管材的超声波检测

综述：

管材包括焊接管（用板材与带材卷制焊接而成的有风管，如螺旋焊管、纵焊直缝管）和无缝管，以及连接管材的环焊缝构成的长管道。涉及焊缝的超声检测与前述的焊缝超声波检测方法基本相同，本章叙述的是管材本身，即母材的超声波检测，特别是无缝管的超声波检测。

无缝管一般从铸锭开始，经过开坯锻造、轧制、拉拔、挤压等多种工序（例如热轧、热拉、冷轧、热挤压等）制成，其缺陷除了铸锭上原有的各种冶金缺陷在成形过程中称为沿管材轴向延伸的周向分层状缺陷外，在制造过程中还会因加工操作工艺不当、轧辊或挤压型芯设计不当以及质量不好等多种原因，会在管材上造成内外壁裂纹、折叠、重皮（亦称翘皮）、划伤或拉上等缺陷。

这些缺陷的取向往往沿管材轴向延伸，特别是裂纹在管材横截面上呈径向扩展，成为最危险的缺陷（尤其是承压压管材）。

图4-6-1示出以上两类中最常见的缺陷示意图。

一般无缝管材的超声波检测采用周面弦向入射横波检测管材的纯横波检测见图4-6-2，在检测工艺上的考虑要点主要有：

1.超声波检测频率

在管材中激发的超声横波其波长应避免与管材壁厚相近，以免产生谐振干涉影响，特别是对于小直径薄壁管更应该注意选择适当的超声波检测频率。通常采用的检测频率范围为2.5~10MHz，管材壁厚越薄，采用的检测频率应该也越高。

2.入射角

为了保证在管壁中激发纯横波检测，而且折射横波的声轴线应能保证扫描到管材内壁，因此要求入射角大于第一临界角，并且有：sinβ≤（r/R）或（CS2/CL1）sinα≤（r/R），式中：CL1为斜楔（接触法）或水中（水浸法）的纵波声速；CS2为管材中的横波声速；r为管材内半径；R为管材外半径；另外设管材中的纵波声速为CL2，把上述两个条件综合考虑起来，即可得到管材横波检测时入射角的允许范围。

3.耦合方式

（1）接触法

这种方法主要用于大中直径的管材，使用的斜探头需要将斜楔平底面改磨成与管材曲面吻合的横向凹圆柱面。声轴线入射点应落在圆弧顶点并保证所需入射角的准确性以及声速的准直型。管材的表面光洁度至少应达到3.2μm（5）。如图4-6-3所示。

考虑到声束进入管壁内的传播过程中要经管材内外壁的多次反射，声束的发散程度较大，并且入射声束从曲面入射的一开始就由于压电晶片的切向尺寸影响而必然有发散产生，因此在检测过程中容易有干扰波产生，若能采用接触法聚焦横波斜探头则能获得较好的检测效果。此外还应该注意压电晶片切向尺寸与管材曲率的相关性，选择合适的晶片尺寸可以减少表面变型波的干扰。

接触法检测时多采用机油、压缩机油、锭子油、化学糨糊等黏度较大的耦合剂以便获得较好的检测效果。

（2）水浸法

管材的水浸法超声波探伤一般不会采用全侵入的水浸法探伤，而是采用局部水浸法，主要用于小直径，特别是小直径薄壁管材，通常使用水浸点聚焦或聚焦探头，通过调节偏心距来控制入射角度，如图4-6-4所示。

4.灵敏度调整

管材超声波检测时，通常指需要确定缺陷的轴向位置、长度（便于切除），对缺陷的大小评定则是以一定尺寸的人工反射体（常见为刻槽）回波为基准，超过此基准回波高度的缺陷即判为不合格。

用于调整超声波检测灵敏度的对比试块为与被检管材同曲率、同壁厚、同材料与铜冶金状态的实物试样，多是直接取自无缺陷的被检管材，在管子试样上用电火花切割设备或专用的机械刻槽设备在管子内外壁刻制纵向刻槽（通常呈U形或V形、矩形截面），其深度和宽度则按具体验收标准的规定，如图4-6-6所示。

在调整检测灵敏度时，首先通过调整适当的入射角（偏心距）和水距，使试样管上内外壁面的刻槽回波高度接近相等并达到一定的基准波高（这里特指小直径薄壁管）。对于壁厚较大的管材，则需要分别调整内外壁面的刻槽回波，构成距离—振幅曲线，并以这两个刻槽进行定标，从而在检测时可以判断缺陷在管材壁厚截面中的位置。

5.扫查

管材自动化超声波检测的扫查方式主要有：

（1）管材转动，探头轴向移动，构成螺旋线扫查，覆盖管子的全部截面，多采用局部水浸耦合方式；

（2）管材轴向移动，探头围绕管材旋转，同样构成螺旋线扫查，覆盖管子的全部截面，多采用喷水耦合，特别是多通道检测。

应当指出：在扫查过程中，除了要使扫查间距的大小能保证声束的覆盖外，还有一个很重要的问题是考虑到管材中缺陷取向变化的可能性（未必正好呈径向而可能偏斜一定角度），为此在检测时应要求沿两个相反方向对管材作两次扫描检查。