本文介紹了用于超厚壁鋼管縱向內壁缺陷的超聲波探傷方法--變型橫波斜射法。探頭入射角在小于第一臨界角的范圍內選擇， 利用折射縱波斜射到鋼管外壁上產生的變型橫波檢測鋼管縱向內壁缺陷。闡述了超厚壁鋼管采用該方法探傷時探頭入射角的設計、探傷靈敏度的調整及波形判定， 并通過Ф121mm×36mm 規格鋼管的探傷實例驗證了此方法的有效性。
在鋼管超聲波探傷中通常稱壁徑比t/D∧0.2 的鋼管為超厚壁鋼管。對此種鋼管的探傷， 若采用常規的橫波反射法已無法探測其縱向內壁缺陷， 需采用特殊的方法檢測。曾發生過未經探傷的超厚壁鉆
鋌管在使用過程中發現有大量縱向內壁缺陷， 導致項目工期延誤， 造成巨大經濟損失的情況。因此，亟待研究出一種探測超厚壁鋼管縱向內壁缺陷的方法。本研究通過對超厚壁鋼管超聲波探傷縱向內壁缺陷的大量試驗和分析， 利用變型橫波探測其縱向內壁缺陷， 使得鋼管壁厚的檢測范圍增大， 經實際驗證取得了很好效果。
鋼管橫波反射法探傷是超聲波傾斜入射到鋼管表面時， 在有機玻璃和鋼管的界面上產生折射和波型轉換， 且折射波與入射波的方向關系符合斯奈爾定律， 當入射角α 選擇在第一臨界角αⅠ和第二臨界角αⅡ之間時， 鋼管中只產生單一橫波， 從而實現鋼管內外壁缺陷的同時探測。其入射角的選擇必須滿足以下2個條件： ①聲束入射后在鋼管中僅產生折射橫波（即要求αⅠ≤α<αⅡ）； ②折射橫波聲束能掃查到鋼管內壁。橫波檢測如圖1 所示。
所以，單一橫波探測鋼管時，鋼管的壁厚與外徑之比至少應滿足t/D≤0.2，即折射橫波至少應和鋼管內壁相切，才能保證鋼管內外壁缺陷的同時探測。那么，在探傷t/D∧0.2 的超厚壁鋼管時，若入射角選擇在αⅠ和αⅡ之間， 則鋼管中的折射橫波就無法探測到內壁缺陷。
分析超聲波傾斜入射時的反射、折射和波型轉換現象可知， 當入射角小于αⅠ時， 鋼管中的超聲波為折射縱波和折射橫波同時存在， 折射縱波在鋼管外壁上發生波型轉換， 產生反射橫波（即變型橫波）投射到鋼管內壁上， 以此來檢測超厚壁鋼管的內壁缺陷（通過改變探頭的入射角可以使變型橫波與鋼管內壁相切或相交）。
由超聲波斜入射至有機玻璃/鋼界面的聲壓往復透射率（圖2）可知，當入射角α小于第一臨界角（27.6°）時，入射波轉換為折射橫波的聲壓往復透射率TLS很低，最高不足10%，即透射到鋼管中的折射橫波強度很弱，探測超厚壁鋼管內壁缺陷效果極差；而入射波轉換為折射縱波的聲壓往復透射率TLL較高，最高約25%［1］，這說明在折射過程中大部分能量存在于折射縱波中， 折射縱波在管壁反射后產生的變型橫波也具有較高的能量［2］， 所以對內壁缺陷的探傷靈敏度明顯高于折射橫波。用變型橫波斜射法檢測超厚壁鋼管內壁缺陷是一種較為理想的方法， 這在實踐中已得到充分證明。
進行超聲波探傷最根本的前提條件是確定探頭的基本參數， 尤其是探頭的入射角， 這對確保探傷結果的準確性至關重要。如前所述， 為了能夠實現超厚壁鋼管內壁缺陷的檢測， 必須減小探頭的入射角， 選擇入射角在小于第一臨界角的范圍內， 使變型橫波至少與鋼管內壁相切（圖3）， 此時的折射橫波強度很弱， 大部分能量集中在折射縱波中。
此時有：
式中β——— 折射縱波產生的反射橫波（變型橫波）
以Ф121mm×36mm 規格超厚壁鋼管為例， 由式（2）可得：
式中CL1——— 有機玻璃中縱波聲速， CL1=2730m/s。
在分析超聲波在超厚壁鋼管內傳播路徑的過程中發現， 采用折射橫波與內壁相切的方法設計的探頭入射角， 與采用變型橫波斜射法設計的探頭入射角相等。以下是采用前者設計探頭入射角的方法。
根據超聲波探傷理論， 超聲波探傷鋼管時要保證鋼管內外壁缺陷的同時探測， 所以探頭入射角α的范圍為：
式（3）說明探頭入射角的上限值與鋼管的規格有關， 當鋼管內、外半徑之比r/R 越大時， 入射角允許的范圍也越大。據此， 可以算出探頭入射角的上限值， 即：
同樣以Ф121mm×36mm 規格超厚壁鋼管為例，可計算出最大入射角：
通過對大量的超厚壁鋼管超聲波探傷時探頭最大入射角的計算， 證實了采用上述兩種方法所設計的探頭最大入射角完全相同。因此，在實際探傷中為了簡便， 可以依據式（4）設計探頭入射角，即采用折射橫波與內壁相切的方法設計，但不能理解為是利用折射橫波檢測超厚壁鋼管的內壁缺陷。
