超声课件5板材和管材检测-2013

超声课件5板材和管材检测-2013第一页，共86页。第五章板材和管材超声检测本章主要内容：板材超声检测复合钢板超声检测管材超声检测

Ⅱ级人员需要掌握的内容：

钢板检测：检测方法探头与扫查方式的选择探测范围和灵敏度的调整缺陷的判别与测定钢板质量级别的判别第二页，共86页。第五章板材和管材超声检测

§5.1板材超声检测

5.1.1钢板加工及常见缺陷普通钢板由板坯轧制而成，板坯可用浇铸法或由坯料轧制或锻造制成。普通钢板包括碳素钢、低合金钢、奥氏体不锈钢板、镍及镍合金板材以及双相不锈钢板材等。钢板中的常见缺陷有分层、折叠、白点和裂纹（一般较少见）等。

分层:

板坯中的缩孔、夹渣等缺陷在轧制过程中未熔合而形成的分离层，大都平行于板面。分层破坏了钢板的整体连续性，影响钢板承受垂直板面的拉应力作用的强度。

折叠:

钢板表面局部形成的互相折合的双金属层，通常平行于钢板表面。第三页，共86页。第五章板材和管材超声检测白点:

钢板在轧制后冷却过程中氢原子来不及扩散而形成的，其断面呈白色，多出现在厚度大于40mm的厚钢板中。图5-1钢板中的常见缺陷超声检测中常将钢板分为薄板和中厚板。薄板:

板厚δ＜6mm，常用板波检测法。中厚板:

板厚δ≥6mm（中板δ=6～40mm，厚板δ＞40mm）,常采用纵波直探头垂直入射法检测。第四页，共86页。第五章板材和管材超声检测

5.1.2检测方法检测方法:脉冲反射式垂直入射法耦合方式:直接接触法和水浸法

1.直接接触法探头通过薄层耦合剂与工件接触进行检测。如图5-2

所示，当探头位于完好区时，示波屏上显示图5-2钢板接触法检测

多次等距离的

a）无缺陷b）小缺陷c）大缺陷第五页，共86页。第五章板材和管材超声检测底波，无缺陷波；当板中缺陷较小时，示波屏上缺陷波与底波共存，底波有所下降；当板中缺陷较大时，示波屏上出现缺陷波的多次反射，底波明显下降或消失。

叠加效应当板厚较薄且板中缺陷较小时，各次底波之前的缺陷波开始几次逐渐升高，然后再逐渐降低的现象。产生原因是由于不同反射路径声波互相叠加造成的，如图5-3所示。图中F1只有一条路径，F2比F1多三条路径，F3比F2多五条路径。路径多，叠加能量多，缺陷回波高。但当路径进一步增加时，衰减也迅速增加，这时衰减的影响比叠加效应更大，因此缺陷波升高到一定程度后又逐渐降低。在钢板检测中，若出现叠加效应，一般应根据F1来评价缺陷。只有当板厚δ＜20mm时，才以F2来评价缺陷，以减小近场区的影响。第六页，共86页。第五章板材和管材超声检测图5-3叠加效应第七页，共86页。第五章板材和管材超声检测

2.水浸法（充水耦合法）探头与钢板不直接接触，而是通过一层水来耦合。通过调整水层厚度，使水/钢界面（钢板上表面）回波分别与钢板多次底波重合，这时示波屏上的波形就会变得清晰以利于钢板检测。这种方法称为多次重合法，如图5-4所示。当界面各次回波分别与钢板底波一一重合时，称为一次重合法；当界面各次回波分别与第2、第3、第4、…次钢板底波重合时，称为二次重合法，三、四次重合法，以此类推。水层厚度H与钢板厚度δ的关系：（5-1）第八页，共86页。第五章板材和管材超声检测

图5-4水浸多次重合法第九页，共86页。第五章板材和管材超声检测例如用水浸法检测厚度30mm的钢板，若采用四次重合法检测，则其水层厚度为（mm）应用水浸多次重合法检测不仅可以减小近场区的影响，而且可以根据多次I底波衰减情况来判断缺陷严重程度。一般常用四次重合法。

5.1.3探头与扫查方式的选择

1.探头的选择探头的选择包括探头频率、直径和结构形式的选择。

频率一般选择2.5～5MHz的较高频率的探头第十页，共86页。第五章板材和管材超声检测

直径为提高检测效率，宜选用直径较大的探头。但对于厚度较小的钢板，探头直径不宜过大，因大探头近场区长度大，对检测不利。一般探头直径范围为φ10～25mm。

结构形式主要依据板厚确定。板厚较大时，常选用单晶直探头；板厚较薄时可选用双晶直探头，以减少探头盲区的影响。双晶直探头主要用于检测厚度为6～20mm的钢板。探头数量根据需求确定，钢板生产厂一般选择多探头多通道检测，以提高检测效率。承压设备用钢板超声检测一般可按表5-1选择探头。表5-1承压设备用钢板超声检测探头选用

板厚（mm）采用探头公称频率（MHz）探头晶片尺寸6～20双晶直探头5晶片面积不小于150mm2＞20～40单晶直探头5φ14mm～φ20mm＞40～250单晶直探头2.5φ20mm～φ25mm第十一页，共86页。第五章板材和管材超声检测

