關(guān)于對大容積鋼制無縫氣瓶水浸探傷的理解

楊靜，高明，王騫

（中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029）

長管拖車用大容積鋼制無縫氣瓶由于長度和體積都較大，如果采用接觸法手工探傷，不僅探傷效率低下，還會因?yàn)椴僮魅藛T經(jīng)驗(yàn)等客觀因素導(dǎo)致檢測結(jié)果的不確定性。因此，大容積無縫鋼瓶一般都采用水浸探傷如圖1，必要的時(shí)候也采用水浸聚焦探傷，聚焦后波束更加集中，提高了探傷靈敏度，避免了因波束的散射而引起的雜亂反射。另外，水浸探傷時(shí)，從探頭發(fā)出的超聲波先要經(jīng)過一段水程，然后折射進(jìn)入鋼瓶內(nèi)部，這樣就避免了接觸法探傷過程中有盲區(qū)的問題。大容積無縫氣瓶水浸探傷用的橫向和縱向探頭角度是40°，水層厚度為45mm，橫向探頭是聚焦探頭，縱向探頭是普通平探頭，對以上問題做如下討論。

圖1

1 探頭角度的選擇

由于水的特性，超聲波只能以縱波的形式在水中傳播。當(dāng)超聲波傾斜入射到水-鋼界面時(shí)，瓶體內(nèi)部除有折射進(jìn)入的縱波外，還有因波形轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的折射橫波。為了使探傷波形更加簡潔，一般都采用純橫波檢測，這時(shí)入射角就要滿足如下關(guān)系式：

當(dāng)βL鋼=90°時(shí)，入射角就是第一臨界角αΙ。由知：

求得αΙ=14.5°。

當(dāng)βS鋼=90°時(shí)，入射角就是第二臨界角αⅡ。由知：

求得αⅡ=27.3°。

綜合（1）～（3）式可知14.5°≤αL水＜27.3°，即33.1°≤βS鋼＜90°。

當(dāng)入射角在第一和第二臨界角之間范圍變化時(shí)，雖然鋼瓶內(nèi)只有折射橫波，但折射橫波的往復(fù)透射率也隨之變化如圖2。當(dāng)縱波入射角為14.5°也即橫波折射角為33.1°時(shí)，往復(fù)透射率為0。隨著入射角度的不斷增大，往復(fù)透射率也不斷增加，當(dāng)折射角達(dá)到38°時(shí)，往復(fù)透射率達(dá)到最高，隨后又逐漸降低。

圖2

綜上所述，大容積無縫氣瓶水浸探傷機(jī)的探頭在滿足純橫波檢測和最高聲壓往復(fù)透射率兩個(gè)條件下，采用40°角度探頭是比較適宜的。

2 水層厚度的選擇

（1）探傷機(jī)測厚通道在調(diào)節(jié)掃描線時(shí)采用的是多次底波法，這樣不僅可以提高測厚精度，還以根據(jù)缺陷波的衰減情況來判斷缺陷的大小。探傷機(jī)一般要看到第10次底波，這時(shí)作為耦合劑的水層就必須保證水-鋼的第2次界面波至少落在第10次底面回波后。

式中，H為水層厚度；L為鋼瓶壁厚，取16.5mm。

同時(shí)，該水層厚度還必須小于聲波在水中的近場區(qū)長度N，以避免聲束在入射面發(fā)生大量散射而使探傷靈敏度降低,即H＜N。

式中，F(xiàn)S為晶片面積，其中測厚探頭的晶片尺寸一般采用 6×12mm。

求得N≈ 63.25mm。

綜合式（4）和（5）得：41mm＜H＜63.25mm。

（2）縱向探傷過程中如圖3所示，如果水層厚度過大，會使聲束能量衰減過大、靈敏度降低，造成缺陷的漏檢。同時(shí)水層也不能過小，水層的厚度必須大于鋼瓶中橫波全聲程的1/2（即H＞χ），這是因?yàn)楫?dāng)水層厚度大于鋼瓶中橫波全聲程的1/2時(shí)，水-鋼界面的第二次回波將位于鋼瓶的缺陷波之后，有利于對缺陷的判別。

