隨著社會的發(fā)展，鋼管的需求量越來越大，尤其是一些廣泛應(yīng)用于航空、軍工、原子能與空間技術(shù)等領(lǐng)域的高精度、薄壁、高強度鋼管的需求量逐步增加。鋼管生產(chǎn)中存在的缺陷，以及這些缺陷潛在的危害已成為大家關(guān)注的焦點。本文結(jié)合理論分析和實際檢測實驗，探討了超聲波探傷技術(shù)在薄壁小管徑鋼管分層自動檢測應(yīng)用中的可行性。實驗結(jié)果表明，利用超聲波探傷儀，可實現(xiàn)薄壁小管徑鋼管分層自動檢測。

1.水浸法超聲波檢測原理

小口徑、薄壁鋼管由于曲率大、管壁薄，在自動化檢測中采用直接接觸法檢測難以實現(xiàn)，故一般采用水浸法超聲波檢測。其檢測原理是：將水浸超聲波縱波聚焦探頭置于水中。利用超聲波縱波聚焦探頭發(fā)出的超聲縱波垂直入射到鋼管管壁中，當聲波遇到管壁中的分層缺陷時，產(chǎn)生反射回波，反射波沿原路返回被探頭接收。如圖1所示。

圖1 水浸法超聲波檢測分層原理圖

2.檢測參數(shù)的選擇

在實際檢測中，由于聲波是垂直入射到鋼管表面，因此鋼與水的界面回波很強，造成回波中界面波很寬，檢測盲區(qū)大。尤其是在檢測薄壁管時，界面波甚至覆蓋一次底面回波，使分層檢測無法實施。為解決這個問題，需調(diào)整檢測參數(shù)，提高檢測的分辨率。在水浸法超聲波檢測中，與檢測分辨率相關(guān)的參數(shù)有：探頭參數(shù)（包括頻率、晶片尺寸、聚焦探頭的焦距）、儀器參數(shù)（包括脈沖寬度、檢波方式、匹配等）。

2.1 探頭參數(shù)的選擇

2.1.1探頭頻率    超聲波縱波可檢出的最小缺陷尺寸與探頭頻率有關(guān)，即頻率越高，檢測的靈敏度和分辨率越高。為提高檢測的分辨率應(yīng)盡量選擇高頻探頭，但頻率越高，聲波在水中的衰減也越大，這又直接影響到了超聲波的回波幅度，不利于檢測靈敏度的提高。綜合考慮，探頭頻率選在5～10 MHz較為合適。

2.1.2探頭的晶片尺寸   晶片尺寸越大，聲波的指向性越好，但檢測的分辨率越差。同時晶片尺寸的大小也與檢測效率有關(guān)，即探頭的有效檢測區(qū)域越大，則檢測效率越高。在自動化檢測分層時，為了不漏檢，通常選用的線聚焦探頭軸線晶片尺寸為被檢測平底孔直徑的2倍。對于點聚焦探頭，其情況視其要求的有效檢測區(qū)域而定。

2.1.3聚焦探頭的焦距   在小口徑鋼管檢測中，為保證聲束兩側(cè)的一致性，通常探頭水中焦點與鋼管的圓心重合，即F=H+R，F(xiàn)為探頭水中焦距，H為水層厚度，R為鋼管半徑。其中H作為中間耦合劑的水層厚度在縱波檢測中應(yīng)使水、鋼的二次界面波S2出現(xiàn)在底波B1之后。同時H還應(yīng)小于聲場的近場區(qū)N，以避免聲束在入射面發(fā)生大量的散射而使探傷靈敏度降低，即N>H>(VL1/VL2)T。VL1=1450 m/s為水中縱波聲速，VL2=5850 m/s為鋼中縱波聲速。在這里需要指出的是對于一些薄壁管的分層檢測，當鋼/水一次界面波S1與底波B1無法分開時，適當調(diào)整水層厚度，可選用2~3次傷波探傷，特別是對于據(jù)與管壁中間的分層，由于聲波的干涉效應(yīng)，3~4次分層回波最高，探傷效果最佳。如圖2所示。