2.扫查方式选择主要扫查方式包括全面扫查、列线扫查、边缘扫查和格子扫查。

全面扫查对钢板作100%的扫查，每相邻两次扫查应有10%重复扫查面，探头移动方向垂直于钢板压延方向。全面扫查用于要求较高的钢板检测。

列线扫查在钢板上划出等距离的平行列线，探头沿列线扫查。一般列线间距不大于100mm，并垂直于压延方向。

边缘扫查在钢板边缘的一定范围内作全面扫查，如图5-5b所示，在钢板四周50mm范围内作全面扫查。

格子扫查如图5-5c所示，在钢板边缘50mm范围内作全面扫查，其余按200mm×200mm的格子线扫查。第十二页，共86页。第五章板材和管材超声检测

图5-5钢板检测扫查方式

a）列线扫查b）边缘扫查c）格子扫查

3.扫查速度选择应根据所使用的仪器的脉冲重复频率和响应速度调节扫查第十三页，共86页。第五章板材和管材超声检测速度，对于液晶显示屏和其他响应速度较慢的仪器，使用较小的扫查速度。手工检测时，扫查速度一般在0.2m/s以内。水浸自动监测系统的最大扫查速度与要求检出的最小缺陷尺寸、所检钢板厚度以及超声检测仪器限定的脉冲重复频率有关。检测时，为避免因前一个脉冲的多次回波干扰形成幻象波，超声脉冲之间的间隔时间，至少应大于超声波在材料中传播时间（脉冲在材料中往返所需时间）的60倍。脉冲最大重复频率应根据板厚确定。在高速扫查时，脉冲重复频率应足够高，但至少是超声脉冲在钢板中传播时间的3倍，以便最小尺寸的缺陷信号能够显示。第十四页，共86页。第五章板材和管材超声检测

5.1.4检测范围和灵敏度的调整

1.检测范围的调整检测范围的调整一般根据钢板厚度确定。用接触法检测，板厚δ＜30mm时，应能看到B10，检测范围调整至300mm左右；板厚δ≥30mm～80mm时，应能看到B5，检测范围调整至400mm左右；板厚δ＞80mm时,可适当减少底波的次数，但检测范围仍要保证在400mm左右。

2.灵敏度的调整

（1）CBⅠ标准试块法当板厚δ≤20mm时，可采用图5-6所示的CBⅠ标准试块，使之与工件等厚度的底面第一次底波达满刻度的50%，再提高10dB作为基准灵敏度。第十五页，共86页。第五章板材和管材超声检测

图5-6CBⅠ标准试块

（2）CBⅡ标准试块法

当板厚δ＞20mm时，可采用图5-7所示的CBⅡ标准试块，第十六页，共86页。第五章板材和管材超声检测使其φ5mm平底孔第一次回波达满刻度的50%。CBⅡ标准试块的尺寸见表5-2。

表5-2CBⅡ标准试块尺寸单位：mm图5-7CBⅡ标准试块试块编号被检钢板厚度检测面到平底孔的距离s试块厚度TCBⅡ-1＞20～4015≥20CBⅡ-2＞40～6030≥40CBⅡ-3＞60～10050≥65CBⅡ-4＞100～16090≥110CBⅡ-5＞160～200140≥170CBⅡ-6＞200～250190≥220第十七页，共86页。第五章板材和管材超声检测（3）底波法

利用多次底波来调节检测灵敏度。如要求示波屏上出现五次底波，则底波B5达50%即可。当板厚大于探头的3倍近场区时，也可取钢板无缺陷完好部位的第一次底波来校准灵敏度，其结果应与CBⅡ试块一致（通过计算法）。

5.1.5缺陷的判别与测定

1.缺陷的判别钢板检测中，一般根据缺陷波和底波来判别钢板中的缺陷情况。JB/T4730.3-2005规定，发现下列三种情况之一即作为缺陷：（1）缺陷第一次反射波F1≥50%

；（2）底面第一次反射波B1＜100%，缺陷第一次反射波F1与底面第一次反射波B1之比F1/B1≥50%；第十八页，共86页。第五章板材和管材超声检测（3）第一次底波B1＜50%。

2.缺陷的测定检测中发现缺陷以后，应测定缺陷的位置和大小，并估判缺陷的性质。

（1）缺陷位置的测定缺陷位置的测定包括确定缺陷的深度和平面位置。前者可根据示波屏上缺陷波所对应的水平刻度来确定。后者根据发现缺陷的探头位置来确定，并在工件或记录纸上标出缺陷至工件相邻两边界的距离。

（2）缺陷定量钢板中缺陷常用测长法测定其指示长度和面积。JB/T4730.3-2005规定：当F1≥50%或F1/B1≥50%（B1＜100%）时，使F1达25%或第十九页，共86页。第五章板材和管材超声检测

F1/B1达50%时探头中心移动的距离即为缺陷的指示长度（以较严重者为准），探头中心轨迹即为缺陷边界。当B1＜50%时，使B1达50%时探头中心的移动距离即缺陷指示长度，探头中心轨迹即为缺陷边界。用双晶直探头确定缺陷的边界范围或指示长度时，探头的移动方向应与探头的隔声层相垂直。

