第7章板材和管材超声波检测

第7章板材和管材超声波检测7.1板材超声波检测

板材按材质分类有碳素钢、低合金钢、铝及铝合金钢、钛及钛合金钢、奥氏体钢、镍及镍合金钢、双相不锈钢等，这里主要介绍常用的碳素钢、低合金钢中厚板（板厚≥6mm）的超声波检测。7.1.1板材中的常见缺陷

板材在加工过程中产生的缺陷有分层、非金属夹杂物、折迭、重皮、白点、裂纹等，

其中折迭、重皮、裂纹是产生在钢板表面的缺陷，白点多出现在厚度大于40mm的钢板中，分层、非金属夹杂物是产生在钢板内部的缺陷。分层、非金属夹杂物也是钢板中常见的缺陷，分层缺陷大都平行于钢板表面。较小的分层、非金属夹杂物类缺陷存在于钢板中一般是允许的，但分层、非金属夹杂物类的缺陷存在于板材焊接坡口处会使板材在焊接时产生缺陷，因此，板材坡口处的位置从焊接角度考虑要求较为严格，在有关质量评定中可以看到。

由于板材中缺陷的取向跟原材料中的缺陷位置及扎制工艺有关，而且这些缺陷直接影响焊接和冷加工，在检测过程中主要控制焊接部位。重要工件在冷成型后对焊接部位及邻近区域进行一次超声波探伤检查，有助于焊接件的质量控制。7.1.2常用检测方法

钢板中的主要缺陷平行于钢板表面，为检测钢板中的主要缺陷一般使用垂直于板面入射的纵波检测，如有特殊要求，可辅以其他波型的检测方式，其耦合方式有直接接触法和液浸法。1直接接触法

探头通过耦合剂与工件接触进行检测，当探头位于被检对象完好区（无缺陷）时，显示屏上显示多次等距离的底波，无缺陷波(如下图)。图7.1（a）钢板接触法检测中常见的波形

当探头位于缺陷较小的区域（缺陷截面小于声束截面积）时，显示屏上缺陷回波与底波共存，底波有所下降(如下图)。

图7.1（b）钢板接触法检测中常见的波形

当探头位于缺陷较大区域（缺陷截面大于等于声束截面积）时，显示屏上只有缺陷的多次反射波，底波消失(如下图)。

图7.1（c）钢板接触法检测中常见的波形2液浸法

液浸法是探头与钢板通过一层耦合液体（常用水）来耦合，见图7.2。为使钢板上（耦合液体/钢）下（钢板底面）表面的多次反射波不互相干扰，常调整液体层厚度使耦合液体/钢界面的反射波和钢板底面多次反射波重合，这种方法称为多次重合法,见图7.3。

图7.2局部液浸法钢板检测

图7.3钢板液浸重合法检测

当耦合液体/钢界面的界面波S第2、3、4……次反射波分别与钢板的第1、2、3……次底波一一重合时，称为一次重合法；当耦合液体/钢界面的第2、3、4……次反射波分别与钢板的第2、4、6……次底波重合时，称为二次重合法。一般较为常用的是四次重合法。

液浸法超声波检测中，耦合液体层厚度的确定可由（7.1）式通过计算求得：（7.1）当以水为耦合液体时（＝1/4）

h－耦合液体层厚度n－重合次数（即一次重合法n=1、二次重合法n=2）c液－耦合液体中的声速c钢－钢中的声速T－钢板厚度例1：用超声波水浸法检测厚度为32mm的钢板，若采用四次重合法检测，求水层厚度？已知：T=32mmn=4求：h解：

答：采用四次重合法检测时，水层厚度为32mm。7.1.3板材超声波检测过程7.1.3.1表面要求钢板检测时表面为轧制面，当表面比较粗糙或氧化皮较为严重时，应做适当的处理，如用钢丝刷及打磨等。一般选取钢板的任意一个轧制面进行检测，如有需要也可选上下两个轧制面进行检测。7.1.3.2探头选用

