高级考试课件第7章

超声检测7.5管材超声检测钢铁研究总院范弘7.5管材超声检测7.5.1管材加工及常见缺陷7.5.2管材横波检测基础7.5.3管材的接触法检测7.5.4管材的水浸法检测7.5.5厚壁管材检测7.5.6管材自动检测7.5.1管材加工及常见缺陷钢管分类：◆按加工方法分类

无缝钢管：热轧、挤压、热扩、锻造；冷轧、冷拔。

焊接钢管：直焊缝、螺旋焊缝；高频焊、电阻焊、埋弧焊。◆按规格不同分类

大直径钢管：直径＞100mm。

小直径钢管：直径＜100mm。

薄壁钢管：厚径比＜0.2。

厚壁钢管：厚径比＞0.2。钢管缺陷：◆无缝钢管

热轧、冷轧、冷拔、挤压钢管：裂纹、折叠、分层、夹杂。

锻轧钢管：裂纹、白点、重皮。◆焊接钢管

焊缝缺陷：裂纹、气孔、夹渣、未焊透。超声波检测：

纵向缺陷：与管材轴线平行的径向缺陷。斜入射横波周向扫查。

横向缺陷：与管材轴线垂直的径向缺陷。斜入射横波轴向扫查。

分层缺陷：与管材表面平行的周向缺陷。垂直入纵波射检测。7.5.1管材加工及常见缺陷7.5.2管材横波检测技术基础1、钢管检测的基本方法◆检测目的：检出

管材内、外壁及内部纵向缺陷——横波检测

管材内、外壁及内部横向缺陷——横波检测

管材内部分层缺陷——纵波检测◆检测方法：

纵伤：波束从钢管横截面中心线一侧入射，沿周向呈锯齿形传播

横伤：波束从沿轴向倾斜入射呈锯齿形传播。

纵伤检测横波周向扫查

横伤检测横波轴向扫查分层检测纵波垂直检测

7.5.2管材横波检测技术基础2、实现周向横波检测的条件◆方法与目的

纯横波检测：声束入射角选择在第一临界角与第二临界角之间。

检测缺陷：管材内壁、外壁和壁中的纵向缺陷。◆检出钢管内部缺陷的条件

D—直径，t—壁厚，CS2—管材中横波声速，CL2—管材中纵波声速

对于钢管：CS2＝3230m/s，CL2＝5850m/s，有：7.5.2管材横波检测技术基础

公式推算过程（检出钢管内部缺陷的条件）产生纯横波条件（≥第一临界角）：

声束达到管材内壁条件：

综合上二式：

管材中为纯横波并到达内壁条件：7.5.3管材的接触法检测

手工检测：效率低；设备简单，灵活机动。1、探伤原理

采用带有机玻璃楔块斜探头，使晶片产生的超声纵波倾斜投射到钢管表面，在有机玻璃和钢的界面产生折射和波型转换。

选择纵波入射角，在钢管中产生纯横波。

探测纵向缺陷：横波在管壁中沿周向呈锯齿形传播。

探测横向缺陷：横波在管壁中沿轴向呈锯齿形传播。

无缺陷时，示波屏只显示始波。

2、入射角的选择

纯横波检测：声束入射角≥第一临界角。

探测纵伤：折射横波投射至钢管内壁。

横波法检测内壁纵向缺陷，入射角允许范围：

入射角下限为固定值；上限随钢管规格变化。

入射角存在着一个最佳角度范围。7.5.3管材的接触法检测3、缺陷定位与修正

横波轴向检测：缺陷定位与板材类似。

横波周向检测：声程修正系数：跨距修正系数：一次波检测内壁缺陷定位：二次波检测外壁缺陷定位：7.5.3管材的接触法检测

实际中缺陷简单定位方法

①几何作图法：根据管材实际尺寸，实测声程和折射角，通过几何作图法对缺陷定位；②对比试样法：采用与被检钢管规格相同的刻有内外表面人工缺陷的对比试样进行对比，对缺陷作近似定位。7.5.3管材的接触法检测4、探头入射点与折射角的测定◆入射点的测定