（3）缺陷性质的估判分层：缺陷波形陡直，底波明显下降或消失。折叠：不一定有缺陷波，但底波明显降低，次数减少甚至消失，始波加宽。白点：波形密集尖锐活跃，底波明显降低，次数减少，重复性差。移动探头，回拨此起彼伏。第二十页，共86页。第五章板材和管材超声检测

5.1.6钢板质量级别判定

1.缺陷的评定方法（1）缺陷指示长度的评定规则单个缺陷指示长度是指缺陷指示的最大长度尺寸。若单个缺陷的指示长度小于40mm时，可不作记录。（2）单个缺陷指示面积的评定规则缺陷指示面积是指缺陷边界范围内的面积。一个缺陷按其指示的面积作为该缺陷的单个指示面积；多个缺陷其相邻间距小于100mm或间距小于相邻较小缺陷的指示长度（取其较大者）时，以各缺陷面积之和作为单个指示面积。指示面积不计的单个缺陷见表5-3。（3）缺陷面积百分比的评定规则第二十一页，共86页。第五章板材和管材超声检测在任一1m×1m检测面积内，按缺陷面积所占的百分比来确定。如钢板面积小于1m×1m，可按比例折算。

2.钢板质量分级

JB/T4730.3-2005根据缺陷指示长度与缺陷指示面积不同将钢板质量分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五级，Ⅰ级最高，Ⅴ级最低。分级方法见表5-3。表5-3钢板质量分级等级单个缺陷指示长度（mm）单个缺陷指示面积（cm2）在任一1m×1m检测面积内存在的缺陷面积百分比%以下单个缺陷指示面积不计（cm2）Ⅰ＜80＜25≤3＜9Ⅱ＜100＜50≤5＜15Ⅲ＜120＜100≤10＜25Ⅳ＜150＜100≤10＜25Ⅴ超过Ⅳ级者第二十二页，共86页。第五章板材和管材超声检测在坡口预定线两侧各50mm（板厚δ＞100mm时，以板厚的一半为准）内，缺陷的指示长度≥50mm时，应评为Ⅴ级。在检测过程中，若检测人员确认钢板中有白点、裂纹等危害性缺陷时，应评为Ⅴ级。

【例】超声检测1m2甲、乙两钢板。甲钢板有以下缺陷：90cm22个，60cm22个，20cm23个，各缺陷间距均＞100mm。乙钢板有以下缺陷：40cm22个，间距为80mm；30cm28个，间距为100mm。试根据JB/T4730.3-2005标准评定甲、乙钢板的质量级别。

解：（1）甲钢板评级①按单个缺陷评级最大单个缺陷面积为90cm2。标准中规定，面积＜50cm2为Ⅱ级；面积＜100cm2为Ⅲ级。故评为Ⅲ级。第二十三页，共86页。第五章板材和管材超声检测②按1m2内缺陷总面积占的百分比评级

JB/T4730.3-2005标准规定，Ⅱ级中＜15cm2的单个缺陷不计，Ⅲ级中＜25cm2的单个缺陷不计。这里按Ⅱ级计算缺陷总面积：

F总=90×2+60×2+20×3=360（cm2）

F总占1m2的百分比：

＜5%

评为Ⅱ级。③综合评级根据JB/T4730.3-2005标准，甲钢板应评为Ⅲ级。（2）乙钢板评级①按单个缺陷评级

40cm22个，缺陷间距为80mm＜100mm，以二者之和作为第二十四页，共86页。第五章板材和管材超声检测单个缺陷评级面积，则单个缺陷最大面积为Fm=40×2=80（cm2）。标准中规定，面积＜50cm2为Ⅱ级；面积＜100cm2为Ⅲ级，故评为Ⅲ级。

②按1m2内缺陷总面积占的百分比评级缺陷总面积：

F总=40×2+30×8=320（cm2）

F总占1m2的百分比：＜5%

评为Ⅱ级。③综合评级根据JB/T4730.3-2005标准，乙钢板应评为Ⅲ级。

注：严格讲，该例题不完整，应增加单个缺陷指示长度综合评级才完整！第二十五页，共86页。第五章板材和管材超声检测§5.2复合板超声检测

5.2.1复合材料中常见缺陷复合材料是由母材（基材）与复合层粘合而成。常见的复合材料是在碳钢或低合金钢基材上，粘接不锈钢、钛、铝、铜合金等复合层，以提高钢板的耐腐蚀性能。复合材料一般用轧制、爆炸和堆焊等方法制造。材料中的常见缺陷是脱层（脱接）、裂纹等，脱层即复合层与母材在界面处复合不良。

5.2.2检测方法

复合材料的检测与一般钢板的检测方法基本相同，常用第二十六页，共86页。第五章板材和管材超声检测单晶直探头和双晶直探头进行纵波检测。检测频率一般为2.5～5MHz，探头直径一般不大于φ25mm。

