厚壁管超声波检测技术：纵向与分层缺陷的探测策略

在承压设备、高压管道等关键工业领域，厚壁管的服役安全至关重要。超声波检测作为一种核心的无损检测手段，在保障其制造质量与在役完整性方面扮演着不可或备的角色。然而，当管材的壁厚-外径比（t/D）增大到一定程度时（例如，对于钢管，该比值超过0.23），常规的超声横波检测方法会遭遇瓶颈，其声束可能无法有效覆盖管材的内壁，形成检测盲区。面对这一挑战，检测工程师必须采用更具针对性的技术方案。

一、 纵向内壁缺陷的探测方法

当标准横波法难以触及内壁缺陷时，业界发展出了几种行之有效的替代或补充方法，每种方法都有其独特的声学原理和适用场景。

1. 纵波斜射切内壁法

在横波检测受限的情况下，纵波斜射法提供了一种可行的路径。该方法采用低于第一临界角的小角度进行斜向入射（如图1所示）。在此条件下，声波进入管壁后会同时产生折射纵波和折射横波，但纵波能量占据主导，成为缺陷检测的主要载体。

图1 纵波斜射法示意图

此法的主要挑战在于回波信号较为复杂，对操作者的判读能力要求较高。不过，它有一个巧妙的区分信号的技巧：当探头与管材的相对位置固定，仅管材旋转时，由管壁几何形状产生的结构回波，在屏幕上仅表现为幅度的周期性变化，其在时间轴上的位置是固定的；而真正的缺陷信号，则会随着管材的转动在时间基线上发生“游动”。

2. 变形横波切内壁法

此方法利用变形横波声束与管材内壁相切或相交进行扫查（如图2所示）。声束的中心轴线（BC）与内壁相切，这意味着声束轮廓线的一部分（B₁C₁）会与内壁发生作用，而另一部分（B₂C₂）则与内壁分离。声能主要集中在与内壁相切的区域，因此，能够从缺陷处反射回来的信号能量相对较弱，检测灵敏度受到一定限制。

图2 变形横波切内壁法的扫查区域

3. 变形横波端角反射法

对于厚壁管内壁近乎垂直的裂纹类缺陷，变形横波端角反射法展现出了卓越的性能。从波动声学的角度分析，当平行入射的变形横波遇到倾角在85°~95°之间的裂纹时，其端角反射波的指向性会出现一个非常明显的峰值，有利于信号的接收。

该方法最核心的优势在于巧妙利用了厚壁管外壁的曲率，对声束在管材内表面附近起到了天然的汇聚作用（如图3所示），显著增强了声能的集中度，从而大幅提升了检测灵敏度。

图3 变形横波端角反射法示意图

实践证明，变形横波端角反射法不仅能高效、精准地检出厚壁管内壁的微小裂纹（现场可检出0.5 mm深的裂纹），并进行定位和定量分析，还能有效识别缩松、夹杂物等体积型缺陷。它对管材外壁的粗糙度要求不高，使其在现场应用中更具实用价值。

方法性能对比

实验数据直观地揭示了这三种方法的灵敏度差异。如图4所示，在相同条件下对不同深度的人工槽进行检测，变形横波端角反射法（曲线1）的回波灵敏度最高，其次是小角度纵波切内壁法（曲线2），而变形横波切内壁法（曲线3）的灵敏度最低。

图4 三种方法对不同深度槽的回波灵敏度比较 （1—2.5MHz, 入射角14°探头, 变形横波端角反射法；2—2.5MHz, 入射角11°探头, 小角度纵波切内壁法；3—2.5MHz, 入射角20°探头, 变形横波切内壁法）

从上述分析可见，选择合适的检测方法、优化探头参数以及准确判读回波信号，是确保厚壁管检测质量的关键。这些环节不仅需要深厚的理论知识，更依赖于丰富的实践经验。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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二、 横向缺陷的检测

对于管材中的横向缺陷，其检测策略与纵向缺陷有显著不同，通常需要采用特定的探头布置和扫查方式，具体方法可参考相关的检测标准与技术手册。

三、 纵向分层的检测

大口径厚壁管的纵向分层缺陷，通常采用单探头纵波水浸法进行检测。在实施反射法检测时，为了避免管材表面多次回波对底波信号的干扰，需要对水层距离进行精确控制。

一个基本的原则是，水层距离至少应为声波在钢中垂直传播声程的1/2。这个设定的依据是声速差异：水中的声速约为1500 m/s，而钢中纵波声速高达约5800 m/s。满足这一水距条件，可以有效将表面多次回波与来自缺陷或底面的主回波在时间上分离开。

另一个要点是，应确保探头的近场区留在水中，使进入钢管的是声场分布更均匀的远场超声波。如果采用聚焦探头，水层距离则直接由探头的焦距决定，以确保声束在关心的深度上实现最佳聚焦。