圖3

由余弦定理可知，在△OAB中滿足以下式子：

綜上所述，實(shí)際水程厚度為45mm是可行的。

3 聚焦探頭的選擇

水浸探傷中，采用聚焦探頭能使聲束更加集中，不僅提高了探傷靈敏度，還能減少因聲束擴(kuò)散引起的雜亂反射。橫向探頭一般采用的是聚焦探頭，而縱向探頭卻采用的普通平探頭，這又是為什么呢？討論如下：

要使聚焦探頭發(fā)揮聚焦功能，則必須使探頭的焦點(diǎn)落在探頭的近場區(qū)范圍內(nèi)即F＜N，否則聚焦探頭就會失去聚焦的意義。

（1）橫向探傷中，當(dāng)經(jīng)過聚焦的聲束的焦點(diǎn)落在鋼瓶的內(nèi)表面時(shí)，聲能最集中，這時(shí)的探傷靈敏度最高。探頭的焦距F與探頭聲透鏡的曲面半徑r應(yīng)滿足如下條件：

式中，C1為聲透鏡中縱波聲速；C2為水中縱波聲速；C3為鋼中橫波聲速；L為焦點(diǎn)至工件表面的距離。

探頭聲透鏡的曲面半徑：r≈15mm

由上式求得：F≈13.3mm。

同時(shí)，橫向探頭的晶片尺寸一般采用6×12mm。

其中，β=40，由②式可知此時(shí)α=17.1。

求得：N1≈22.75mm＞F=13.3mm。

所以，橫向探傷采用聚焦探頭滿足聚焦的要求。

（2）縱向探傷中，要實(shí)現(xiàn)聚焦的目的，就必須使縱向探頭的焦點(diǎn)落在與聲束中心線垂直的被探鋼瓶的直徑上，這時(shí)焦距F至少要大于鋼瓶的半徑R，即F≥R=280mm，又縱向探頭尺寸一般采用10×12mm，故縱向探頭近場區(qū)長度：。

綜上，N2＜F故無法實(shí)現(xiàn)聚焦的目的，所以采用縱向探傷采用聚焦探頭就失去了意義。

4 實(shí)際探傷過程中應(yīng)注意的問題

要實(shí)現(xiàn)正常的水浸探傷，就必須保證所探鋼瓶的截面是正圓形的，但實(shí)際探傷過程中，并不能保證每一處截面都是正圓形的，一旦某處外表面的形狀發(fā)生了改變，超聲波的反射路徑就會發(fā)生變化，這樣在探傷過程中就有可能發(fā)生漏檢或者誤檢。如圖4所示，就是因?yàn)殇撈康耐獗砻嬗幸惶?6×55×2mm（長徑×短徑×深度）的凹陷，從該處進(jìn)入的測厚波就不再是垂直進(jìn)入，從而導(dǎo)致測厚探頭無法接收到底面的反射波，進(jìn)而在測厚圖像上顯示一處雜亂圖像。同理可知，橫向和縱向探傷波也無法按照所設(shè)計(jì)的路徑進(jìn)行傳播。所以，在實(shí)際探傷過程中，要注意觀察氣瓶的表面凹凸情況，一旦在圖像上出現(xiàn)疑似由于氣瓶外表面不均勻?qū)е碌臋z測圖像混亂時(shí)，要注意判斷，必要時(shí)采用手工復(fù)探或其他有效方法進(jìn)行確認(rèn)。

圖4

5 結(jié)語

綜上所述，大容積無縫氣瓶采用水浸探傷既能保證超聲波穩(wěn)定的發(fā)射和接收，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化探傷，又可大大地提高檢測效率。但是實(shí)際探傷過程又是復(fù)雜多變的，需要探傷人員結(jié)合各種信息綜合判斷。