探头的频率一般为2.5MHz～5MHz，这是因为钢板的晶粒比较细，较高的频率可以获得较高的分辨力。一般探头的直径为Φ10mm～Φ30mm，对于较大面积的钢板为提高工作效率可采用较大直径的探头，对于较薄的钢板为减小近场区影响应使用双晶直探头或采用小直径的探头,探头选用应符合表7.1的要求。表7.1板材超声波检测探头选用板厚㎜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150㎜2＞20～40单晶直探头

5Φ14㎜～Φ20㎜＞40～250单晶直探头

2.5Φ20㎜～Φ25㎜7.1.3.3试块选用

板材检测使用的标准试块有CBⅠ阶梯试块、CBⅡ平底孔试块，两种试块形状及尺寸见图3.18、图3.19及表7.2。其中阶梯试块用于板厚小于等于20mm钢板检测，平底孔试块适用于板厚大于20mm的钢板检测。当板厚不小于三倍近场区时，且板材上下两个表面平行也可取钢板无缺陷完好部位的第一次底波来校准灵敏度，其结果应与平底孔试块校准灵敏度的要求相一致。7.1.3.4仪器系统的校准1.扫描速度调节（检测范围）扫描速度的调节应保证足够的检测范围，以便可以观察多次底波或缺陷波的情况。2.灵敏度的调节在钢板检测中一般用阶梯试块、平底孔试块、钢板底波法来进行灵敏度的调节。板厚不大于20mm时，利用CBⅠ阶梯试块调节检测灵敏度时，探头对准试块与工件等厚（或不小于钢板板厚的近似厚度）处将第一次底波高度调整到满刻度的50%，再提高10dB作为基准灵敏度。利用平底孔试块调节检测灵敏度时，探头对准表7.2规定的平底孔，调节仪器使平底孔反射波达到显示屏满刻度的50%作为基准灵敏度。表7.2CBⅡ标准试块

利用工件底波调节检测灵敏度时，取钢板完好区域的第一次底波达基准波高（一般为显示屏满刻度的50%），但底波法调节的灵敏度应与表7.2要求的灵敏度相一致。扫查时扫查灵敏度一般在基准灵敏度的基础上提高6dB，在测定缺陷当量时应将灵敏度调回基准灵敏度。7.1.3.5扫查

扫查方式：常用的扫查方式有全面扫查、列线扫查、边缘扫查、格子扫查。1.全面扫查探头移动方向沿垂直于钢板压延方向对钢板做100%的全面积扫查，相邻两次扫查的覆盖面积一般不小于探头直径的15%，见图7.4a）。对于要求较高的钢板常采用这种扫查方式。图7.4（a）全面扫查2.列线扫查在钢板上划出垂直于钢板压延方向的等间距的平行线（如有需要也可沿平行于钢板的压延方向进行），一般列线间距不大于100mm，见图7.4b）。探头沿这些平行线进行扫查，在发现缺陷时再在缺陷周围扩大扫查范围，但在钢板剖口预定线两侧各50mm（当板厚超过100mm时，以板厚的一半为准）内应作100%扫查。图7.4（b）列线扫查3.边缘扫查在钢板边缘的一定范围内做全面积扫查，见图7.4c）。这个范围一般由相关的标准、规范给出。4.格子划线扫查在钢板周边50mm范围内做全面积扫查，其余部分画成方格子线，一般取100mm×100mm或200mm×200mm，探头沿格子线扫查，在发现缺陷时再在缺陷周围扩大扫查范围。见图7.4(d）图7.4（c）列线扫查图7.4（d)格子扫查7.1.3.6缺陷的识别与测定1.缺陷识别在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，满足下列条件之一的均作为缺陷予以标识和记录：

