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钢管超声波自动探伤系统中组合探头的设计. 钢铁研究总院分析测试所 张克 岳东平 仝凯 2006. 10. 问题的提出. 目前国内无缝钢管的超声波自动探伤设备大多采用非接触式水浸探伤的方法。主要形式有三种： （1）探头周向高速旋转、钢管直线前进； （2）探头固定、钢管螺旋前进； （3）水槽式水浸法探伤。
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钢管超声波自动探伤系统中组合探头的设计 钢铁研究总院分析测试所 张克 岳东平 仝凯 2006. 10
问题的提出 目前国内无缝钢管的超声波自动探伤设备大多采用非接触式水浸探伤的方法。主要形式有三种： （1）探头周向高速旋转、钢管直线前进； （2）探头固定、钢管螺旋前进； （3）水槽式水浸法探伤。 前两种方式适合探测钢管外径≤φ159mm的钢管，而对于外径≥φ159mm的大口径钢管来说，若仍采用前两种方式的话，则需要配以庞大的主机结构和传送装置，技术难度及制造成本很高，由于受到技术、资金和制造加工等多种因素的制约，现在普遍采用第三种方式探伤。但水槽式探伤速度慢、效率低，仅适合于小批量的钢管探伤。
近几年国内对大口径钢管的需求量逐年上升，传统的水槽式超声波探伤方法已远不能适应这类钢管的检验。如何解决产量与检验的矛盾，探寻一种高效、快捷、检测灵敏度高、探测范围广的超声波检测方法，已提到议题日程上来。一年前我们着手该课题的研究工作。我们采用接触式水膜耦合的方法，借助于机械跟踪的方式保持探头声束入射角恒定及耦合可靠，通过组合探头的双向扫查、结合多通道探伤技术，大幅度地提高了检测灵敏度和检测效率。较好地解决大口径钢管如何实现自动化超声波探伤的难题。近几年国内对大口径钢管的需求量逐年上升，传统的水槽式超声波探伤方法已远不能适应这类钢管的检验。如何解决产量与检验的矛盾，探寻一种高效、快捷、检测灵敏度高、探测范围广的超声波检测方法，已提到议题日程上来。一年前我们着手该课题的研究工作。我们采用接触式水膜耦合的方法，借助于机械跟踪的方式保持探头声束入射角恒定及耦合可靠，通过组合探头的双向扫查、结合多通道探伤技术，大幅度地提高了检测灵敏度和检测效率。较好地解决大口径钢管如何实现自动化超声波探伤的难题。
理论依据 • 钢管超声波接触法探伤的原理是超声纵波倾斜入射到钢管表面时，将在探头斜楔块（一般为有机玻璃）和钢的界面上产生折射和波型转换，折射波与入射波方向关系符合几何光学的折射定律。给定入射纵波的入射角后可使折射纵波发生全反射，而在钢管中形成单一的折射横波。横波在管内沿周向呈锯齿状传播，（如图1所示），扫查探测钢管中的纵向缺陷。钢管中无缺陷时，不产生超声回波信号；当有缺陷时，仪器示波屏上将有缺陷回波显示，根据缺陷回波幅度的高低可判别缺陷当量的大小，最终依据探伤标准对缺陷做出评判。 图1 折射横波在管内传播示意图
1. 探头入射角的确定 选择适合的探头入射角αL是决定能否实现纯横波扫查并可靠探测内外壁缺陷的关键所在。满足上述要求的前提条件是：αⅠ≤αL≤αⅡ。其中αⅠ 为第一临界角，αⅡ为第二临界角。根据折射定律可推导出： （1） C1L―有机玻璃中的纵波声速，2730米/秒 C2L―钢中的纵波声速，5900米/秒 C2S―钢中的横波声速，3230米/秒 （2） αⅠ=27.6°，αⅡ=57.7° 可见用有机玻璃作为斜楔块材料的探头，入射角αL在27.6°- 57.7°范围内选择时，均可获得纯横波探伤。
声压往复透射率是衡量一个探头优劣的一个重要指标。实际探伤中超声波探头肩负着发射声波和接收声波的双重任务，声波经有机玻璃楔块通过耦合进入钢管内，遇到一个很大的缺陷后产生全反射，按原路径向探头往复透射，探头收到这个往复透射波的声压与入射波声压的比值即为声压往复透射率。在用脉冲回波法探伤中，我们感兴趣的这也正是声波越过有机玻璃/钢界面时的往返透射率的大小。图2为有机玻璃/钢界面上的往返透射率。声压往复透射率是衡量一个探头优劣的一个重要指标。实际探伤中超声波探头肩负着发射声波和接收声波的双重任务，声波经有机玻璃楔块通过耦合进入钢管内，遇到一个很大的缺陷后产生全反射，按原路径向探头往复透射，探头收到这个往复透射波的声压与入射波声压的比值即为声压往复透射率。在用脉冲回波法探伤中，我们感兴趣的这也正是声波越过有机玻璃/钢界面时的往返透射率的大小。图2为有机玻璃/钢界面上的往返透射率。
