厚壁筒形件內(nèi)表面徑向缺陷超聲波檢測(cè)靈敏度試驗(yàn)

郭偉燦，鄭津洋，劉仲?gòu)?qiáng)，施建峰

（1.浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，杭州 310027；2.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州 310020）

對(duì)厚壁筒形件進(jìn)行周向超聲波檢測(cè)時(shí)，超聲波對(duì)內(nèi)表面裂紋的檢測(cè)靈敏度受到多種因素的影響。如果缺陷自身高度遠(yuǎn)小于曲率半徑，則缺陷與內(nèi)外表面形成的夾角可近似為直角，表面裂紋和內(nèi)表面形成小端角，超聲波以一定角度入射至小端角形成部分端角反射。對(duì)于厚壁筒形件，其內(nèi)外徑比值較小，采用的純橫波技術(shù)通常使聲束軸線與內(nèi)表面缺陷的夾角接近于90°，理論上端角反射率很高，但實(shí)際上由于入射波、反射波在邊界上互相干涉導(dǎo)致超聲波對(duì)內(nèi)表面裂紋檢測(cè)靈敏度降低，這也是厚壁筒形鍛件周向超聲檢測(cè)主要技術(shù)難點(diǎn)之一。筆者針對(duì)厚壁筒形件內(nèi)表面裂紋周向超聲檢測(cè)的主要技術(shù)難點(diǎn)，系統(tǒng)地分析了純橫波技術(shù)、雙重波型檢測(cè)法、小角度縱波切內(nèi)壁法、變型橫波端角反射法、變型橫波切內(nèi)壁法等方法的技術(shù)特點(diǎn)。通過(guò)理論分析提出上述方法的內(nèi)表面徑向缺陷回波高度公式。加工了含有人工表面缺陷的對(duì)比試塊，對(duì)上述方法進(jìn)行超聲檢測(cè)的靈敏度比較試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與探討。

1 方法概述

厚壁筒形件內(nèi)表面裂紋的周向超聲檢測(cè)方法主要有純橫波技術(shù)、雙重波型檢測(cè)法、小角度縱波切內(nèi)壁法、變型橫波端角反射法和變型橫波切內(nèi)壁法。

1.1 全橫波檢測(cè)技術(shù)

全橫波檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)單示意圖見(jiàn)圖1。為確保實(shí)施全橫波檢測(cè)及一次橫波能掃查到筒體內(nèi)壁，橫波折射角βS應(yīng)滿足公式（1）的限制［1－2］：

式中cS2為鋼中橫波聲速；cL2為鋼中縱波聲速。

1.2 雙重波型檢測(cè)法

雙重波型檢測(cè)法（小折射角橫波檢測(cè)內(nèi)壁缺陷）方法采用縱波入射角小于第一臨界角的雙重波型探頭，如圖2，用小角度橫波探測(cè)內(nèi)表面，而筒體中上部采用縱波檢測(cè)。根據(jù)工件規(guī)格和聲壓往復(fù)透射率等因素選擇合適的折射角。

1.3 小角度縱波切內(nèi)壁法

小角度縱波切內(nèi)壁法主要利用折射的縱波與內(nèi)壁相切來(lái)檢測(cè)內(nèi)壁徑向裂紋，選擇的入射角應(yīng)使得折射的縱波軸線與內(nèi)壁相切，檢測(cè)原理如圖3，其入射角可由公式（2）選取。

式中cL1為有機(jī)玻璃中縱波聲速，m／s。

1.4 變型橫波端角反射法

變型橫波端角反射法利用橫波的端角反射和外壁對(duì)聲束的匯聚作用，通過(guò)探頭楔塊將入射的縱波轉(zhuǎn)換成具有較高能量的折射縱波。此縱波在筒形件中傳播至外壁產(chǎn)生反射和波型轉(zhuǎn)換，得到具有較高能量的橫波，以45°左右對(duì)內(nèi)壁裂紋入射，裂紋與管內(nèi)壁表面形成的端角將該聲波反射，并沿原路返回，從而達(dá)到檢測(cè)缺陷的目的（圖4）［3］。在圖4中，其入射角αL由以下公式導(dǎo)出：

圖5 變型橫波切內(nèi)壁法

1.5 變型橫波切內(nèi)壁法

變型橫波切內(nèi)壁法與變型橫波端角反射法的區(qū)別在于變型橫波切內(nèi)壁法的變型橫波與管子內(nèi)壁相切，其檢測(cè)原理如圖5所示［4］。根據(jù)筒形件的r／R值，可以求出縱波入射角αL為：

