超聲爬波在異形薄壁管材超聲檢測中的應用

謝 航，胡 嘯，張益成，蔡家藩

(中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223)

傳統(tǒng)的圓形薄壁管材一般采用水浸聚焦探頭實施超聲檢測，將聚焦探頭放入水中并傾斜后產(chǎn)生橫波，橫波在管材內(nèi)壁發(fā)生反射，以此檢測出壁管上的缺陷[1]。但是對于異形管材的超聲檢測，不易于在其內(nèi)部形成超聲檢測所需角度的超聲波聲束。

超聲爬波又稱表面下縱波或者爬行縱波，是超聲縱波在第一介質(zhì)中以第一臨界角入射到第二介質(zhì)中，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的超聲波[2]。超聲爬波在傳播過程中能量主要集中在近表面，有利于在薄壁結(jié)構(gòu)中覆蓋整個壁厚范圍，爬波可用于小徑管焊縫、薄板和棒材、絲材的檢測。同時，超聲爬波可沿管壁傳播較遠距離，有利于一些異形結(jié)構(gòu)的檢測。

介紹了采用超聲爬波技術(shù)檢測六邊形異形管材的方法，利用超聲爬波的傳播特性，實現(xiàn)了管材全部檢測范圍的聲束覆蓋。最后在缺陷試塊上進行試驗，驗證了該方法的檢測能力。

圖1 爬波探頭的聲束示意

1 超聲爬波檢測原理

超聲探頭的入射角為第一臨界角時，聲波進入被檢薄壁結(jié)構(gòu)工件后的波束示意如圖1所示，可見產(chǎn)生了沿上表面?zhèn)鞑サ呐啦āⅢw積內(nèi)縱波、橫波和沿下表面?zhèn)鞑サ呐啦?，可形成一個覆蓋全部橫截面的聲束。其中，上表面爬波和下表面爬波可以探測上表面開口和下表面開口的缺陷，而體積內(nèi)縱波和橫波可以檢測薄壁管材內(nèi)部的缺陷。

2 檢測方案

在某應用中，需要使用六邊形的異形管材。六邊形異形管的對邊距為59 mm，壁厚為1.3 mm，兩個相鄰平面采用半徑為4.2 mm的圓弧過渡，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。由于管材在制造過程中，容易產(chǎn)生裂紋、夾雜等缺陷，故一般要求采用超聲對其進行無損檢測，以保證管材的質(zhì)量。

圖2 六邊形異形管結(jié)構(gòu)示意

在設(shè)計六邊形異形管材的試驗試塊時，采用矩形槽作為超聲檢測的標準反射體，并根據(jù)不同位置和朝向設(shè)計缺陷，缺陷設(shè)計展開示意如圖3所示。由于六邊形管材平面和圓弧過渡區(qū)域的結(jié)構(gòu)不同，所以設(shè)計不同探頭對其進行超聲檢測。試驗試塊的標準反射體的尺寸及位置見表1。表1中,1至6號缺陷采用平面楔塊的超聲爬波探頭，7至8號缺陷采用弧面楔塊的超聲爬波探頭。

圖3 試塊缺陷設(shè)計展開示意

對于圓弧過渡區(qū)域的周向缺陷，采用弧形楔塊的超聲爬波探頭，適配圓弧過渡區(qū)域的表面，實現(xiàn)內(nèi)外缺陷的檢測。對圓弧過渡區(qū)域的軸向缺陷，在平面上放置超聲爬波探頭，超聲爬波可以沿管壁傳播到圓弧過渡區(qū)域和臨近的平面上，從而實現(xiàn)檢測。對于平面區(qū)域的軸向和周向缺陷，采用平面爬波探頭可實現(xiàn)內(nèi)外管壁缺陷的檢測。

表1 六邊形異形管材標準反射體尺寸及位置 mm

3 試驗過程與結(jié)果

儀器采用自行研制的MUA-160型多通道超聲檢測儀，并配套UDas超聲軟件，平面楔塊超聲爬波探頭晶片尺寸(長×寬)為8 mm×6 mm，弧面楔塊超聲爬波探頭晶片尺寸(長×寬)為6 mm×3 mm，頻率均為5 MHz。采用自動化的檢測設(shè)備，搭載超聲探頭實施自動檢測并記錄檢測數(shù)據(jù)。

進行六邊形異形管材的超聲爬波檢測時，超聲探頭布置與掃查示意如圖4所示。檢測圓弧面的周向缺陷1和2時，將弧面楔塊探頭放置在被檢區(qū)域，如圖4(a)所示；檢測平面上的周向缺陷3和4時，采用平面爬波探頭進行檢測，如圖4(b)所示。檢測周向缺陷的聲束方向均為管材的軸向方向；對于圓弧面的軸向缺陷，將平面探頭放置在平面上，聲束方向指向被檢的圓弧面，如圖4(c)所示；檢測平面上的軸向缺陷時，同樣將平面探頭放置在平面上進行檢測，如圖4(d)所示。檢測軸向缺陷的聲束方向均為管材周向方向。從探頭的布置可以看出，周向缺陷的檢測探頭聲束可以覆蓋整個檢測范圍。但是對于軸向缺陷的檢測探頭聲束，當探頭放置到被檢平面后，從探頭入射點到六邊形異形管圓弧面之間存在一定盲區(qū)，所以無法直接在平面內(nèi)部覆蓋所有的檢測范圍，需要利用超聲爬波沿管壁傳播的性質(zhì)實現(xiàn)檢測范圍內(nèi)超聲聲束的全覆蓋。

圖4 檢測各缺陷時，超聲探頭的布置與掃查示意

所有探頭的B掃檢測數(shù)據(jù)如圖5所示，可以看出設(shè)計的所有缺陷均可被檢出。特別值得注意的是，對圓弧面軸向缺陷檢測時，爬波探頭的聲束沿著管材周向方向經(jīng)過圓弧面，可以檢測到相鄰平面上的軸向缺陷，如圖5(c)所示?？梢钥闯觯门啦ㄑ亟砻?zhèn)鞑サ男再|(zhì)，可以實現(xiàn)軸向缺陷的超聲聲束的全范圍覆蓋。

4 結(jié)語

采用超聲爬波技術(shù)實現(xiàn)了六邊形異形管材的超聲檢測，解決了傳統(tǒng)水浸超聲檢測不利于異形管材檢測的問題。設(shè)計了超聲爬波的掃查方案，實現(xiàn)了整個被檢區(qū)域的全范圍聲束覆蓋；并在人工缺陷試塊上，驗證了該方法在六邊形異形管上平面區(qū)域和圓弧過渡區(qū)域的缺陷檢測能力。

圖5 六邊形異形管的超聲爬波B掃結(jié)果