检测灵敏度设置：将复合板完好区的第一次底波B1调至示波屏满刻度的80%即可。检测时，可从基层一侧检测，也可从复合层一侧检测。

5.2.3缺陷的判别

1.两种复合材料声阻抗相近时当复合的两种材料声阻抗相近时，如不锈钢/碳钢复合板，复合良好区基本上无界面回波。若存在脱接缺陷，则在示波屏上出现缺陷波F。第二十七页，共86页。第五章板材和管材超声检测当从母材一侧检测时，若无脱接，则无缺陷波F，只有底波B1；若存在不完全脱接，则在B1前不远处F波出现多次毗连，底波B1降低；若为完全脱接，则F波较强，底波B1消失，如图5-8所示。图5-8从母材侧检测（图中为清楚起见，将垂直波束倾斜画出）

a）完好区b）不完全脱接区c）完全脱接区

第二十八页，共86页。第五章板材和管材超声检测当从复合层一侧检测时，如图5-9所示，若无脱接，则无缺陷波F，只有底波B1；若存在不完全脱接，则底波B1下降，F波多次毗连，并紧随始波T

与底波B1之后；完全脱接时，

F波多次毗连，宽度增加，底波B1消失。图5-9从复合层检测（图中为清楚起见，将垂直波束倾斜画出）

a）完好区b）不完全脱接区c）完全脱接区第二十九页，共86页。第五章板材和管材超声检测

2.两种复合材料声阻抗相差较大时当两种复合材料声阻抗相差较大时，如钛/碳钢复合板，m=Z1/Z2=0.596，r=0.25，即使复合良好区也会出现界面回波，这时缺陷波判别困难。为此常常利用5-10

所示的试块来比较，根据复合界面反射波宽度、高度和底波变化予以判断。图5-10复合材料检测用对比试块第三十页，共86页。第五章板材和管材超声检测当从复合层检测时，需根据复合界面反射波宽度L和底波B1高度来判别复合是否良好。若工件复合界面反射波宽度

L工＜试块上的反射波宽度L波，且工件底波高于试块底波，则复合良好，如图5-11所示。当从母材侧检测时，需根据复合界面反射波S和底波

B1高度来判别复合是否良好。若工件中S波低于试块中S波，工件中底波B1高于试块中B1，则复合良好。反之，复合图5-11从复层材料侧检测

不好。

a）从复层材料侧检测（试块）b）从复层材料侧检测（工件）第三十一页，共86页。第五章板材和管材超声检测

3.未结合区缺陷的测定

JB/T4730.3-2005标准规定，第一次底波高度低于荧光屏满刻度的5%，且明显有未接合缺陷反射波存在时(≥5%)，该部位称为未结合区。移动探头，使第一次底波升高到荧光屏满刻度的40%，以此时探头中心作为未结合区的边界点。以此确定缺陷的边界范围并确定单个缺陷的指示长度和未结合区面积。

图5-12从母材测检测

a）从母材测检测（试块）b）从母材测检测（工件）第三十二页，共86页。第五章板材和管材超声检测对于重要的复合材料，还可以结合底波与复合界面反射波高度的dB差来判别其复合情况。底波与复合界面反射波（复合良好）高度的dB差可由理论计算得到。如图5-10与图5-12所示，当不考虑介质衰减和扩散衰减，且底面全反射时，底波B1与复合界面反射波S（复合良好）的dB差为：（5-2）第三十三页，共86页。第五章板材和管材超声检测式中r—复合界面声压反射率，

T—复合界面声压往复透射率，T=1-r2

若底面不是全反射，其反射率为，则这时底波B1与复合界面反射波S（复合良好）的dB差为：

（5-3）

式中

—底面声压反射率，

【例】超声检测钢/铝复合材料，钢中Z1=45×106kg/m2·s,铝中Z2=17.3×106kg/m2·s，不计介质衰减和扩散衰减，且底面全反射。第三十四页，共86页。第五章板材和管材超声检测则复合界面的声压反射率为：这时底波B1与复合界面回波S的dB差为：

复合材料工件中的底波B1与复合界面回波S（不一定复合良好）的dB差可由实测得到。当实测值大于理论计算值时，说明复合材料存在脱接；当二者相差很小时，说明复合良好。

5.2.4缺陷评定和质量分级

1.未结合缺陷评定方法第三十五页，共86页。第五章板材和管材超声检测（1）.缺陷指示长度的评定一个缺陷按其指示的最大长度作为该缺陷的指示长度。若单个缺陷的指示长度＜25mm时，可不作记录。（2）.缺陷面积的评定多个相邻的未结合区，当其最小间距≤20mm时，应作为单个未结合区处理，其面积为各个未结合区面积之和。（3）.未结合率的评定未结合区总面积占复合板总面积的百分比。

