隨著社會的發展，鋼管的需求量越來越大，尤其是一些廣泛應用于航空、軍工、原子能與空間技術等領域的高精度、薄壁、高強度鋼管的需求量逐步增加。鋼管生產中存在的缺陷，以及這些缺陷潛在的危害已成為大家關注的焦點。本文結合理論分析和實際檢測實驗，探討了超聲波探傷技術在薄壁小管徑鋼管分層自動檢測應用中的可行性。實驗結果表明，利用超聲波探傷儀，可實現薄壁小管徑鋼管分層自動檢測。

1.水浸法超聲波檢測原理

小口徑、薄壁鋼管由于曲率大、管壁薄，在自動化檢測中采用直接接觸法檢測難以實現，故一般采用水浸法超聲波檢測。其檢測原理是：將水浸超聲波縱波聚焦探頭置于水中。利用超聲波縱波聚焦探頭發出的超聲縱波垂直入射到鋼管管壁中，當聲波遇到管壁中的分層缺陷時，產生反射回波，反射波沿原路返回被探頭接收。如圖1所示。

圖1 水浸法超聲波檢測分層原理圖

2.檢測參數的選擇

在實際檢測中，由于聲波是垂直入射到鋼管表面，因此鋼與水的界面回波很強，造成回波中界面波很寬，檢測盲區大。尤其是在檢測薄壁管時，界面波甚至覆蓋一次底面回波，使分層檢測無法實施。為解決這個問題，需調整檢測參數，提高檢測的分辨率。在水浸法超聲波檢測中，與檢測分辨率相關的參數有：探頭參數（包括頻率、晶片尺寸、聚焦探頭的焦距）、儀器參數（包括脈沖寬度、檢波方式、匹配等）。

2.1 探頭參數的選擇

2.1.1探頭頻率    超聲波縱波可檢出的最小缺陷尺寸與探頭頻率有關，即頻率越高，檢測的靈敏度和分辨率越高。為提高檢測的分辨率應盡量選擇高頻探頭，但頻率越高，聲波在水中的衰減也越大，這又直接影響到了超聲波的回波幅度，不利于檢測靈敏度的提高。綜合考慮，探頭頻率選在5～10 MHz較為合適。

2.1.2探頭的晶片尺寸   晶片尺寸越大，聲波的指向性越好，但檢測的分辨率越差。同時晶片尺寸的大小也與檢測效率有關，即探頭的有效檢測區域越大，則檢測效率越高。在自動化檢測分層時，為了不漏檢，通常選用的線聚焦探頭軸線晶片尺寸為被檢測平底孔直徑的2倍。對于點聚焦探頭，其情況視其要求的有效檢測區域而定。

2.1.3聚焦探頭的焦距   在小口徑鋼管檢測中，為保證聲束兩側的一致性，通常探頭水中焦點與鋼管的圓心重合，即F=H+R，F為探頭水中焦距，H為水層厚度，R為鋼管半徑。其中H作為中間耦合劑的水層厚度在縱波檢測中應使水、鋼的二次界面波S2出現在底波B1之后。同時H還應小于聲場的近場區N，以避免聲束在入射面發生大量的散射而使探傷靈敏度降低，即N>H>(VL1/VL2)T。VL1=1450 m/s為水中縱波聲速，VL2=5850 m/s為鋼中縱波聲速。在這里需要指出的是對于一些薄壁管的分層檢測，當鋼/水一次界面波S1與底波B1無法分開時，適當調整水層厚度，可選用2~3次傷波探傷，特別是對于據與管壁中間的分層，由于聲波的干涉效應，3~4次分層回波最高，探傷效果最佳。如圖2所示。

圖2 超聲波水浸法探傷波形圖

2.2 儀器參數的選擇

2.2.1脈沖寬度

在小口徑鋼管檢測中，應選擇合適的窄脈沖，雖然會減小發射能量，但可提高分辨率。

2.2.2檢波方式

通常的超聲波檢測中，檢波方式都選用全波，主要是可提高靈敏度和信噪比。但由于聲波的正半周和負半周很難一致，全波整流后，回波信號會變寬，檢測分辨率會降低。因此，在小口徑鋼管檢測時，可選擇半波整流。至于是選擇正半波整流，還是負半波整流，可根據現場試驗而定。

2.2.3匹配  探頭良好的匹配，可提高發射功率，降低干擾噪聲，進而提高檢測靈敏度和分辨率。具體實施是探頭線選用50 ?的同軸電纜，在其間加一個匹配電感。這里所用的匹配是利用變壓器實現的，它是由兩條或多條等長導線彼此緊靠并纏繞到高磁導率磁芯上組成。其設計理論較復雜,其參數通常根據經驗公式和實際調試效果進行選取。決定其性能的參數主要包括:繞組特性阻抗、磁芯磁導率、繞組導線長度、繞組匝數（取決于繞組的長度和單位長度上的雙絞股數）等。

3.檢測實驗

3.1 實驗條件

樣管：Φ12 mm×1.0 mm的不銹鋼管。

人工缺陷：Φ6.0 mm平底孔，埋藏深度0.5 mm。

超聲探頭：水浸線聚焦探頭，探頭頻率：8 MHz，水中焦距：25 mm，晶片尺寸：12 mm×10 mm，12 mm為軸向尺寸。

藕合介質：采用過濾循環水，要求水質盡量接近純凈水，水溫盡量保持在20～25 ℃。

檢測設備：如圖3所示。

圖3 NC-89型旋轉頭超聲波檢測系統

檢測系統為16通道超聲波旋轉頭系統，旋轉頭的超聲信號穩定，抗干擾強。其中4個檢測縱傷探頭，8個檢測橫傷探頭，4個檢測分層和壁厚探頭。

3.2 實驗參數的設置

（1）水層厚度：為保證聲波理論焦點在鋼管圓心處，水層厚度應為19 mm。

（2）脈沖寬度：根據實際調整，脈沖寬度在0.18 μs是回波脈沖較窄，分辨率最高。

（3）檢波方式：正半周動態實驗檢測方式為探頭高速旋轉，鋼管直線前進。

3.3 實驗結果

3.3.1靜態檢測結果  如圖4所示，由于管壁較薄，鋼/水一次界面波S1與底波B1間距太小，分層缺陷的回波很難分辨。為了保障自動化檢測的效果，我們選用三次缺陷回波為自動化檢測的探傷依據，從圖中可見分層缺陷的回波清晰可辨。

圖4 靜態檢測波形圖

3.3.2動態檢測結果

如圖5所示，從檢測結果可以看到，此套裝置完全滿足小徑薄壁管的自動化分層檢測要求。

圖5 動態檢測波形圖

在這里需要指出的是在自動化檢測時，為了保證不漏檢，必須把檢測速度（即鋼管直線前進速度）控制在一個極值下。檢測速度與旋轉頭轉速和探頭有效檢測范圍（即檢測螺距）有關，本文所用設備的旋轉頭轉速可達1200轉/分鐘，檢測螺距為6 mm×4=24 mm。則這套設備的最高檢測速度為1200×24=28.8 m/min。實際檢測中，檢測速度保持在24～25 m/min，未發生漏檢現象。

4.結語

本文針對小徑薄壁管的自動化分層檢測難題，提出了一整套解決方案，并通過了具體實驗驗證，證明了此套方法的可行性，可以為相關的自動化檢測項目提供參考。