棱角反射法

◆折射角的测定

棒材法

管材法7.5.3管材的接触法检测

公式推算过程（采用“管材法”测定入射角）在三角形ABO中，根据余弦定理，有：

将下述关系式代入上式：和经过整理后，即可得到：

7.5.3管材的接触法检测◆探头改制方法

楔块改制之前，使用ⅡW试块测定入射点和折射角。并在楔块侧面作好标记线。

将有机玻璃楔块底面加工成弧形的改制方法：圆弧顶点位于声束轴线上（A点位于直线BC上）。

改制后，探头的入射点从C→A，折射角不变。折射角的测定入射点的测定7.5.3管材的接触法检测5、接触法检测工艺◆纵向缺陷检测

探头：晶片≤25mm；频率2.5～5MHz。

对比试块：选材：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；不得有≥Φ2当量的缺陷；长度满足检测要求。人工缺陷：V形槽的位置和尺寸符合JB/T4730.3图8和表11规定。

级别长度（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）7.5.3管材的接触法检测

灵敏度设置：内壁V形槽－满幅的80％，外壁V形槽→距离-波幅曲线；基准灵敏度上提高6dB。

扫查：探头不动/钢管螺旋前行、探头轴向移动/钢管原地旋转、探头旋转/钢管轴向前行、探头螺旋前行/钢管不动。螺旋线扫查；15％覆盖率。

评定与验收：缺陷回波高度≥基准灵敏度，判为不合格品。修磨后满足公差要求，复探。7.5.3管材的接触法检测

◆横向缺陷检测

探头：晶片尺寸、检测频率－同上。

对比试块：选材、人工缺陷－同上。

灵敏度设置：内、外壁V形槽－同上；

仅有外壁V形槽－满幅的50％作为基准灵敏度。

扫查：探头螺旋扫查（避免漏检）。

评定与验收：同上。7.5.3管材的接触法检测7.5.3管材的接触法检测6、接触法探伤操作要点

探头：与管材表面接触良好；楔块圆弧尽量与管材一致（圆弧稍大于管材可使用，小于管材无法使用）。

耦合剂：用量不宜过多，以免出现假信号。

缺陷波识别：始波后有一簇固定杂波。缺陷波特点：随探头移动缺陷波游动，探头前进时，缺陷波靠拢始波，幅度增高；反之，缺陷波远离始波，幅度降低。

扫查：管材直径越大，壁厚越厚，探头在管材外表面应移动范围越大（声束传播能量随声程增大而衰减）。

仪器：定时用人工缺陷样管校验探头和仪器。及时发现探头磨损和仪器故障，避免漏检。7、小直径钢管检测与大直径钢管检测

小直径钢管：曲率半径小，耦合不良，灵敏度低。改善方法：采用曲面探头、聚焦探头。

大直径钢管：曲率半径大，容易实现良好耦合。

◆大直径钢管检测

纵波垂直入射检测探头：单晶直探头、双晶直探头。检出缺陷：平行钢管表面的周向缺陷，如分层。缺陷较小时：F波和B波同时出现。根据F波高评价缺陷当量。缺陷较大时：B波消失。利用半波高度法测定缺陷面积。7.5.3管材的接触法检测

横波周向检测检出缺陷：纵向缺陷。探头：横波单斜探头、双斜探头。单斜探头：正反二方向（声束双向入射）扫查。双斜探头：同一缺陷可能显示为二个缺陷波。探头移动时，二缺陷波对称移动。

7.5.3管材的接触法检测

横波横向检测探头：单晶斜探头、双晶斜探头。单晶斜探头：声束散射，外壁缺陷灵敏度低。双晶斜探头：只要内外壁缺陷处于二晶片发射声束交集区，灵敏度基本一致。7.5.3管材的接触法检测7.5.4管材的水浸法检测

◆水浸法特点

优点：可采用聚焦声束，灵敏度、分辨力及小直径钢管检测能力高；便于实现自动化检测；探头无磨损，廉价耦合剂，成本低。

缺点：由于声波在水中衰减和在水/钢界面反射，透入钢管声能减弱，使探测范围减小。1、探伤原理

使用水浸式纵波探头偏离钢管的中心线，当管偏心距合适时，在钢管中激发纯横波（入射方式不同）。

由于入射纵波在水/钢界面的反射和散射，在始脉冲后面出现多次水/钢界面回波（显示不同）。

无缺陷时，示波屏只显示始波和一、二次界面波。

7.5.4管材的水浸法检测2、工艺参数的选择

◆探头的选择

水浸探头要求密封性好；采用聚焦声束（改善声束指向性）。

探头声束聚焦方式线聚焦探头：采用柱面声透镜或瓦形晶片聚焦。点聚焦探头：采用球面声透镜聚焦。二种聚焦方式比较检测速度：线聚焦探头速度快；点聚焦探头速度慢。检测灵敏度：点聚焦探头回波幅度与缺陷长度无关（除非缺陷长度小于焦点直径）；线聚焦探头回波幅度随缺陷长度变化（除非缺陷长度大于焦线长度）。