2.质量分级

复合板质量分级按表5-5的规定。在坡口的预定线两侧各50mm的范围内，未结合区的指示长度≥25mm时，定为Ⅳ级。第三十六页，共86页。第五章板材和管材超声检测

表5-5复合板质量分级§5.3管材超声检测

5.3.1管材加工及常见缺陷管材分类等级单个未结合指示长度（mm）单个未结合区面积（cm2）未结合率（%）Ⅰ000Ⅱ≤50≤20≤2Ⅲ≤75≤45≤5Ⅳ大于Ⅲ级者第三十七页，共86页。第五章板材和管材超声检测按加工方法：无缝钢管、焊接钢管按材料：金属管、非金属管按管径：小径管、大径管按壁厚：薄壁管、厚壁管普通钢管的加工成型有穿孔法和高速挤压法。穿孔法是用穿孔机穿孔，并同时用轧辊滚轧，最后用芯棒轧管机定径压延平整成型。高速挤压法是在挤压机中直接挤压成型，这种方法加工的钢管尺寸精度高。无缝钢管中的主要缺陷有裂纹、折叠、分层和夹杂等。厚壁大口径钢管也可由钢锭经锻造、轧制等工艺加工而成。锻轧管的常见缺陷与锻件类似，一般为裂纹、白点、重皮等。焊接钢管是先将检测合格的板材卷成管形后，再用电阻第三十八页，共86页。第五章板材和管材超声检测焊或埋弧自动焊焊接而成。这种方法多用于加工大口径薄壁钢管。焊管中的缺陷主要为焊接接头缺陷，一般为裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透等。管材中的缺陷大多与管材轴线平行，在无缝管中也可能存在与管材轴线垂直的缺陷。从超声检测的角度，一般将外径D0＞100mm的管材称为大直径管，将外径D0≤100mm的管材称为小直径管；将壁厚与管外径之比K≤0.2的金属管材称作薄壁管，K＞0.2的金属管材称作厚壁管，薄壁管和厚壁管的区分，是以折射横波是否能到达管材内壁来确定的。

5.3.2管材横波检测技术基础

1.周向横波检测的实现条件第三十九页，共86页。第五章板材和管材超声检测管材中的主要缺陷为平行于管轴的径向缺陷（纵向缺陷），无缝管中也可能存在与管轴垂直的径向缺陷（横向缺陷），检测的最重要目的是检测内、外壁的纵向裂纹，沿外圆作周向扫查的横波检测是其主要检测方式。实际检测时，为使管材中存在的波形单一，形成的A显示波形清晰简单，通常将超声声束的入射角选择在第一临界角和第二临界角之间，使管材中仅有横波存在，以便于缺陷信号的正确判断。如图5-13所示，当超声波束以纵波入射角α进入管材（壁厚为t，外径为D），折射角为β，声束按锯齿形路径传播，入射到管材内壁时，入射角为β1，将折射声束的轴线PQ延长，并由圆心O引垂线与该延长线相交于q。由直角三角形PqO和QqO，推导可得到关系式:

（r为内半径，R为外半径）第四十页，共86页。第五章板材和管材超声检测图5-13斜角入射纵波检测时管材中横波折射角及主声束传播情况当β1=90°时，声束轴线与管子内壁相切，为声束到达内壁的临界状态。此时，折射角满足下列关系：第四十一页，共86页。第五章板材和管材超声检测（5-4）因此，从几何关系上推导得出的声束到达内壁的条件为：

由第一临界角公式可知，产生纯横波的条件是：式中cL1—入射介质中的纵波速度

cL2—管材中的纵波速度结合上述两个条件，要在管材中得到纯横波并到达内壁，入射角必须满足以下条件：第四十二页，共86页。第五章板材和管材超声检测（5-5）式中cs2—管材中的横波声速上式并非在任何条件下均可成立，其成立的条件是：所以，管材中超声声束为纯横波，声束可到达管内壁的前提条件是：（5-6）对于钢管，纵波速度为5850m/s，横波速度为3240m/s，sinβ=0.55，(t/D)临界=0.23。对于铝管和铜管，该值稍第四十三页，共86页。第五章板材和管材超声检测大，约为0.25和0.26。粗略地估计金属管材能否用横波检测时，通常以厚度与外径之比是否小于0.2作为判据，小于0.2则认为可以检测，并称这样的管材为薄壁管。

注意：上述结果是以声束轴线扫查到管内壁为依据的。事实上，由于声束具有一定的宽度，即使声束轴线稍偏离管子内壁，扩散声束仍有可能检测到管材内壁的缺陷，但此时灵敏度将会下降。

2.周向检测时缺陷定位与修正横波轴向检测管材时，缺陷定位与平板工件类似。但横波周向检测时，缺陷定位与平板工件不同，必须予以修正，如图5-14所示。为便于计算，特引进声程修正系数μ和跨距修正系数m。其中：第四十四页，共86页。第五章板材和管材超声检测声程修正系数μ和跨距修正系数m可由相关图表查得。管材缺陷大多出现在内外壁上。内壁缺陷可用一次波检测到，外壁缺陷可用二次波检测到。一次波检测发现内壁缺陷时，缺陷定位计算公式为：图5-14横波周向检测管材与平板第四十五页，共86页。第五章板材和管材超声检测（5-7）

二次波检测发现外壁缺陷时，缺陷定位计算公式为：（5-8）式中μ—声称修正系数

m—跨距修正系数

T—管材壁厚，mmβ—探头折射角，°

3.探头入射点与折射角的测定管材检测中，为了实现良好的耦合，常将探头修磨成与第四十六页，共86页。第五章板材和管材超声检测管材曲率半径相同的曲面，如图5-15所示。但这时探头的入射点和折射角将发生变化，因此需要用特殊的方法和试块重新测定入射点和折射角。

