高頻焊管超聲探傷曲面探頭K值與入射點(diǎn)位置的測(cè)定

余國(guó)民 ， 李 黎 ， 楊 釗

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京100101）

0 前言

HFW焊管外徑通常在159～610 mm，管徑較小，焊縫超聲探傷通常采用的是曲面探頭。早前沒(méi)有專門廠家制作曲面探頭時(shí)，使用者通常將探頭采用砂布人工修磨成與被測(cè)鋼管外徑近似的曲面，以增加耦合面?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多探頭商家可根據(jù)用戶提供的規(guī)格型號(hào)制作出專門的曲面探頭，無(wú)需人工修磨。而且探頭商家供貨時(shí)直接給出了曲面探頭的各個(gè)參數(shù)，如材質(zhì)、頻率、K值和入射點(diǎn)位置（前沿長(zhǎng)度）等，使用者可以方便使用。但是，據(jù)筆者了解，很少有使用者重新測(cè)定校準(zhǔn)所購(gòu)買探頭的K值和入射點(diǎn)位置等參數(shù)。如果商家給出的K值、入射點(diǎn)誤差較大，則在實(shí)際探傷中測(cè)定缺陷的位置、儀器定標(biāo)調(diào)節(jié)就可能造成比較大的偏差，直接影響探傷效率和結(jié)果。本研究為焊管制造企業(yè)介紹了兩種可以自己測(cè)量曲面探頭K值和入射點(diǎn)位置的方法，以期解決高頻焊管超聲探傷對(duì)缺陷的定位問(wèn)題，提高高頻焊管超聲探傷的缺陷檢出效率。

1 V形槽試塊測(cè)定法

在被檢鋼管上截取一小段，制作對(duì)比試塊，在試塊某處同一直徑的內(nèi)外壁上各加工一個(gè)60°的V形槽，槽深1～2 mm，如圖l所示。該對(duì)比試塊的寬度應(yīng)滿足

式中：b-試塊寬度；

λ-橫波波長(zhǎng)；

S-聲程；

De-聲源有效直徑。

圖1 災(zāi)形槽試塊示意圖

在圖1所示的對(duì)比試塊上移動(dòng)探頭，一次波找到內(nèi)V形槽最高波，二次波找到外V形槽最高波，可測(cè)得內(nèi)外壁V形槽最大回波高度時(shí)的簡(jiǎn)化弧長(zhǎng)L1與L2， 按式（2）和式（3）求得探頭的K值和入射點(diǎn)位置（幾何證明過(guò)程略）。

式中：K-實(shí)測(cè)斜探頭K值；

β-實(shí)測(cè)斜探頭在鋼管中的折射角；

R-鋼管外半徑；

r-鋼管內(nèi)半徑；

L1-一次波探頭前端至內(nèi)壁的弧長(zhǎng)；

L2-二次波探頭前端至外壁的弧長(zhǎng)；

L-探頭的（入射點(diǎn)）前沿長(zhǎng)度。

表1為供應(yīng)商購(gòu)買的某批曲面探頭與V形槽試塊的比較值，共試驗(yàn)了6個(gè)曲面探頭。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用V形槽試塊測(cè)量曲面探頭K值和入射點(diǎn)位置方法可行。

表1 曲面探頭與災(zāi)形槽試塊對(duì)比數(shù)據(jù)

2 雙弧單孔測(cè)定法

根據(jù)被檢鋼管的情況，設(shè)計(jì)了雙弧單孔校準(zhǔn)試塊，如圖2所示。

圖2 雙弧單孔測(cè)定法示意圖

圖2中試塊圓弧半徑R2與被檢鋼管半徑相同，圓弧半徑R1與被檢鋼管半徑近似，φ為一橫通孔（φ2 mm×20 mm），距測(cè)試面距離為澡。

2.1 入射點(diǎn)位置測(cè)定

入射點(diǎn)位置的測(cè)定如圖3所示，探頭置于探測(cè)面上朝向無(wú)橫孔的方向探測(cè)，找到R1所在圓弧面上的最大回波幅值時(shí)，圓心刻線（圖3法線與R2弧交點(diǎn)刻度線，R1弧的圓心）即對(duì)準(zhǔn)入射點(diǎn)，由此得到探頭前沿值。