线聚焦探头①圆形晶片上加装弧面声透镜，曲率半径：②直接采用弧形晶片，焦距等于晶片曲率半径。

探头频率：2.5～5MHz。7.5.4管材的水浸法检测◆探头与钢管的配置状态

偏心距x的选择满足：①纯横波；②横波检测内壁。有：

偏心距变化时，探头相对于钢管的垂直距离也发生变化，因而入射面的声束宽度和水声程也发生变化，将引起管壁中折射声束的角度、形状等发生变化。这些变化影响缺陷回波的幅度和位置。7.5.4管材的水浸法检测公式推导过程（偏心距x的选择）：满足：①纯横波检测条件；②横波检测内壁条件。有：或：从图，有：所以：

水浸检测钢管：CL1＝1480mm/s，CL2＝5900mm/s，CS2＝3230mm/s7.5.4管材的水浸法检测

水层厚度H的选择应大于钢管中横波全声程的1/2（即H＞xS）。

因为：C水＝1480m/s，CS＝3230m/s，C水/CS≈1/2。所以：当H＞xS时，二次水/钢界面回波S2位于一次内壁缺陷回波F内和二次外壁缺陷回波F外之后。7.5.4管材的水浸法检测→→

焦距F的选择应使探头焦距落在与声束轴线垂直的管心线上。

F－焦距（mm）

H－声程厚度（mm）

R－钢管半径（mm）

x－偏心距（mm）7.5.4管材的水浸法检测7.5.4管材的水浸法检测

焦点位置的选择当声束在水中的焦点进入钢管的尺寸太大或太小时，折射声束的折射角相差较大，因而管壁中的声束都会发散，造成内外表面探伤灵敏度差别较大。

线焦距探头：焦点调整在钢管中心线上。横波声束在管壁中多次反射，产生多次聚敛发散，声束宽度基本一致。特点：检测灵敏度高；内外壁缺陷灵敏度大致相同。◆扫查方式

四种扫查方式；螺距≤探头声束有效宽度，且有15％覆盖率。

探头相对移动速度：v＝n•l（n为相对转速，l为螺距）

当钢管弯曲时，保证探头偏心距、水层厚度不变是关键。◆检测灵敏度调整和质量评定

灵敏度设置：内外壁人工槽达满幅的50％；基准灵敏度上提高6dB。

评定与验收：缺陷回波高度≥基准灵敏度，判为不合格品。修磨后满足公差要求，复探。

7.5.4管材的水浸法检测3、水浸法探伤操作要点

为显示缺陷波，适当调节仪器“水平”和“扫描时间”旋钮，使始波尽量左移，使一、二次界面波得到显示并使其间隔足够大。

探伤机械设备应有良好精度和稳定度。界面波的位置和幅度应无显著变化，以使周向灵敏度波动尽量减小。

保持探头声透镜表面洁净和耦合用水清洁。

采用水浸法多通道自动探伤设备时，应注意探头选择、设备调试和定时校验，以保证各通道具有相同的探伤灵敏度。

探伤中应注意随时排除各种干扰信号。7.5.4管材的水浸法检测7.5.5厚壁管材检测◆变型横波斜入射

检测方法α≤αⅠ入射；折射横波检测钢管外壁；折射纵波在钢管外壁反射，经波型转换为横波检测钢管内壁

取α＝12.7°有β＝60°则反射横波角度：外壁纵波-横波反射率可达97％7.5.5厚壁管材检测

适用范围：

计算：经换算◆纵波斜入射

适用范围：当经厚径比更大时采用。

检测方法：α≤αⅠ入射；利用折射纵波和反射纵波进行检测。

特点：折射横波在内壁反射，波型复杂。与变形横波检测相比，灵敏度低。7.5.6管材自动检测◆自动检测设备分类

探头旋转：探头旋转/钢管轴向前行—适用于中小直径钢管

钢管旋转：探头不动/钢管螺旋前行—适用于中大直径钢管探头轴向移动/钢管原地旋转—适用于超大直径钢管旋转水腔式

局部水浸式

接触式

7.5.6管材自动检测7.5.6管材自动检测7.5.6管材自动检测7.5.6管材自动检测1、自动检测设备系统

◆设备系统组成

检测主机系统：检测台、探头及跟踪系统、前后夹持装置。

传输辊道系统：直行传输辊道、螺旋前行传输辊道。

上下料台架系统：待检台架和上料机构、合格品槽、废品槽和下料分选机构。◆检测工艺流程

上料：将待检