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江苏省特种设备安全监督检验研究院苏州分院 朱民伟

摘要：一般用于高温高压及特殊要求的重要无缝钢管，图样通常要求100%超声检测，是以沿管材外圆作周向扫查的横波检测为主。根据JB/T4730-2005《承压设备无损检测》，钢管的检测可根据钢管规格选用接触法或液浸法，本文重点阐述对无缝钢管进行超声波检测时专用探头的制作等问题。

关键词：超声检测；无缝钢管；探头制作

1 问题的提出

随着特种设备制造业的发展，对重要无缝钢管设计图样通常要求100%超声检测。无缝钢管是通过穿孔法和高速挤压法制造，钢管中大多数缺陷与管轴线平行（纵向缺陷）。一般对无缝钢管要求100%超声检测，是以沿管材外圆作周向扫查的横波检测为主，必要时也可以进行横向缺陷，由合同双方协商解决。根据JB/T4730-2005《承压设备无损检测》，钢管的检测可根据钢管规格选用接触法或液浸法，与一般超声探头不同的是，钢管超声检测使用的探头与钢管表面要求吻合良好，通常需制备超声检测无缝钢管的专用探头。如果无缝钢管专用探头制作不当，很容易出现误判和漏检，本文根据多年的一线经验，就此问题以及无缝钢管横波周向扫查检测方法作一阐述，供同行参考。

2 无缝钢管横波检测入射角α的选择范围

通常超声波横波检测入射角α在第一临界角和第二临界角之间，然而超声无缝钢管检测情况不同。当入射角α过大时，超声横波折射声束轴线不经过无缝钢管内壁，就无法实施对钢管内壁的缺陷检测。如图1虚线表示，横波折射角过大时的声束轴线不经过内壁的情况，只有当探头入射角小于某一临界角，横波折射声束轴线与钢管内壁相切时，才能检测到钢管内壁的缺陷。

由图1可知，

式中R—管子外圆半径

r—管子内圆半径

δ—管子壁厚

根据折射定律可知，

式中C_L1—入射介质纵波声速

C_S2—管材介质横波声速

由临界角公式可知，

式中C_L1—入射介质中的纵波声速

C_L2—管材介质纵波声速

结合上面两个条件可得，入射角α的范围：

3 无缝钢管接触法检测

3.1 接触法特点

设备简单，操作方便，机动灵活，可以定位，但管材管径小曲面引起的声束扩散角分散，工作效率低，劳动强度大，适用于小批量多规格管材检测。

3.2 探头的选择与修磨

3.2.1 探头的选择

选择探头频率为2.5MH_Z～5MH_Z,晶片长度或直径不大于25 mm，无金属壳的可拆卸斜楔块探头，有机玻璃斜楔块可以加工不同规格入射角度。

可拆卸斜楔块特点，可更换不同规格角度探头，只要更换斜楔块，无需更换探头芯，对同规格斜楔块可以建立模块备用，机动灵活。

3.2.2 探头的修磨

（1）探头斜楔块选择：根据被检无缝钢管规格选择入射角度在允许范围内平均值选取。

（2）修磨前准备：先测量探头的入射角 和K值，通过K值和超声波在钢中声速和有机玻璃声速计算出入射角度，然后再探头的侧面斜楔块处从入射点开始沿入射角度到晶片，画一条垂直线即得到入射声束轴线如图2所示，同时在沿管子剖面最高点处画一条中心垂线。

（3）修磨：先粗磨把探头放在细砂纸上与被检测管材相同管径上修磨，磨制过程中探头先纵向移动，尽量保持入射声束轴线在被检测管材弧面的最高点管中心垂线上。当磨到斜楔块弧面与管子弧面接近时，再细磨选用金相砂纸在管材相同管径上修磨，磨制过程中探头纵向移动结合周向移动，修磨到探头与管材基本吻合。

（4）修正入射角度：修正入射角度采用精磨，目的微调内外槽反射波高度。把已磨成弧面的可拆卸斜楔块探头连接到超声波仪器上，在对比试块观察内外槽反射波高度，相差较大时，用金相砂纸在对比试块上精磨探头，通过精磨可微调入射角α角度，同时可改变内外槽反射波高度。探头精磨时靠入射声轴线前方进一步修磨可以增大入射角度，靠入射声轴线后方进一步修磨可以减小入射角度，即可以修正内外壁V型槽反射波高度，使内外壁V型槽反射波高度调到满意为止。此时探头弧面与管材完全吻合，探头弧面平滑光亮，平面度要好。

3.3 修磨后探头入射点和折射角的测试

3.3.1 入射点的测试

可拆卸斜楔块探头磨成后探头的入射点应重新测试。测试方法，将圆弧探头对准CSK-IA或其他标准试块有直角边试块棱角处，前后移动探头弧面，找出最大反射波此时棱角处所对应的位置就是探头入射点

3.3.2 折射角的测试

用与试件相同材质，相同规格管材将探头置于管子外壁找出端角B的最大反射波，固定探头量出长度。

如图3所示：A点为探头入射点，B点为管子内壁端角位置，O为管材圆心，AO为外半径，BO为管子内半

径。，,α的大小为由余弦定理可知

 由正弦定理可知

可得，折射角：

3.4 接触法检测方法

（1）对比试块的制备：从被检钢管上截取一段管子，按标准要求分别在管材内外壁加工V型槽作为对比

试块。 

（2）灵敏度调节：把探头置于对比试块上作周向扫查，然后将对比试块上内壁V型槽的最高回波至满幅

度值80%。再移动探头，找到外壁V型槽的最高回波，二者波峰的连续为距离一波幅曲线，作为基准灵

敏度，一般在基准灵敏度的基础上提高 6dB作为扫查灵敏度。

（3）扫查：采用分段检测，探头沿螺旋线运动，探头扫查螺旋线的螺距不能太大，要保证超声波束对

管材进100%扫查，并不少于15%覆盖，检测到两端面再进行一次相反方向扫查。

（4）评定和验收。在扫查过程中，当发现缺陷时，要将仪器调回到基准灵敏度，若缺陷回波幅度大于

等于基准灵敏度则判为不合格，缺陷测长按6dB法。不合格允许在公差范围内。采用修磨方法处理，然

后再进行复验。

4 液浸法检测

4.1 液浸法特点

采用线焦距窄脉冲可克服钢管直径小曲率大波束散射问题，提高灵敏度和信噪比，检测效率高，可

减少劳动强度，但设备较复杂，缺陷定位要靠接触法，适合较大批量检测。

4.2 探头的选择与专用探头的制作

4.2.1 探头的选择

检测频率为2.5MHz～5MHz，单个探头压电晶片长度或直径不大于25mm，一般采用线聚焦探头，聚焦

探头的声透镜和曲率半径应符合下述条件：

式中C1—声透镜中纵波速度，C2—水中声速，F—水中焦距

对有机玻璃声透镜来讲 

4.2.2 水浸法专用探头的制作

如图4所示：

①聚焦探头 ②连接块 ③探头固定螺孔（螺丝） ④螺纹杆 ⑤固定滑杆 ⑥滑杆和螺纹杆支座 ⑦螺纹杆固定块及螺孔

⑧螺纹杆把手 ⑨探头支架 ⑩支架固定轴

图4（a）探头置一侧，其结构相对较紧凑，探头移动可检测到管子端面，比较灵活，接触面稳定

性能满足检测要求。