圖2 超聲波水浸法探傷波形圖

2.2 儀器參數(shù)的選擇

2.2.1脈沖寬度

在小口徑鋼管檢測中，應(yīng)選擇合適的窄脈沖，雖然會減小發(fā)射能量，但可提高分辨率。

2.2.2檢波方式

通常的超聲波檢測中，檢波方式都選用全波，主要是可提高靈敏度和信噪比。但由于聲波的正半周和負半周很難一致，全波整流后，回波信號會變寬，檢測分辨率會降低。因此，在小口徑鋼管檢測時，可選擇半波整流。至于是選擇正半波整流，還是負半波整流，可根據(jù)現(xiàn)場試驗而定。

2.2.3匹配  探頭良好的匹配，可提高發(fā)射功率，降低干擾噪聲，進而提高檢測靈敏度和分辨率。具體實施是探頭線選用50 ?的同軸電纜，在其間加一個匹配電感。這里所用的匹配是利用變壓器實現(xiàn)的，它是由兩條或多條等長導(dǎo)線彼此緊靠并纏繞到高磁導(dǎo)率磁芯上組成。其設(shè)計理論較復(fù)雜,其參數(shù)通常根據(jù)經(jīng)驗公式和實際調(diào)試效果進行選取。決定其性能的參數(shù)主要包括:繞組特性阻抗、磁芯磁導(dǎo)率、繞組導(dǎo)線長度、繞組匝數(shù)（取決于繞組的長度和單位長度上的雙絞股數(shù)）等。

3.檢測實驗

3.1 實驗條件

樣管：Φ12 mm×1.0 mm的不銹鋼管。

人工缺陷：Φ6.0 mm平底孔，埋藏深度0.5 mm。

超聲探頭：水浸線聚焦探頭，探頭頻率：8 MHz，水中焦距：25 mm，晶片尺寸：12 mm×10 mm，12 mm為軸向尺寸。

藕合介質(zhì)：采用過濾循環(huán)水，要求水質(zhì)盡量接近純凈水，水溫盡量保持在20～25 ℃。

檢測設(shè)備：如圖3所示。

圖3 NC-89型旋轉(zhuǎn)頭超聲波檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)為16通道超聲波旋轉(zhuǎn)頭系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)頭的超聲信號穩(wěn)定，抗干擾強。其中4個檢測縱傷探頭，8個檢測橫傷探頭，4個檢測分層和壁厚探頭。

3.2 實驗參數(shù)的設(shè)置

（1）水層厚度：為保證聲波理論焦點在鋼管圓心處，水層厚度應(yīng)為19 mm。

（2）脈沖寬度：根據(jù)實際調(diào)整，脈沖寬度在0.18 μs是回波脈沖較窄，分辨率最高。

（3）檢波方式：正半周動態(tài)實驗檢測方式為探頭高速旋轉(zhuǎn)，鋼管直線前進。

3.3 實驗結(jié)果

3.3.1靜態(tài)檢測結(jié)果  如圖4所示，由于管壁較薄，鋼/水一次界面波S1與底波B1間距太小，分層缺陷的回波很難分辨。為了保障自動化檢測的效果，我們選用三次缺陷回波為自動化檢測的探傷依據(jù)，從圖中可見分層缺陷的回波清晰可辨。

圖4 靜態(tài)檢測波形圖

3.3.2動態(tài)檢測結(jié)果

如圖5所示，從檢測結(jié)果可以看到，此套裝置完全滿足小徑薄壁管的自動化分層檢測要求。

圖5 動態(tài)檢測波形圖

在這里需要指出的是在自動化檢測時，為了保證不漏檢，必須把檢測速度（即鋼管直線前進速度）控制在一個極值下。檢測速度與旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速和探頭有效檢測范圍（即檢測螺距）有關(guān)，本文所用設(shè)備的旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速可達1200轉(zhuǎn)/分鐘，檢測螺距為6 mm×4=24 mm。則這套設(shè)備的最高檢測速度為1200×24=28.8 m/min。實際檢測中，檢測速度保持在24～25 m/min，未發(fā)生漏檢現(xiàn)象。

4.結(jié)語

本文針對小徑薄壁管的自動化分層檢測難題，提出了一整套解決方案，并通過了具體實驗驗證，證明了此套方法的可行性，可以為相關(guān)的自動化檢測項目提供參考。