厚壁管超声波检测中的折射角校正

厚壁管超声波检测中的折射角校正

厚壁管道通常是指厚壁和外径之比（t/d）>0.2的管道。超声波探伤中,用纯横波探测T/D>0.23的厚壁管时,横波主声束中心线不能与内壁相切,所以难以检出内壁及近内壁缺陷。GB/T5777—1996《无缝钢管超声波检验方法》附录A中注明,当0.2<T/D<0.3时,可利用管内的折射纵波L检验外壁缺陷,而利用波型转换后的反射横波S检验内壁缺陷(图1)。国内某些厚壁石油钢管的T/D>0.2时,不用人工槽而用内壁人工平底孔校正灵敏度,平底孔平面与内壁相切(图2)。此时,如果折射波束中心轴线与平底孔中心轴线不重合,与平底孔平面不垂直,校正的灵敏度会有误,对缺陷波定量也不准确。1准备考试1.1t/d试块的制作采用ϕ170mm×50mm和ϕ170mm×43mm的厚壁石油钢管,其T/D分别为0.29和0.26,按石油行业探伤标准制作试块,平底孔直径为ϕ2mm。1.2计算折射角的角度根据壁厚和直径计算探测平底孔的折射角β。(1)170mm50m管子β=arcsind+2D=70+2170=25.1°β=arcsind+2D=70+2170=25.1°(2)170mm43mm管子β=arcsind+2D=84+2170=30.4°β=arcsind+2D=84+2170=30.4°2波的往复透射率根据纵波入射至有机玻璃/钢界面声压往复透射率关系曲线(图3)分析得,25.1°<β<30.4°时,折射纵波的往复透射率TLL=10%～15%;折射横波的往复透射率TLS<10%。但第一临界角以后的折射纯横波往复透射率TLS高达30%。所以,采用小于第一临界角的折射波探伤不很理想。另外,由于第一临界角内有两种折射波,探伤中发现的缺陷波是由折射纵波还是折射横波检出,在入射角未定的情况下,缺陷定位比较困难。3折射波试验分析3.1入射角改变接头心探头频率为5MHz,其有机玻璃楔块曲率与试块一致。楔块与探头心可以相对移动一定范围,以改变曲面上的入射点(即入射角),其优点是入射角改变后探头自身灵敏度不变。测试中的灵敏度变化主要取决于折射角与缺陷相对位置和角度等。3.2折射角的影响有机玻璃楔块Ⅰ的入射角为10°～14°可调,根据折射定律,此时钢中纵波折射角为22°～31.5°;横波折射角为11.8°～16.6°。所以,折射纵波符合试块的折射角要求。测试结果见图4。3.3钢中纵波折射角有机玻璃楔块Ⅱ的入射角为21°～25°可调,根据折射定律,此时钢中纵波折射角为51°～66°,不能检测两种试块的平底孔。而横波折射角为25.1°～30°,主声束可入射到平底孔上。此时的折射横波符合两试块的折射角要求。测试结果见图5。3.4折射波探伤时的应用虽然钢中折射角为25°～30°时的折射纵波和折射横波均能检测上述两种内壁缺陷,但从图3知,折射纵波往复透过率比折射横波稍高一点,但两者都较低,所以小于第一临界角的折射波探伤不理想。某石油行业规定用该方法探伤时探头K值为0.5,其横波折射角为26.6°,纵波折射角为55°,所以,实际探伤中应用的是折射横波。图6为该探头检测ϕ170mm×50mm钢管试块的ϕ2mm平底孔的调试波形图;与图5a对比可见应用的是同种方法。4不同入射角测试4.1钢管缺陷波f测定有机玻璃楔块Ⅰ的入射角为10°～14°时,钢中纵波折射角为22°～31.5°,分别取25°和30°测试ϕ170mm×50mm钢管,结果见图4a和图7。比较可见,纵波入射角为25°时,缺陷波F较高;当入射角为30°时,声束中心轴线偏离平底孔,F波降低。4.2入射角为30时有机玻璃楔块Ⅱ的入射角为21°～25°时,钢中横波折射角为25.1°～30°,分别取25°和30°测试同一试块,结果见图5a和图8。比较可见,横波入射角为25°时,缺陷波F较高;当入射角为30°时,声束中心轴线偏离平底孔,F波降低约10dB。两种测试均说明,探伤中探头有机玻璃楔块的磨损使入射角变大,声束中心轴线偏离原定试块人工缺陷位置,灵敏度下降。如再次校正灵敏度把人工缺陷波提高到规定高度,此时灵敏度将比起始灵敏度高(如本章节中折射横波测试相差10dB)。图5b是在图8灵敏度下探测ϕ170mm×43mm钢管的平底孔波形图,因为声程基本相等(76与73mm),入射角度合适,所以F波增高。实际探伤中,由于入射角改变,灵敏度因再次校正而提高,小于人工缺陷尺寸的缺陷被检出,允许存在的缺陷超标,使产品不合格。5两波透射率关系(1)该方法只能校正一次声程。由于没有外壁人工缺陷,对于远离一次声程的灵敏度无法校正,探伤中发现一次声程外的缺陷就无法计算大小。(2)由于在工件中同时存在的折射纵波和横波均能检出表面及内部缺陷,探伤中发现的缺陷波是哪种波的反射不易判定(图9)。图9a和b两种波型均出自同一探头,同一角度,缺陷波F位置一样,一般情况下认为其声程相等。但实际上两种波型所对应人工缺陷声程分别为40和73mm;距表面距离分别为33和15mm(图9c)。其中图9a为25°探头折射横波波形;图9b为51°探头折射纵波波形。也就是说,探头能同时发现缺陷F1和F2,通常情况下很难判断其位置,但可根据波形前后移动包络线的规律进行判断(图10)。根据纵波入射至有机玻璃/钢界面声压往复透射率关系曲线(图3)分析,图10a为折射横波在25.1°左右的缺陷反射波上升下降包络线,与折射横波往复透射率TLS的趋势基本一致;图10b为折射纵波在51°左右的缺陷反射波上升下降包络线,也与折射纵波往复透射率TLL的趋势基本一致,角度越小,往复透射率TLL越高。以上试验说明,该方法不易测定缺陷位置,对计算缺陷大小不利。(3)由于该方法对入射角要求较严,所以斜探头磨制成圆弧