圖3 入射點(diǎn)位置測(cè)定示意圖

2.2 運(yùn)值（折射角β）的測(cè)定

在上述探測(cè)中，儀器的時(shí)基線按聲程確定，調(diào)整儀器的延時(shí)使R1圓弧面的回波信號(hào)調(diào)整到R1處，即完成了儀器掃描基線校準(zhǔn)。

掃描基線調(diào)整完畢后，將探頭調(diào)轉(zhuǎn)方向探測(cè)φ2 mm橫孔，找到孔的最大回波幅值后讀出其聲程S，求出折射角，即

式中：R2-被測(cè)鋼管半徑；

S-孔的回波聲程 （儀器讀出）；

h-孔距表面的距離。

3 應(yīng)用效果

筆者就常規(guī)斜探頭人工修磨法與V形槽試塊測(cè)定法、雙弧單孔測(cè)定法實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了對(duì)比，采用同一廠家的2.5P10×10K2普通斜探頭和同規(guī)格2.5P10×10K2曲面斜探頭測(cè)試φ406.4 mm×12.7 mm-L415M規(guī)格HFW鋼管制作的試塊；2.5P8×10K2.5普通斜探頭和同規(guī)格2.5P8×10K2.5曲面斜探頭測(cè)試φ355.6 mm×8 mm-L360M規(guī)格HFW鋼管制作的試塊。對(duì)普通斜探頭人工修磨成近似鋼管曲面接觸面，對(duì)修磨后的普通斜探頭和曲面探頭用V形槽試塊法、雙弧單孔法測(cè)定其實(shí)際K值和入射點(diǎn)距離。由于制管廠沒(méi)有V形槽和雙弧單孔試塊加工制作條件，該兩種規(guī)格試塊由超聲試塊制作廠家提供，采用武漢中科HS610e型數(shù)字超聲波探傷儀測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 2.5P10伊10K2探頭K值和入射點(diǎn)位置測(cè)定結(jié)果

表3 2.5P8伊10K2.5探頭K值和入射點(diǎn)位置測(cè)定結(jié)果

實(shí)際探頭參數(shù)的測(cè)試結(jié)果表明，人工修磨曲面的探頭參數(shù)已經(jīng)明顯改變，已不能應(yīng)用。為驗(yàn)證其校驗(yàn)結(jié)果，仍然用此探頭的標(biāo)稱參數(shù)進(jìn)行儀器聲程1∶1時(shí)基線調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)儀器上的橫波速度已達(dá)到3 857 m/s（常溫下橫波波速為3 230 m/s），顯然誤差較大，影響了缺陷檢出率和可靠性。

采用表2和表3測(cè)試的參數(shù)進(jìn)行儀器時(shí)基線1∶1聲程調(diào)節(jié)，用該兩種試塊調(diào)節(jié)時(shí)很容易找到人工缺陷位置。調(diào)節(jié)完畢后，通過(guò)實(shí)際測(cè)量試塊上的人工缺陷距離和探傷儀器顯示的距離，兩者非常接近 （≤1 mm），說(shuō)明了采用V形槽試塊測(cè)定法和雙弧單孔測(cè)定法測(cè)量探頭K值和入射點(diǎn)位置的可靠性和缺陷檢出率較高。

4 結(jié)論

（1）采用V形槽試塊測(cè)定法和雙弧單孔測(cè)定法可以測(cè)量出曲面探頭K值和入射點(diǎn)位置。

（2）V形槽試塊焊管廠家可自行加工，使用比較方便；而雙弧單孔試塊需要試塊廠家專門定做，但是定做試塊的尺寸比較精確。

（3）無(wú)論用哪種方法測(cè)定曲面探頭的K值和入射點(diǎn)，都需要操作者有足夠的耐心和細(xì)心。因?yàn)樵噳K加工尺寸要求精度高，超聲探傷儀器調(diào)節(jié)時(shí)要求定標(biāo)誤差越小越好，否則影響測(cè)量結(jié)果。

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