从图中可看出入射角αL在27.6°― 57.7°范围内变化时，虽然钢管内部只有折射横波，但折射横波声压的往复透射率TLS也随之变化，当横波折射角βS等于33.2°时，TLS为0，随着βS的逐渐变大，TLS迅速增长，当折射角βS等于38°时，TLS达到了接近30%的最高峰。此后TLS开始缓慢下降，直到为0。我们选取TLS为最大值时所对应的βS等于38°。 图2 有机玻璃/钢界面往返投射率
根据折射定律： 则 由此可见探头入射角αL为31°时，探头可获取最高的声压往返透射率。也就是说此时的探伤灵敏度为最高。
探头数目及螺距 接触法钢管探伤采用的是探头对管材作螺旋扫查的方式进行检测，钢管原地匀速旋转、探头紧贴在钢管外壁以与声束垂直的方向沿钢管轴线行进，在探头驱动装置的驱使下从钢管的一端扫查到另一端，完成对整支钢管的100%扫查，以检查钢管上的轴向缺陷。探头轴向的行走速度即为实际探伤速度。对于单探头而言，有如下关系： V=n×s（4） 其中： V―探伤速度 n―钢管的转速 s―螺距
由（4）式可知，螺距的大小直接影响探伤速度。另外螺距的选择还与探头晶片尺寸以及所要检测的缺陷长度密不可分。由（4）式可知，螺距的大小直接影响探伤速度。另外螺距的选择还与探头晶片尺寸以及所要检测的缺陷长度密不可分。 设 L0为标准缺陷长度； L 为实际缺陷长度； b为声束在轴线上的有效宽度。 GB/T5777-1996规定：对于冷加工高压锅炉管及其他不锈钢管这类产品，探伤级别为C5级，人工槽伤的长度为20～40mm。当采用单一探头时，其晶片尺寸定为12×12mm。则有L0＝20 mm，b＝12 mm，L0≥b。此时的最大螺距为： • Smax＝L0―b＝20―12＝8（mm） • 对于长度大于等于20mm的缺陷均能可靠地被检出。
为了提高探伤检测速度，我们采用组合式探头进行检测，将上述单一探头的三个晶片排成一列制作成一组探头。这样螺距可增大2倍，即Smax’=3×Smax= 24 mm。钢管旋转的速度通过变频器控制实现连续可调。这样，钢管的实际探伤速度可根据（4）式算出。
在保证对长度L≥20mm、当量为C5的缺陷进行有效检出的前提下，采用六通道探伤仪探伤，（每三个晶片组合成一组探头，两组探头轴向排列在一起进行双向探测），根据钢管外径的大小适当调节钢管旋转速度，可大幅度提高钢管的探伤速度。对于外径为Φ159～Φ426mm的钢管来说，探伤速度能达到1m/min以上，即使是外径为Φ1020mm的钢管的检测，其探伤速度仍可达到0.45m/min。在保证对长度L≥20mm、当量为C5的缺陷进行有效检出的前提下，采用六通道探伤仪探伤，（每三个晶片组合成一组探头，两组探头轴向排列在一起进行双向探测），根据钢管外径的大小适当调节钢管旋转速度，可大幅度提高钢管的探伤速度。对于外径为Φ159～Φ426mm的钢管来说，探伤速度能达到1m/min以上，即使是外径为Φ1020mm的钢管的检测，其探伤速度仍可达到0.45m/min。 • 探伤速度和检验能力是能够与目前国内冶金企业生产大口径钢管的检测需求相匹配的。
重复频率 重复频率是单位时间内仪器发射的脉冲次数。为了使超声波能对被探钢管周向100%覆盖扫查，重复频率应满足下式： （5） 其中：f―重复频率 R―钢管外半径 n―钢管的转速 b―探头声束有效宽度 k―系数 系数k也可称为相关报警数，应根据探伤现场环境而定，为了克服现场随机脉冲引起的干扰现象，可采用累计报警的方式—即多次缺陷脉冲叠加后的相关报警来消除误报，提高系统的抗干扰能力。
综合性能测试和实际探伤结果 根据YB/T4082-2000的规定，按照被探钢管规格范围的要求，分别选取上下限加工对比样管， 上限规格为Φ1020×70×1000（mm） 下限规格为Φ159×14×1200（mm） 按GB/T5777-1996 C5级刻伤。为了保证声耦合，组合探头的接触面根据被探钢管的外径加工成相同曲率的圆弧，装入探头架中。探头架具有跟踪随动功能，无论钢管在旋转过程中是否会受到椭圆度的影响而产生一定量的上下波动，保证探头声束入射角恒定不变。探头工作频率为2.5MHz。系统采用CTS-8006型六通道超声波探伤仪。两组探头的声入射方向互为相反，以实现对被测管材的双向探伤。系统综合性能测试结果如下：
上述性能指标说明该检测系统具有检测灵敏度高、抗干扰能力强、性能稳定的特点，完全满足设计要求和标准规定。从探伤使用效果看，该系统对裂纹、折叠、划道、翘皮、内部夹杂等缺陷反应灵敏，特别是对裂纹、折叠类缺陷具有极高的检出率。 结论 • 采用探头与管壁通过水膜耦合的直接接触法探伤是实现大口径的钢管自动化超声波探伤有效的方法。 • 斜楔块为有机玻璃、入射角为31°时，探头的探伤灵敏度高、噪声小，对裂纹、折叠等自然缺陷具有极高的检出率。 • 采用组合探头的方式可成倍地提高探伤检测速度。
