小径薄壁钛管探伤颤动幅度对超声波的影响

　　1　原因分析

　　探头固定、管材水浸旋转前进的超声波检测方式,使用与管材有一定间隙△Y的导向套(衬套)作为管材的导向和定心装置,以保证探头与管材的相对位置不至于发生较大变化,从而使超声波入射角保持稳定。由超声波探伤原理可知,超声波入射角变化较小时,探伤灵敏度也就相对稳定,即⊿Y值应当是越小越好;但是,太小又会影响管材的顺利通过。可见,该间隙大小的选择,将直接影响超声波探伤的稳定性。

　　2　解决方案

　　根据管材超声波探伤原理并结合图1,可推导出探头入射声束两侧入射角α1、α2和主声线入射角α的表达式如下:

　　式中D—探头晶片垂直于管材轴线方向的长度,mm;

　　X—偏心距,mm;

　　F—探头焦距,mm。

　　当聚焦探头水中焦点落在管材水平轴线上时(如图2),α1=α2,即可得水层厚度H的计算公式(4),即:

　　H = F- R2-X2(4)

　　考虑到管材在高速旋转时产生的颤动将使探头理论焦点在XOY平面上产生杂乱无章的位移(如图1所示)。可在公式(4)中再引入一个新的参数Y,则式(4)变成:

　　其中,负号表示探头在水中的焦点处于水平轴线上方,正号则表示焦点处于水平轴线下方。

　　容易证明,在Y或X的变化量不大于式(6)计算结果的情况下,超声波入射声束的入射角变化范围很小。由超声波探伤原理可知,用式(6)计算的结果作为导向套与被测管材之间的最大间隙,能够有效保持探伤灵敏度的稳定。

　　观察式(6)可知△Y的数值与探头焦距F、晶片尺寸D及偏心距X有关。如果限定了导套与管材之间的间隙为某个△Y值,则X的最大变化量也在这个值范围内,所以,关于X的最大变化范围及其表达式本文不做讨论。

　　本文随后的实验可以证明,由式(6)计算获得的△Y值范围内时,超声波稳定性较好。

　　3　实验验证

　　实验使用的是三支在外壁刻有U型人工缺陷并经过计量的钛管,人工缺陷尺寸及管材规格及检测参数如表1所示。对每支样管首先用通孔直径最小的一对导向套调节检测灵敏度,连续记录多次的检测结果,再分别成对更换不同通孔直径的导向套,并记录对该样管的每次检测结果。最后比较结果,观察其规律性。检测记录结果如表2所示。

　　本文按照表2的检测记录,将每次检测的结果依次在如下各个图上的相应坐标点上标出,然后将其依次用直线段连接起来形成波幅变化曲线(横坐标表示检测次序,纵坐标表示dB值)。结果如图3~图5所示。有关参数的实测值与计算值如表3、表4所示。