUI的5Z20N直探头，第2组是GE 的 MWB 70-4 4MHz 8X9 斜探头、SIUI 5Z10X10A70 斜探头和多普勒的A5P10X10A70 斜探头[2]。

3 试验方案

4块永磁体的磁力大小和磁极并非完全一样，因此对永磁体进行编号：分别为A、B、C和D，磁力依次从小到大。A、B 同为S 极，相斥；C、D 同为N极，相斥；A与C相吸，B与D相吸。

将直探头放置在IIW试块25 mm面上，调整底波至深度显示25 mm，波幅高度为满屏的50%，记录此时增益dB 值。用1 个永磁体、2 个相斥的同极永磁体、2个相吸的异极永磁体贴近探头，测试磁场对超声波信号的影响。将斜探头放置在IIW试块25 mm面上，调整底面端角反射波深度显示25 mm，波幅高度为满屏的50%，记录此时增益dB 值。用1 个永磁体、2 个相斥的同极永磁体、2 个相吸的异极永磁体贴近探头，测试磁场对超声波信号的影响。

4 试验实施

4.1 对直探头进行试验

（1）对GE 的B5F 5Z20N 直探头进行测试，将探头置于IIW25mm 面上，校准仪器，将底波高度调整到满屏的50%，固定探头，加永磁体观察显示屏上的深度读数和波幅变化，先在上侧加1个永磁体，再在侧面加1个永磁体，最后在两侧加2个永磁体。不加磁体时，将底波高度调整到满屏的50%，仪器显示的dB 值为17.0 dB，加磁体后依然保持17.0 dB 的增益下，峰值高度满屏的50%不变。

（2）对SIUI 的5Z20N 直探头也进行同样的测试，不加磁体时，将底波高度调整到满屏的50%，仪器显示的dB 值为20.0 dB，加磁体后依然保持20.0 dB的增益下，峰值高度满屏的50%不变。

（3）两个直探头的测试结果如表1所示，从表中可以总结出，使用直探头测试板厚或者板材中是否存在夹层时，磁场对直探头产生的超声波信号高度没有影响[3]。由于Sa声程没有随着施加磁场的变化而变化，说明磁场对直探头产生的超声波声速也没有影响[4]。

表1 直探头测试结果

4.2 对斜探头进行试验

（1）对GE的MWB 70-4 4MHz 8X9斜探头进行测试，将探头置于IIW25 mm面上，校准仪器，将底面端角反射波高度调整到满屏的50%，固定探头，此时，增益为59 dB，峰值高度50%。

（2）在前面加一个磁体，波幅高度无变化，如图1所示。

图1 GE斜探头前面加1个磁体测试

（3）在上侧加一个磁体，波幅高度也无变化。

（4）但在侧面加一个磁体后，峰值高度发生了变化，显示波幅降低了10dB，也就是说磁场对超声波信号高度产生了影响，此时使用的是磁场强度最小的磁体A，接下来使用磁体B、C、D进行测试。发现波幅降低分别为15 dB、17.2 dB、18.6dB，也就是说，磁场越大波幅降低的越明显，如图2所示。

图2 GE斜探头侧面加1个磁体测试

（5）当在侧面加两个异极相吸磁体后，波幅高度发生了明显变低，显示高度不足满屏的5%，说明波幅降低了超过20 db，如图3所示。

图3 GE斜探头两侧加异极相吸磁体测试

图4 GE斜探头两侧加同极相斥磁体测试

表2 斜探头测试结果

（6）当在侧面加两个同极相斥磁体后，波幅高度也发生了变化，但不是降低，而是增高，显示波幅高度增加了3.2 dB，如图4所示。

（7）以同样的步骤测试SIUI 5Z10X10A70斜探头和多普勒的A5P10X10A70 斜探头，发现多普勒的A5P10X10A70斜探头效果和GE的斜探头一致，而汕头超声的斜探头在各个方向施加磁体后波幅没有任何变化，测试结果如表2所示。

4.3 试验小结

在直探头方面，无论磁体放在什么位置，都不会对探头产生的超声波信号产生影响[5]。

在斜探头方面，磁场对SIUI 的斜探头产生的超声波信号幅度和声速都没有影响。

无论是哪种探头，磁场对超声波信号的声速没有影响[6]。

磁场对GE的斜探头和多普勒的斜探头产生的超声波信号幅度有一定的影响，当磁体放在探头前侧和上侧时没有影响；当磁体放在探头侧面时影响明显，且随着磁场的强度加大而影响程度增大，两侧相吸的磁场使波幅降低最严重，两侧相斥的磁场反而使波幅有所增高。

5 结束语

对声速的影响决定了对缺陷定位影响，对波幅高度的影响决定了对缺陷大小的评定[7]。在对特殊空间的焊口进行超声波检验使用磁性探头套时，直探头和SIUI 的斜探头产生的超声波信号不受磁场影响，可以直接使用磁性探头套。GE 的斜探头和多普勒的斜探头产生的超声波信号受磁场会影响到波幅高度，但不影响声速，也可以使用磁性探头套，使用时先测试一下使用前后的波幅差值，将差值考虑进去再对缺陷进行定量也是可取的[8]。最通用的方法就是，不用考虑哪个型号的探头，只要校准时使用了磁性探头套，现场检验焊缝时依然使用磁性探头套则不需要考虑磁场的影响。