（1）入射点的测定（棱角反射法）

如图5-16所示，将探头楔块的圆弧置于试块的棱角上，前后移动探头，使棱角反射波最高时试块棱角处所图5-15曲面探头对应的点即为探头的入射点。第四十七页，共86页。第五章板材和管材超声检测

图5-16入射点测定图5-17折射角测定（2）折射角的测定先加工一实心圆柱体试块，试块的材质、曲率半径与被探管材相同，在试块表面附近加工一φ1.5×20mm的横孔，如第四十八页，共86页。第五章板材和管材超声检测图5-17所示。将探头置于试块上，前后移动探头，找到φ1.5mm横孔的最高波，测定探头入射点A到φ1.5mm横孔的距离b，并连接过入射点A的直径AB，这时∠BAC即为探头的折射角β。由b=AB·cosβ=D·cosβ得（5-9）式中D—圆柱试块的直径，mm

探头的折射角也可由图5-18所示的试块测得。该试块的材质、外径和壁厚与被探管材相同，试块内外壁各加工一个同深度的小槽。设探头楔块中的声程为δ，则示波屏上一次波的声程a=Ws+δ，二次波的声程b=2Ws+δ。试块内一次波声程Ws为：第四十九页，共86页。第五章板材和管材超声检测（5-10）式中b—示波屏上试块内壁小槽对应的读数

a—示波屏上试块外壁小槽对应的读数在图示的△OBA中，由余弦定理得探头折射角为：（5-11）式中t—试块的壁厚，mmWs—试块中一次声程，mmD—试块的外径，mm

图5-18折射角测定第五十页，共86页。第五章板材和管材超声检测

4.精确的探头入射点与折射角测定推荐方法

（1）采用与工件曲率相同的对比试块测定将探头置于如图5-19所示的对比试块Ⅰ上，测出横孔直射波与第一次反射波最大值所对应的简化水平距离、，根据对比试块曲率半径R、壁厚δ，计算出和

δ/2R的值，从图图5-19曲面对比试块Ⅰ5-20查出折射角β。然后将图5-21所示的中心发现仪角度第五十一页，共86页。第五章板材和管材超声检测图5-20折射角β与δ/2R、图5-21利用中心发现仪在对比的关系试块Ⅰ上测入射点指针拨到β值，并使指针线通过试块横空中心，则中心发现第五十二页，共86页。第五章板材和管材超声检测仪上β角顶点对应的点即为探头的入射点。

（2）采用与工件曲率不同的对比试块测定当工件曲率半径与试块不同时，可利用如图5-22所示的对比试块Ⅱ来测试探头的折射角β和入射点。该试块曲率半径与工件相差＜10%，试块的上下曲率半径不同，共有4种规格，其曲率半径尺寸见表5-6。图5-22曲面对比试块Ⅱ第五十三页，共86页。第五章板材和管材超声检测表5-6不同规格试块的曲率半径单位：mm

折射角β与入射点的测试方法：将探头置于对比试块Ⅱ上，测出第一、第二横孔最大反射波幅对应的简化水平距离、，根据检测面曲率半径r从图5-23（见教材237页图7-24）中查出探头折射角β。然后将图5-24所示的中心发现仪指针拨到β值，并使指针线通过试块横空中心，则中心发现仪上β角顶点对应的点即为探头的入射点。

图5-24利用对比试块Ⅱ测入射点试块编号1234曲率半径r1191212292360曲率半径r2179180230324第五十四页，共86页。第五章板材和管材超声检测

5.3.3小直径薄壁管检测小直径薄壁管一般为无缝管，其主要缺陷是平行于管轴的径向缺陷（称纵向缺陷），有时也有垂直于管轴的径向缺陷（称横向缺陷）。对于管内纵向缺陷，一般利用横波进行周向扫查检测；对于管内横向缺陷，一般利用横波进行轴向扫查检测。如图5-25、5-26所示。

1.接触法检测探头通过薄层耦合介质与钢管直接接触进行检测的方法，一般为手工检测。这种方法设备简单，操作方便，机动灵活性强，但检测效率低。适用于单件小批量及规格多的情况。第五十五页，共86页。第五章板材和管材超声检测图5-26纵向缺陷检测

图5-25纵向缺陷检测接触法检测小口径薄壁管材时，由于其管径小，曲率大,第五十六页，共86页。第五章板材和管材超声检测常规横波斜探头与管材接触面小，耦合不良，导致波束严重扩散，灵敏度低。为了改善耦合条件，常将探头有机玻璃斜楔加工成与管材表面相吻合的曲面。为提高检测灵敏度，还可采用接触聚焦探头来检测。实际检测过程中有机玻璃斜楔磨损较大，斜楔磨损后会引起入射角变化，使检测灵敏度降低，所以检测过程中应增加检测校准的次数。管径小到一定程度还必须由机械装置来保证。

（1）纵向缺陷检测

1）探头检测纵向缺陷的斜探头，应进行加工使之与工件表面吻合良好，探头压电晶片的长度或直径不大于25mm，探头的频率为2.5～5.0MHz。

2）试块检测纵向缺陷的对比试块应选取与被检钢管规格相同，材质、热处理工艺和表面状况相同或相似的钢管制第五十七页，共86页。第五章板材和管材超声检测备。对比试块不得有≥φ2mm当量的自然缺陷，试块长度应满足检测方法和检测设备要求。对比试块上的人工缺陷为60°尖角槽，尖角槽的位置和尺寸见图5-27和图5-27纵向缺陷对比试块表5-7。