a)缺陷第一次反射波F1≥50%；

b)第一次底波B1＜100%，第一次缺陷反射波F1与第一次底波B1之比F1/B1≥50%；

c)第一次底波B1＜50%。2.缺陷的测定检测中达到要求记录水平的缺陷应测定其位置、大小、并估判缺陷的性质。

1）缺陷位置测定：根据缺陷波对应的水平刻度值和扫描速度确定缺陷的深度，根据发现缺陷时探头的位置确定缺陷的平面位置。

2）缺陷大小的测定：一般使用绝对灵敏度法测定缺陷的大小。在板材超声波检测中常按下述方法测定缺陷的范围和大小。a）检出缺陷后，应在它的周围继续进行检测，以确定缺陷范围。b）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，并使缺陷波下降到基准灵敏度条件下显示屏满刻度25%或使缺陷第一次反射波波高与底面第一次反射波高之比为50%。此时探头中心的移动距离即为缺陷的指示长度，探头中心点即为缺陷的边界点。两种方法测得的结果以较严重者为准。c）用单直探头确定缺陷的边界范围或指示长度，移动探头使缺陷第一次反射波波高下降到基准灵敏度条件下显示屏满刻度25%或使缺陷第一次反射波波高与底面第一次反射波高之比为50%。此时探头中心的移动距离即为缺陷的指示长度，探头中心点即为缺陷的边界点。两种方法测得的结果以较严重者为准。d）按底面第一次反射波（B1）波高低于满刻度50%确定的缺陷在测定缺陷的边界范围或指示长度时，移动探头（单直探头或双直探头）使底面第一次反射波升高到显示屏满刻度的50%。此时探头中心的移动距离即为缺陷的指示长度，探头中心点即为缺陷的边界点。此外在测定缺陷的大小时还应注意叠加效应的识别。所谓叠加效应是指在薄板中当缺陷较小时，缺陷反射波从第一次开始，第二次、第三次反射波逐渐增高，增高到一定程度以后的反射波又逐渐降低的现象。3.缺陷性质的识别：根据缺陷反射波和底波特点来估计缺陷的性质。分层：缺陷波形陡直，底波明显下降或完全消失。折迭：不一定有缺陷波，但始脉冲加宽，底波明显下降或消失。白点：波形密集、互相彼连、移动探头此起彼伏、十分活跃，重复性差。7.1.3.7缺陷的评定与质量分级JB/T4730.3-2005标准根据缺陷的性质、指示长度、指示面积来进行缺陷的评定与质量分级，规定如下：

1.缺陷的评定

1）缺陷的指示长度的评定规则单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小于40㎜时，可不作记录。2）单个缺陷指示面积的评定规则单个缺陷的指示面积=缺陷的指示长度×缺陷的指示宽度(与长度方向垂直的最大尺寸)a）一个缺陷按其指示的面积作为该缺陷的单个指示面积。

b）多个缺陷其相邻间距小于100㎜或间距小于相邻较小缺陷的指示长度（取其最大值）时，以各缺陷面积之和作为单个缺陷指示面积。

c）指示面积不计的单个缺陷见表7.33）缺陷面积百分比的评定规则在任一1m×1m的检测面积内，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.质量分级1）钢板质量分级见表7.3。2）在剖口预定线两侧各50㎜（当板厚超过100㎜时，以板厚的一半为准）内，缺陷的指示长度大于或等于50㎜时，应评为Ⅴ级。3）在检测过程中，检测人员如确认钢板中有白点、裂纹等危害性缺陷存在时，应评为Ⅴ级。表7.3钢板质量分级7.2复合钢板超声波检测7.2.1复合钢板的加工及主要缺陷复合板是由基板和复合层板组成的。基板通常采用碳钢、低合金钢板或不锈钢板，复合层板通常采用不锈钢、钛及钛合金、铝及铝合金、镍及镍合金、铜及铜合金板。复合层板用来提高耐磨、耐腐蚀等性能，基板用来保证复合板的强度。基板和复合层板的结合采用轧制法、爆炸复合法和堆焊法等。复合板中的缺陷主要是复合层板和基板结合层界面上的未结合，未结合部分的缺陷呈完全脱开或不完全脱开状态。超声波检测主要是检测基板和复合层板结合状态的。7.2.2复合钢板超声波检测的反射波分析复合板的基板和复合层板即使完全结合，由于复合层板的声阻抗和基板的声阻抗一般不相同，因此对复合板作纵波垂直检测时，在基板和复合层板的结合界面上会产生反射波，超声波检测仪显示屏上同时收到界面反射波和底面反射波。复合板纵波垂直检测时超声波的传播路径和检测图形见示意图7.5。图7.5钛复合钢板纵波垂直检测时的超声波传播路径及反射波示意图图中I、I1为界面反射波，I2为界面多次反射波；B为底面反射波，B1的传播路径较为复杂：一条是I1经复合板表面反射然后在界面处透射，而后经基板底面反射，这个反射波在界面处透射最后回到复合板表面；另一条是B经复合板表面反射后，在界面处再次反射并回到复合板表面。

