薄壁管缺陷的超声横波探伤：原理与实践

日期：2025-07-28 浏览：7

薄壁管缺陷的超声横波探伤：原理与实践

在工业管道、热交换器管以及航空航天等关键领域，薄壁管的结构完整性至关重要。这些管材在制造和服役过程中，最常见的缺陷类型是与管轴平行的纵向裂纹。因此，发展一套可靠、高效的检测方法，成为保障设备安全运行的基石。超声波横波斜入射接触法，正是应对这一挑战的主流技术。它通过将声束垂直于管轴引入，实现对纵向缺陷的有效探测。

1. 横波检测的物理基础与几何约束

要精确地进行检测，首先必须理解超声波在薄壁管这一特殊曲面介质中的传播行为。当超声波束通过探头斜楔，以特定的折射角θ进入管材，并投射到管子内表面时，其几何关系比平板检测要复杂得多。

图1 折射角与内表面入射角的关系

如图1所示，声束的传播路径由管材外径D、壁厚t、探头在工件中的折射角θ以及声束在内壁的入射角θ₁共同决定。这些参数之间的关系可以通过以下公式描述：

$$ /overline{OQ} = /frac{D}{2}/sin /theta = /left(/frac{D}{2} - t/right)/sin /theta_{1} $$

由此可推导出内表面入射角θ₁的计算式：

$$ /sin /theta_{1} = /frac{/sin/theta}{1 - /frac{2t}{D}} $$

这个公式揭示了一个核心问题：对于给定的探头折射角θ和管径D，是否存在一个壁厚t的极限，使得声束恰好无法到达内壁？当内表面入射角θ₁达到90°时，声束将沿内壁切向传播，无法有效反射。此时对应的壁厚与外径之比，我们称之为临界值[t/D]₀。超过这个临界值，横波检测将失效。该临界值由下式确定：

$$ /left[/frac{t}{D}/right]_0 = /frac{1 - /sin/theta}{2} $$

以常见的有机玻璃斜楔和钢管组合为例（有机玻璃纵波声速 ≈ 2.7 km/s，钢中纵波声速 ≈ 5.85 km/s，横波声速 ≈ 3.2 km/s），为了在钢管中激发纯净的横波以减少杂波干扰，钢中的折射角θ必须大于第一临界角。计算表明，要满足此条件，sin θ的最小值约为0.55。将此值代入临界值公式，可得：

$$ /left[/frac{t}{D}/right]_0 < /frac{1 - 0.55}{2} = 0.225 /approx 23/% $$

这意味着，如果管材的壁厚与外径之比超过23%，常规的横波斜射法可能无法有效扫查到内壁缺陷。当然，这只是基于声束中心轴线的理论计算。在实际操作中，由于声束存在一定的宽度，即便轴线偏离，声束边缘仍可能探测到内壁缺陷，但检测灵敏度会相应降低。为了保证稳定的声耦合，探头斜楔的曲面必须与管材外表面精密吻合，这一点在实际操作中尤为重要。

2. 管材曲率对声程与跨距的修正

与平板工件相比，超声波在管壁内的传播路径（声程）和一次反射的水平距离（跨距）会因曲面而发生改变。如图2所示，横波在管壁中沿PQR路径行进时，其跨距明显长于同等厚度的平板，且t/D比值越大，这种差异越显著。

图2 管壁中声束的传播路径与跨距变化

对于平板，0.5倍跨距的声程W₀和1倍跨距的长度Y₀为：

$$ /left/{ /begin{array}{l}W_{0} = /frac{t}{/cos/theta}// Y_{0} = 2t/tan /theta /end{array} /right. $$

对于管材，实际的声程W_t和跨距Y_t则需要引入修正系数K和m：

$$ /left/{ /begin{array}{l}W_{/mathrm{t}} = KW_{0} // Y_{/mathrm{t}} = mY_{0} /end{array} /right. $$

修正系数K和m是与t/D比值和折射角θ相关的函数，其关系曲线如图3所示。从图中可以看出，当t/D比值接近临界值[t/D]₀时，跨距的修正系数m会急剧增大，这意味着缺陷定位的误差会变得非常显著。因此，在进行缺陷定量分析时，必须对这一影响予以充分考虑。

图3 不同折射角(θ)下，跨距修正系数(m)与声程修正系数(K)随t/D比值的变化关系

3. 检测方法的优化与实施

3.1 双探头横波接触法

实际生产中的纵向缺陷往往不与管材表面完全垂直，可能存在一定的倾斜角。若使用单探头检测，仅从一个方向扫查可能会因反射角不佳而漏检。传统的做法是从正、反两个方向分别进行扫查，效率较低。

双探头法则提供了一个更优的解决方案。如图4所示，两个探头背向并列放置，同时作为发射和接收单元。这样，声束能同时从两个方向入射到工件中。无论缺陷如何倾斜，总有一个方向的声束能以接近垂直的角度入射到缺陷面，从而获得最佳的反射信号。此外，这种配置中的一个探头信号可以作为参考信号，用于监视耦合状态的稳定性，确保扫查的覆盖完整性。

图4 双探头横波接触法示意图

3.2 参考样管：建立可靠的检测基准

任何定量的无损检测都离不开可靠的参考标准。在薄壁管检测中，参考样管的制作和使用是校准仪器、设定验收标准的核心环节。

制作要求：参考样管应采用与被检工件材质、外径、壁厚、表面粗糙度均相同或相近的无缺陷管材制作。

人工缺陷：人工缺陷的类型和尺寸需遵循相关技术文件的规定。常见的有V形、U形或矩形槽。例如，可在样管的内、外壁分别加工深度为壁厚5%或10%的刻槽。对于不同壁厚的小直径薄壁无缝钢管，其径向U形槽的尺寸有更精细的规定：

壁厚t ≤ 1 mm：槽深(0.05 ± 0.005) mm，槽口宽 ≤ 0.07 mm。
1 mm < t ≤ 1.5 mm：槽深(0.075 ± 0.005) mm，槽口宽 ≤ 0.10 mm。
1.5 mm < t ≤ 2.0 mm：槽深(0.10 ± 0.01) mm，槽口宽 ≤ 0.15 mm。

图5 两种不同深度的人工切槽示例 (300×)

必须清醒地认识到，人工缺陷的反射特性与天然缺陷存在巨大差异。即便是形状、尺寸相近的人工槽，其反射幅度也可能因声束频率、角度和振动模式的不同而大相径庭。因此，不能简单地将仪器响应与缺陷的严重程度直接划等号。建立仪器响应与缺陷真实尺寸、形状、位置之间的关系，是一项复杂而重要的工作，需要大量的试验数据支撑。

要获得精确、可重复的检测结果，从参考样管的精密加工到检测参数的优化，再到最终数据的解读，每一个环节都要求深厚的专业知识和实践经验。这正是专业检测实验室的核心价值所在。精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测无损检测与缺陷评价，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

3.3 现场检测的关键步骤

选择折射角：根据t/D比值选择合适的折射角，目标是使探头对内外壁人工刻槽的检测灵敏度大致相同。作为初步调整，当t/D ≥ 0.1时，可选用45°折射角。
设定检测范围：仪器屏幕上显示的范围应至少能覆盖从外壁到内壁一次反射的完整声程。
调节灵敏度：依据技术文件要求，将内外壁人工缺陷的回波调整到规定的高度。若两者波高接近，以较低者作为判废基准；若因声程衰减和曲率影响导致波高差异较大，则应分别设定判废高度。