2 理論分析

筆者采用線切割槽模擬表面裂紋，超聲波對(duì)表面線切割槽的反射類似于端角反射。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，當(dāng)人工槽深度t遠(yuǎn)小于聲束截面尺寸時(shí)，根據(jù)幾何聲學(xué)的原理（不考慮聲波干涉，并假設(shè)端角反射率為1），切割槽反射的折射橫波波高 HS為［4－5］：

式中 K0.4——定量比例系數(shù)；

TLS——橫波聲壓往復(fù)透射率，%；

x——聲程，mm；

λS2——鋼中橫波波長(zhǎng)，mm。

如果考慮橫波入射時(shí)的端角反射率和材質(zhì)衰減，則HS為：

式中DS為橫波入射時(shí)端角反射率，%；κS為橫波材質(zhì)衰減系數(shù)，NP／mm。

同樣，切割槽反射的折射縱波波高HL、變型橫波波高HLS分別為：

式中TLL為縱波聲壓往復(fù)透射率，%；DL為縱波入射時(shí)端角反射率，%；RL－S為鋼、空氣界面的往復(fù)聲壓反射率，%；λL2為鋼中縱波波長(zhǎng)，mm；L為縱波聲程，mm；S為橫波聲程，mm；κL為縱波材質(zhì)衰減系數(shù)，NP／mm；F為變型波聚焦聲壓增強(qiáng)系數(shù)。

對(duì)于人工槽深度分別為t1，t2的淺切割槽，根據(jù)式（6）和（7），兩者回波差為：

圖6 試塊簡(jiǎn)圖

3 靈敏度對(duì)比試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)用對(duì)比試塊的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用對(duì)比試塊的規(guī)格見(jiàn)表1，試塊簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6。試塊上內(nèi)外表面的線切割槽用以模擬表面裂紋，所有試塊的寬度為40mm。

表1 試塊規(guī)格 mm

3.2 靈敏度對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)筒形件進(jìn)行周向超聲檢測(cè)，一般采用純橫波檢測(cè)技術(shù)，但該技術(shù)通常只適用于內(nèi)外徑之比≥0.6的筒形件周向檢測(cè)［6－7］。筆者用橫波折射角為35°的橫波斜探頭對(duì)B1試塊（內(nèi)外徑比為0.6）進(jìn)行內(nèi)壁缺陷檢測(cè)靈敏度對(duì)比試驗(yàn)，并與橫波折射角為28.5°雙重波型斜探頭進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2結(jié)果可以得出，對(duì)于內(nèi)外徑比為0.6的厚壁筒形件，采用純橫波技術(shù)的靈敏度優(yōu)于雙重波型技術(shù)，且波型單一，缺陷容易判斷。

表2 內(nèi)表面缺陷的信噪比對(duì)比試驗(yàn) dB

對(duì)于內(nèi)外徑比＜0.6的厚壁筒形件，一般不推薦采用純橫波技術(shù)。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)［1－4］，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于內(nèi)外徑比＜0.6的厚壁筒形件采取的檢測(cè)方法主要有雙重波型檢測(cè)法、小角度縱波切內(nèi)壁法、變型橫波切內(nèi)壁法、變型橫波端角反射法。筆者采用上述方法對(duì)B2，B3，B4試塊（內(nèi)外徑比均為0.5）進(jìn)行靈敏度對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 靈敏度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 dB

4 分析探討

從表3的試驗(yàn)結(jié)果可以得出，對(duì)直徑較小的厚壁筒形件（外徑200～300mm），變型橫波端角反射法對(duì)內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)靈敏度相對(duì)其它方法要高。對(duì)直徑較大的厚壁筒形件（外徑≥400mm），變型橫波端角反射法的檢測(cè)靈敏度下降很快，不如雙重波型檢測(cè)法。究其原因，根據(jù)式（6）和（8），采用變型橫波法和直接用小折射角橫波檢測(cè)時(shí)兩者內(nèi)壁缺陷回波差為：

對(duì)不同縱波入射角的有機(jī)玻璃探頭入射到鋼界面，其相應(yīng)的TLL，TLS值見(jiàn)圖7［2］，在鋼中其TLLRL－S見(jiàn)圖8［4］。

對(duì)B2，B3，B4試塊而言，由于內(nèi)外徑之比為0.5，如采用變型橫波端角反射法，并使變型橫波以45°入射至內(nèi)表面線切割槽，根據(jù)Snell定律計(jì)算其橫波折射角為15.9°，從圖7和圖8查得TLS＝5%，TLLRL－S＝10%，則兩者回波差為：