3）灵敏度调节把探头置于对比试块上作轴向扫查检测，将试块上内壁尖角槽（V型槽）的最高回波调至示波屏满刻度的80%，再移动探头找到外壁尖角槽的最高回波，在示波屏上标出，二者波峰的连线为距离-波幅曲线，作为基准灵敏第五十八页，共86页。第五章板材和管材超声检测表5-7对比试块上人工缺陷尺寸度。一般在基准灵敏度的基础上提高6dB作为扫查灵敏度。

4）扫查方式探头沿径向按螺旋线进行扫查，螺旋线的螺距不能太大，要保证超声波束对管材进行100%的扫查，并有不少于15%的覆盖。具体有四种方式：一是探头不动，管材旋转的同时作轴向移动；二是探头作轴向移动，管材转动；三是管材不动，探头沿螺旋线运动；四是探头旋转，管材作轴向移动。级别长度l（mm）深度t占壁厚的百分比（%）Ⅰ405（0.2mm≤t≤1mm）Ⅱ408（0.2mm≤t≤2mm）Ⅲ4010（0.2mm≤t≤3mm）第五十九页，共86页。第五章板材和管材超声检测探头沿周向扫查，以使声束在管壁内沿周向呈锯齿形传播，如图5-28所示。

5）评定和验收在扫查过程中，当发现缺陷时，要将仪器调回到基准灵敏度，若缺陷回波幅度≥基准灵敏度，则判为不合格。不合格品允许在公差范围内采取修磨方法进行处理，然后再复检。

图5-28管壁内声束的周向传播第六十页，共86页。第五章板材和管材超声检测

（2）横向缺陷检测

1）探头检测横向缺陷的探头，应进行加工使之与工件表面吻合良好，探头的压电晶片长度或直径≤25mm，频率为2.5～5.0MHz。

2）试块检测横向缺陷的对比试块，同样应选取与被检管材规格相同，材质、热处理工艺和表面状况相同或相似的管材制成。对比试块上的人工缺陷为周向尖图5-29横向缺陷对比试块第六十一页，共86页。第五章板材和管材超声检测表5-8缺陷级别划分单位：mm

角槽，尖角槽的位置和尺寸见图5-29和表5-8。

3）灵敏度调节对于只有外表面人工缺陷的试块，可直接将对比试块上的人工缺陷最高回波调至50%作为基准灵敏度。对于内外表面均有人工刻槽的试块，应将内表面人工缺陷的最高回波调至满刻度的80%，然后找到外表面人工缺陷的最高回波，二者波峰的连线为距离-波幅曲线，该曲线作为基准灵敏度。等级长度（l）人工缺陷深度（t）Ⅰ40公称壁厚的5%，最小为0.2，最大为1.0Ⅱ40公称壁厚的8%，最小为0.2，最大为2.0Ⅲ40公称壁厚的10%，最小为0.2，最大为3.0第六十二页，共86页。第五章板材和管材超声检测一般在基准灵敏度的基础上增益6dB作为扫查灵敏度。

4）扫查方式探头沿轴向按螺旋线进行扫查，以使声束在管壁内沿轴向呈锯齿形传播，如图5-30所示。

5）评定与验收当发现缺陷后，仪器调回到基准灵敏度。若缺陷回波幅度≥基准灵敏度，则该管材为不合格。不合格品允许在公差范围内进行修磨，修磨后复检。合格级别由供需双方商定。图5-30管壁内声束的轴向传播第六十三页，共86页。第五章板材和管材超声检测

2.液（水）浸法检测液浸法检测是将液浸纵波探头置于液体介质中，利用纵波倾斜入射到液/钢界面。当入射角

αⅠ≤α≤αⅡ时，可在钢管中实现纯横波检测，如图5-31所示。常用液体为水，为了增强水对钢管表面的润湿作用，需加入少量的活性剂，为防止钢管生锈，需加入适量的防锈剂。

（1）探头的选择小径管水浸检测，一般采用线聚焦探头。对于薄壁管，为提高检测能力，也可选用点聚焦探头。探头频率一般为图5-31偏心距的确定第六十四页，共86页。第五章板材和管材超声检测

2.5～5.0MHz。聚焦探头声透镜的曲率半径r应符合下述条件：（5-12）式中c1—声透镜中纵波波速，m/sc2—水中波速，m/sF—水中焦距，mm

对于有机玻璃声透镜，c1=2730m/s，c2=1480m/s，则：

（2）检测参数的选择

1）偏心距的选择如图5-31所示，偏心距是指探头声束轴线与管材中心轴线的水平距离，以x表示。入射角α随偏心距x增大而增大，控制x即可控制α。第六十五页，共86页。第五章板材和管材超声检测偏心距范围有两个条件决定：①纯横波检测条件②横波检测内壁条件∵∴综合①、②，得