设界面的声压反射率（取决对值）为r,按第一章第三节讲述的理论，即：

（7.2）

表7.4表示由计算得出的基板和几种复合层材料组成的界面的声压反射率。这里基材（钢）的声阻抗取46×106kg/m2s。表7.4基板（钢）和复合层板的界面声压反射率复合层板Z2

106kg/m2sZ1/Z2r镍53.50.8600.07518-8不锈钢47.71.0070.0035铜44.61.0310.152钛27.41.6790.253铝17.32.6590.453

在图7.5中,如以I1/B或I/B作表示界面反射波大小的指标,则其间关系如下:

（7.3）

用表7.4中的数值用式（5-3）计算I/B,结果见表7.5

表7.5界面反射波的大小复合层板I/B

I/B的分贝值

镍0.0755-22.5dB18-8不锈钢0.0035-49.1dB铜0.155-18.2dB钛0.270-11.4dB铝0.570-4.9dB

由此表可知,复合层板是18-8不锈钢的复合板,界面反射波极小,几乎看不到.而复合层板是铝和钛的复合板,界面反射波就相当大.图7.5是按复合层板是钛的情况画出来的。7.2.3复合钢板的超声波检测过程7.2.3.1探头选用探头的选用应按表7.1的规定进行。

7.2.3.2耦合方式耦合方式可采用直接接触法或液浸法。

7.2.3.3检测面一般从基板侧表面进行检测，需要时也可以从复合板材侧进行检测。7.2.3.4扫查方式a)扫查方式可采用100%扫查或沿钢板宽度方向，间隔为50mm的平行线扫查；b)根据合同、技术协议书或图样的要求，也可采用其他扫查形式；c)在坡口预定线两侧各50mm内应作100%扫查。7.2.3.5基准灵敏度的确定将探头置于复合钢板完全结合部位，调节第一次底波高度为显示屏满刻度的80%。以此作为基准灵敏度。7.2.3.6未结合区的测定第一次底波高度低于显示屏满刻度的5%，且明显有未结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显示屏满刻度的40%，以此时探头中心作为未结合区边界点。7.2.3.7未结合缺陷的评定和质量分级不同的标准对未结合缺陷的评定与质量分级有不同要求，JB/T4730.3-2005标准对未结合缺陷的评定和质量分级的规定如下：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小于25mm时，可不作记录。2.缺陷面积的评定多个相邻的未结合区，当其最小间距小于等于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。4.质量分级评定

1)复合钢板质量分级评定按表7.6的规定。

2)在剖口的预定线两侧各50mm的范围内，未结合的指示长度大于或等于25mm时，定级为Ⅳ级。表7.6复合钢板质量等级评定7.3无缝钢管超声波检测

钢管按其加工方法分为无缝钢管和焊接管，无缝钢管加工有热轧和冷拔两种方法，焊接管加工有螺旋焊缝和直缝电焊钢管两种方法，本节介绍碳钢和低合金钢及奥氏体不锈钢无缝钢管的超声波检测。7.3.1无缝钢管的常见缺陷

无缝钢管加工方法有热轧（挤压无缝钢管）和冷拔，无缝钢管中缺陷与加工方法有关。无缝钢管中常见缺陷有裂纹、折迭、分层等；折迭属表面缺陷；裂纹存在于无缝钢管的内部和表面；分层属内部缺陷，本节介绍的超声波检测方法不适用于分层缺陷的检测。7.3.2无缝钢管的常用检测方法