前已敘及， 超厚壁鋼管所共有的特點是t/D∧0.2，但由于不同規格的鋼管t/D∧0.2 的程度不同，因此應采用不同入射角的探頭。表1列出了超厚壁鋼管8種常見規格所允許的最大入射角。
根據表1所列的數據， 可以設計所用探頭入射角的大小。斜探頭的楔塊應磨制成與鋼管外徑相吻合的圓弧， 保證探頭圓弧與鋼管的良好耦合。
通常，探測晶粒較粗的材料或鋼管采用低頻探傷； 細晶粒材料或鋼管可以采用較高的探傷頻率。根據GB/T5777-2008標準要求［3］，探頭頻率可在1～15MHz間選擇。實際探測時應綜合考慮所探超厚壁鋼管的情況，選用2.5MHz的探頭即可。
為了選定一個適合于超厚壁鋼管探傷的標準人工缺陷，并確定其探傷靈敏度，在Ф121mm×36mm 規格的被探鋼管上取下一截試樣，加工成兩種形狀的標準反射體，即橫孔和矩形槽，分別在試樣上按照要求加工出縱向標準人工缺陷， 如圖4所示。圖4a 為Φ2 mm、深25 mm 橫孔示意， 由鋼管端面沿鋼管軸向加工，2個橫孔距鋼管內/外表面距離均為2mm；圖4b為按照GB/T5777-2008標準要求加工的40mm×1mm×1.5mm（長×寬×深）的矩形槽示意，內外表面各加工1個。
對兩種不同形式、不同大小的人工缺陷采用入射角為18°的探頭進行了測試，使用儀器為CTS-23B型模擬式超聲波探傷儀，基準靈敏度均為示波屏滿幅的80%波高。表2是兩種不同人工缺陷的探傷靈敏度對比。
經測試對比得知， 矩形槽的探傷靈敏度較橫孔的高。因此，決定采用矩形槽作為標準人工缺陷。
采用變型橫波斜射法探測超厚壁鋼管的波形顯示明顯區別于常規的橫波反射法，其波形顯示的最大特點是外傷在前、內傷在后（前后是相對始脈沖而言的，靠近始脈沖為前，遠離始脈沖為后），而常規的橫波反射法的波形顯示是內傷在前、外傷在后。實際檢測時，為了使變型橫波能在管壁內呈鋸齒形傳播，通常入射角應略小于允許的最大入射角，使變型橫波與內壁相交，如圖5 所示。例如探測Φ121mm×36mm 規格鋼管所允許的探頭最大入射角為20.02°，實際檢測時則可選擇探頭的入射角為18°。下面以18°探頭入射角探測Φ121 mm×36 mm規格超厚壁鋼管為例， 分析利用變型橫波斜射法檢測時， 內外壁缺陷波在示波屏上的位置（圖6）。
已知α=18°， r=24.5mm， R=60.5mm，由斯奈爾定律可知：
計算內壁缺陷回波在示波屏上出現的位置：
x＝3+84/30=5.8格
實際的內壁缺陷波出現在示波屏6.1格的位置（如圖6b所示）， 與計算出現的位置很接近，這完全可以說明內壁缺陷是由變型橫波檢測到的。
從檢測結果可看出，采用上述探傷方法能夠有效地檢測出超厚壁鋼管中的縱向內外壁缺陷。
調節儀器深度范圍旋鈕和水平移位旋鈕，將始波調至示波屏水平刻度的0格位置，將通波（雙發雙收式探測法）調至示波屏水平刻度的10格位置。探頭放置在帶有標準反射體（矩形槽）的樣管上，使探頭主聲束對準槽口的主反射面，移動探頭找出缺陷的最高反射回波， 調節到80%滿屏高， 記錄下位置和幅度，此時探傷儀上衰減器的讀數即為起始探傷靈敏度。內外壁缺陷應按上述方法分別進行相應的調整。正常探傷時，為了便于探測缺陷，可以在起始靈敏度的基礎上提高6～10dB 作為搜索靈敏度，發現缺陷后，再把衰減器旋回起始靈敏度的讀數位置去比較。調整好探傷靈敏度后， 對鋼管進行周向掃查， 雖然在此入射角下鋼管內同時有折射縱波和折射橫波存在， 但前文已經分析過， 折射橫波的強度很弱，所以采用折射縱波斜射到鋼管外壁上產生的變型橫波來檢測鋼管內壁缺陷。由于內外壁缺陷所在位置不同，對應的聲程也不同，所以缺陷波在示波屏基線上的位置也不同，操作人員根據示波屏上缺陷波的位置，很容易對內外壁缺陷做出正確判斷。
探頭與標準試樣確定后， 首先調整探傷靈敏度， 其次確定探傷鋼管的覆蓋率， 必須保證對鋼管圓周110%的全掃查， 才能對批量的鋼管進行檢測。由于鋼管壁厚較厚， 超聲波在鋼管內傳播時衰減增大， 且鋸齒形傳播時的跨距較大， 導致鋼管圓周方向的鋸齒漏點面大。為了保證超聲波對鋼管內缺陷110%的掃查， 探傷時探頭沿鋼管圓周方向移動的范圍也應相應增大， 且要根據鋼管外徑的大小把整個圓周分為幾個探測面。根據經驗一般至少要探3 個圓周面， 從而保證整支鋼管整個圓周上的縱向缺陷被全部探測到。實際檢測時， 每一次掃查前， 應在管端1/3 圓周處做好標識， 每次掃查范圍為鋼管的1/3 圓周， 且每次掃查應有10%的覆蓋面。