當(dāng)圓周面引起的聚焦作用F大于材質(zhì)引起的衰減，則變型橫波端角反射法比小角度折射橫波法靈敏度至少高6dB。

同樣，如采用變型橫波切內(nèi)壁法，根據(jù)Snell定律計(jì)算其橫波折射角為30°，從圖7和圖8查得TLS＝9%，RL－S＝12%，則兩者回波差為：

當(dāng)圓周面引起的聚焦作用F大于材質(zhì)引起的衰減，則變型橫波端角切內(nèi)壁法比折射橫波切內(nèi)壁法靈敏度至少高3dB。

通過(guò)上述分析，直徑較小時(shí)變型橫波端角反射法靈敏度較高的原因有：① 變型橫波端角反射法聲束的主要部分在內(nèi)壁上形成一個(gè)聚集區(qū)域，而且入射到內(nèi)壁上的聲束與法線交角大多在35°～55°之間，端角會(huì)產(chǎn)生全反射，反射的橫波在外壁圓弧的作用下，產(chǎn)生匯聚；而變型橫波切內(nèi)壁法僅有部分反射的橫波在內(nèi)壁產(chǎn)生匯聚。② 采用變型橫波法，對(duì)尺寸固定的探頭，直徑越小，變型橫波端角反射法和變型橫波切內(nèi)壁法聚焦作用越強(qiáng)，而材質(zhì)衰減相對(duì)減小，由式（15）可知，其檢測(cè)靈敏度比直接采用折射橫波法要高。③ 小角度縱波切內(nèi)壁法、變型橫波切內(nèi)壁法由于入射角與缺陷夾角為90°，反射的縱波和橫波與直接傳播至缺陷的聲波會(huì)產(chǎn)生互相干擾，干擾的結(jié)果改變了探頭的指向性和對(duì)稱性，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度和缺陷定位精度的下降。④ 縱波的波長(zhǎng)比橫波大一倍，對(duì)小缺陷的檢測(cè)靈敏度不如橫波檢測(cè)。

同樣，對(duì)直徑較大時(shí)變型橫波端角反射法的檢測(cè)靈敏度下降的原因有：① 筒形件外表面曲率增大，使外壁的聚集作用相對(duì)減弱，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度降低。②筒形件外半徑增大，使對(duì)應(yīng)的筒體壁厚增大，變型橫波端角反射法檢測(cè)聲程增大，由超聲波衰減而導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度降低。③ 變型橫波端角反射法由于進(jìn)行多次反射和波型轉(zhuǎn)換，不僅會(huì)導(dǎo)致超聲波能量的損失，還會(huì)造成缺陷的定位誤差增大，檢測(cè)聲程越大，其定位誤差也相應(yīng)增加。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于內(nèi)外徑比為0.6的厚壁筒形件，采用全橫波技術(shù)的靈敏度優(yōu)于雙重波型技術(shù)，且波型單一，缺陷容易判斷。

（2）對(duì)于內(nèi)外徑比＜0.6的厚壁筒形件，純橫波技術(shù)對(duì)內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)靈敏度降低。

（3）對(duì)于內(nèi)外徑比＜0.6的厚壁筒形件，對(duì)直徑較小厚壁筒形件，變型橫波端角反射法對(duì)內(nèi)壁缺陷的檢測(cè)靈敏度較高。對(duì)直徑較大的厚壁筒形件，變型橫波端角反射法的檢測(cè)靈敏度下降很快，不如雙重波型檢測(cè)法。

（4）文中提出的內(nèi)表面徑向缺陷回波靈敏度的經(jīng)驗(yàn)公式可以解釋上述試驗(yàn)結(jié)果。

［1］李以善.在役超高壓人造水晶釜的超聲檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，1998，20（1）：114－115.

［2］全國(guó)鍋爐壓力容器無(wú)損檢測(cè)人員資格考核委員會(huì).超聲波探傷［M］.北京：勞動(dòng)部中國(guó)鍋爐壓力容器安全雜志社，1997

［3］張家駿.超聲波檢驗(yàn)厚壁管內(nèi)壁裂紋的新方法—變型橫波端角反射法［J］.無(wú)損檢測(cè)，1994，16（5）：121－24.

［4］楊世維.大口徑厚壁無(wú)縫鋼管超聲波探傷［J］.無(wú)損檢測(cè)，1984，6（2）：31－33.

［5］陳勇，韋玉屏.槽形缺陷對(duì)超聲波反射當(dāng)量的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005，9（9）：101－103.

［6］Sony Baby.Ultrasonic study for detection of inner diameter cracking in pipeline girth welds using creeping waves［J］.Pressure Vessels and Pipeing，2003（80）：139－146.

［7］日本非破壞檢查協(xié)會(huì)編寫(xiě).超聲波探傷B［M］.馬羽寬，譯.長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1985.