无缝钢管中缺陷按其方向有纵向缺陷和横向缺陷，钢管的检测主要针对纵向缺陷。检测纵向缺陷时超声声束应由钢管外圆横截面中心线一侧倾斜入射，在管壁内沿周向呈锯齿形传播（如图7.6所示）。检测横向缺陷时超声声束应沿轴向倾斜入射呈锯齿形传播（如图7.7所示）。在实际检测时，通常希望管材中存在的波形单一，形成的A型显示波形清晰简单，以便于缺陷信号的正确判断和解释。因此将管材检测的倾斜入射声束入射角选择在第一临界角和第二临界角之间，使管材中只存在横波进行检测且声束轴线能扫查到内壁。无缝钢管检测按耦合方式分为接触法和液浸法，下面介绍两种方法的特点。7.3.2.1接触法检测接触法检测使用与钢管表面吻合良好的斜探头。管材曲率半径小时，接触法检测耦合不良，声束严重扩散，灵敏度低，一般采用聚焦探头、将有机玻璃斜楔块加工成与管材表面吻合良好的曲面,也可在探头前加装与管材吻合良好的滑块（见图7.8）等方法提高检测灵敏度。接触法检测效率低、探头损耗大适用于单件小批量及规格多的情况。接触法检测为保证管材内只有横波并使横波扫查到管材内壁（见图7.9）斜探头的折射角按下面方法确定：图7.8探头前加装滑块图7.9管材接触法检测接触法检测斜探头的折射角按下面方法确定：1.管材内只有横波：2.横波检测到管材内壁：；3.满足管材内只有横波并检测到内壁的条件为：（7.4）式中：CL有—有机玻璃中的纵波声速

CS钢—钢中的横波声速

r—检测的管内径

R—检测的管外径例题2：用单斜探头直接接触法检测Φ325×40mm无缝钢管，求探头的最大K值？已知：D0=325mmT=40mm求:解:

满足横波检测到管材内壁的最大折射角：答:探头的最大K值为1.15。7.3.2.2液浸法将液浸纵波探头置于液体中，利用纵波倾斜入射到液体/钢界面，当入射角α在第一临界角和第二临界角之间时，在管材内对纵向缺陷进行全横波检测，见图7.10（图中所示反射波表示的是相对位置，实际检测中它们不会同时出现在显示屏上）。液浸法耦合效果好、检测速度快、灵敏度高、探头损耗小、特别适用于对小径管的全周长自动化检测。

简单介绍一下液浸法的几个工艺参数的选择：1.偏心距：探头声束轴线与管材中心轴线的水平距离。控制偏心距就可以控制入射角α。偏心距的范围由两个条件决定，一是保证声束轴线能够检测到管材内壁，二是保证全横波检测。声束轴线检测内壁的条件：全横波检测的条件：同时满足上述条件时：（7.5）∵∴偏心距的范围（7.6）耦合液体如果用水，将水和钢中的声速代入有（7.7）实际工作总常取偏心距的平均值即（7.8）式中：cL液－液体中纵波声速cL钢－钢中纵波声速

cS钢－钢中横波声速R－小径管外半径

r－小径管内半径X－偏心距2.液体层厚度：液体层厚度要保证液体/钢界面的第二次反射波位于管子的内壁缺陷的一次波和二次波之后，这样便于对缺陷的识别。如果用水作为耦合液体的话，由水和钢的声速可知水层厚度大于管材中横波声程的一半就能满足上述要求，即：（7.9）3.焦距：（7.10）4.聚焦探头声透镜的曲率半径：（7.11）以有机玻璃探头水耦合为例（7.12）式中：—声透镜中纵波声速

—藕合液体中纵波声速

—藕合液体中焦距7.3.3无缝钢管的超声波检测过程

管材的超声波检测以纵向缺陷为主，一般当合同双方有约定或技术文件有规定时才进行横向缺陷的检测。这里主要介绍纵向缺陷的检测。7.3.3.1探头选用：液浸法检测使用线聚焦或点聚焦纵波探头。接触法检测使用与钢管表面吻合良好的斜探头或聚焦斜探头。单个探头压电晶片长度或直径小于或等于2