第六十六页，共86页。第五章板材和管材超声检测又

∴（5-13）对于水浸检测钢管，cL1=1480m/s，cL2=5900m/s，cs2=3230m/s，得到偏心距x的选择条件：（5-14）

可取平均值：（5-15）

式中R—小径管外半径，mmr—小径管内半径，mm

2)水层厚度的选择如图5-32所示，在水浸检测中，要求水层厚度H大于钢管中横波全声程的1/2（即H＞xs）。理由是,第六十七页，共86页。第五章板材和管材超声检测水中cL1=1480m/s,钢中cs2=3230m/s，cL1/cs2≈1/2。当水层厚度H＞钢管中横波全声程的1/2时，水/钢界面的第二次回波S2

将位于管子的缺陷波F内

（一次波）、

F外（二次波）之后，这样有利于对缺陷图5-32水层厚度的选择的判别。第六十八页，共86页。第五章板材和管材超声检测

3）焦距的选择用水浸聚焦探头检测小径管，应使探头的焦点落在与声束轴线垂直的管心线上，如图5-33

所示。在△OAB中，OA=R，

OB=F-B,则（5-16）式中F—焦距，mmH—水层厚度，mmR—钢管外半径，mmx—偏心距，mm

图5-33焦距的确定第六十九页，共86页。第五章板材和管材超声检测

【例1】用有机玻璃聚焦探头水浸检测φ42×4mm小径管。已知cL1=1480m/s，钢中cL2=5900m/s，cs2=3230m/s。求偏心距x、水层厚度H和透镜曲率半径。

解：①求偏心距（平均值）

R=21,r=R-t=21-4=17

（mm）②求水层厚度Ha.求sinα：第七十页，共86页。第五章板材和管材超声检测

b.求sinβs:

c.求钢中横波全声程之半xs

在图5-32的△ABO中，由正玄定理得：，

∵θ最小为90°∴θ=180°-56.7°=123.3°

φ=180°-θ-βs=180°-123.3°-arcsin0.677=14.2°第七十一页，共86页。第五章板材和管材超声检测又由正玄定理的：（mm）

d.水层厚度选取：H＞6.2mm，可取H=10mm。③求焦距F

（mm）④求声透镜曲率半径由F=2.2得：（mm）

【例2】水浸聚焦检测φ60×8mm小径管，声透镜曲率半径=36mm。求偏心距x和水层厚度H。解：①偏心距：

R=30，r=30-8=22第七十二页，共86页。第五章板材和管材超声检测

（mm）②求焦距F：（mm）③求水层厚度H：（mm）

（3）扫查方式水浸检测时探头扫查方式为螺旋线，可采取前述的四种方式。无论哪种方式，螺距都应≤探头声束的有效宽度且应有15%的覆盖率。探头与管材轴向相对移动速度v为：v=nt（n—转速，rad/min；t—螺距，mm）。第七十三页，共86页。第五章板材和管材超声检测实际检测中，因管子均有一定的不直度，检测过程中会造成探头的偏心距x（超声波入射角α）、水层厚度H发生变化，严重影响检测结果。所以，在水浸检测中保持x（α）、H不变化，是保证检测结果的关键。

（4）检测灵敏度的调整和质量评定

调整检测灵敏度的对比试块与接触法相同。调整时，转动水中试块使内外壁人工槽回波均达50%基准高，以此作为基准灵敏度。基准灵敏度基础上提高6dB作为扫查灵敏度。检测中，当缺陷回波≥基准灵敏度时，应判为不合格。不合格品允许在壁厚的公差范围内进行修磨，然后再复检。第七十四页，共86页。第五章板材和管材超声检测

5.3.4大直径薄壁管检测

超声检测中，大口径管一般指外径Do＞100mm的管材。大口径管曲率半径较大，探头与管壁声耦合较好，通常采用接触法检测，批量较大时也可采用水浸检测。接触法检测时，若管径较小，为实现更好的声耦合，也需将探头斜楔磨成与管材表面相吻合的曲面，也可在探头前加装与管材吻合良好的滑块，如图5-34所示。大口径管成型方法较多，图5-34探头前加装滑块

第七十五页，共86页。第五章板材和管材超声检测如穿孔法、高速挤压法、锻造法和焊接法等，因此大口径管内缺陷比较复杂，既可能有平行于轴线的径向和周向缺陷，又可能有垂直于轴线的径向缺陷。常用的检测方法有：纵波垂直入射检测法、横波周向、轴向检测法。

（1）纵波垂直入射检测法如图5-35所示，对于与管轴平行的周向缺陷，一般采用纵波单晶直探头或双晶直探头检测。当缺陷较小时，缺陷波F与底波B同时出现，这时可根据F波的高度来评价缺陷的当量大小。当缺陷较大时，底波B将会消失，此时图5-35纵波垂直入射检测法第七十六页，共86页。第五章板材和管材超声检测可用半波高度法来确定缺陷的面积大小。

（2）横波周向检测法如图5-36所示，对平行于管轴的径向缺陷，常采用横波单斜探头或双斜探头进行周向检测。单斜探头检测如图5-36a）所示，此时缺陷的判别与普通斜探头检测类似。考虑到缺陷的不图5-36横波周向检测同取向，为避免a）单斜探头检测b）双斜探头检测第七十七页，共86页。