在實際探傷Ф121mm×36mm 規格45MnCrMo鋼鉆鋌管時，縱向內壁缺陷廢品率較高，對其取樣進行理化檢驗分析，結果為夾雜缺陷超標，證實了此探傷方法的有效性。同時，缺陷分析結果也為改進生產工藝提供了理論依據， 通過在生產中采取有效措施， 避免了批量廢品的產生。圖7 所示為鋼管近內壁B 粗類夾雜物放大100 倍后的局部形貌。
（1）對于t/D∧0.2 的超厚壁鋼管， 采用變型橫波斜射法能夠很好地檢測鋼管中的縱向內壁缺陷?？捎谜凵錂M波檢測內壁的方法設計探頭入射角， 但要清楚超聲波在超厚壁鋼管內的傳播路徑， 關鍵在于波形辨認， 以便對內外壁缺陷做出準確判斷。
（2）由于橫波波束在鋼管內傳播時的鋸齒漏點較大， 為了避免漏檢， 探傷時應在整個圓周面上進行多次掃查。
（3）實踐證明， 采用變型橫波斜射法檢測超厚壁鋼管縱向內壁缺陷的效果很好， 儀器調整方便，操作簡單， 缺陷波重復性和穩定性好， 且無明顯雜波影響， 能夠滿足現場探傷需要。
［1］ 史亦韋. 超聲檢測［M］. 北京： 機械工業出版社， 2005：27.
［2］ 李家偉， 陳積懋. 無損檢測手冊［M］. 北京： 機械工業出版社， 2002： 859-860.
［3］ 中國鋼鐵工業協會. GB/T 5777-2008 無縫鋼管超聲波探傷檢驗方法［S］. 北京： 中國標準出版社， 2008.
［4］ 全文下載：
超厚壁鋼管內壁缺陷的超聲波探傷方法研究.pdf
趙仁順： 超厚壁鋼管內壁缺陷的超聲波探傷方法研究
趙仁順（1969－）， 男，高級工程師，質量保證部探傷管理科科長，主要從事鋼管的無損檢測技術管理工作。
Study on Ultrasonic Detection Method for Inner Flaw of Extra-heavy-wall Steel Tube
Zhao Renshun （ Tianjin Pipe （Group） Corporation， Tianjin 300301， China ）
Abstract： Elaborated here in the essay is the ultrasonic detection method--the deformed transversal waveangle beam process as used for inner flaw-detecting of extra-heavy-wall steel tube. With the probe incident angle selected within the range smaller than the first critical angle， the refracted longitudinal wave is obliquely shot on the outer surface of the be to produce deformed transversal wave so as to detect the tube’ s inner longitudinal flaws.
Elaborated are the main aspects of the process as being used to detect extra-heavy-wall tube flaw， covering determinationof the probe incident angle， adjustment of the detection sensibility， and wave shape discrimination， etc.
The effectiveness of the detection process is verified after being actually used to inspect the Ф121mm×36mm tubes.
Key words： Extra-heavy-wall steel tube； Ultrasonic detection； Deformed transversal wave； Probe incident angle； Wave shape discrimination.
