超聲課件5板材和管材檢測-2013

超聲課件5板材和管材檢測-2013第一頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測本章主要內(nèi)容：板材超聲檢測復合鋼板超聲檢測管材超聲檢測

Ⅱ級人員需要掌握的內(nèi)容：

鋼板檢測：檢測方法探頭與掃查方式的選擇探測范圍和靈敏度的調(diào)整缺陷的判別與測定鋼板質(zhì)量級別的判別第二頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

§5.1板材超聲檢測

5.1.1鋼板加工及常見缺陷普通鋼板由板坯軋制而成，板坯可用澆鑄法或由坯料軋制或鍛造制成。普通鋼板包括碳素鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼板、鎳及鎳合金板材以及雙相不銹鋼板材等。鋼板中的常見缺陷有分層、折疊、白點和裂紋（一般較少見）等。

分層:

板坯中的縮孔、夾渣等缺陷在軋制過程中未熔合而形成的分離層，大都平行于板面。分層破壞了鋼板的整體連續(xù)性，影響鋼板承受垂直板面的拉應力作用的強度。

折疊:

鋼板表面局部形成的互相折合的雙金屬層，通常平行于鋼板表面。第三頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測白點:

鋼板在軋制后冷卻過程中氫原子來不及擴散而形成的，其斷面呈白色，多出現(xiàn)在厚度大于40mm的厚鋼板中。圖5-1鋼板中的常見缺陷超聲檢測中常將鋼板分為薄板和中厚板。薄板:

板厚δ＜6mm，常用板波檢測法。中厚板:

板厚δ≥6mm（中板δ=6～40mm，厚板δ＞40mm）,常采用縱波直探頭垂直入射法檢測。第四頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

5.1.2檢測方法檢測方法:脈沖反射式垂直入射法耦合方式:直接接觸法和水浸法

1.直接接觸法探頭通過薄層耦合劑與工件接觸進行檢測。如圖5-2

所示，當探頭位于完好區(qū)時，示波屏上顯示圖5-2鋼板接觸法檢測

多次等距離的

a）無缺陷b）小缺陷c）大缺陷第五頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測底波，無缺陷波；當板中缺陷較小時，示波屏上缺陷波與底波共存，底波有所下降；當板中缺陷較大時，示波屏上出現(xiàn)缺陷波的多次反射，底波明顯下降或消失。

疊加效應當板厚較薄且板中缺陷較小時，各次底波之前的缺陷波開始幾次逐漸升高，然后再逐漸降低的現(xiàn)象。產(chǎn)生原因是由于不同反射路徑聲波互相疊加造成的，如圖5-3所示。圖中F1只有一條路徑，F(xiàn)2比F1多三條路徑，F(xiàn)3比F2多五條路徑。路徑多，疊加能量多，缺陷回波高。但當路徑進一步增加時，衰減也迅速增加，這時衰減的影響比疊加效應更大，因此缺陷波升高到一定程度后又逐漸降低。在鋼板檢測中，若出現(xiàn)疊加效應，一般應根據(jù)F1來評價缺陷。只有當板厚δ＜20mm時，才以F2來評價缺陷，以減小近場區(qū)的影響。第六頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測圖5-3疊加效應第七頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

2.水浸法（充水耦合法）探頭與鋼板不直接接觸，而是通過一層水來耦合。通過調(diào)整水層厚度，使水/鋼界面（鋼板上表面）回波分別與鋼板多次底波重合，這時示波屏上的波形就會變得清晰以利于鋼板檢測。這種方法稱為多次重合法，如圖5-4所示。當界面各次回波分別與鋼板底波一一重合時，稱為一次重合法；當界面各次回波分別與第2、第3、第4、…次鋼板底波重合時，稱為二次重合法，三、四次重合法，以此類推。水層厚度H與鋼板厚度δ的關(guān)系：（5-1）第八頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

圖5-4水浸多次重合法第九頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測例如用水浸法檢測厚度30mm的鋼板，若采用四次重合法檢測，則其水層厚度為（mm）應用水浸多次重合法檢測不僅可以減小近場區(qū)的影響，而且可以根據(jù)多次I底波衰減情況來判斷缺陷嚴重程度。一般常用四次重合法。

5.1.3探頭與掃查方式的選擇

1.探頭的選擇探頭的選擇包括探頭頻率、直徑和結(jié)構(gòu)形式的選擇。

頻率一般選擇2.5～5MHz的較高頻率的探頭第十頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

直徑為提高檢測效率，宜選用直徑較大的探頭。但對于厚度較小的鋼板，探頭直徑不宜過大，因大探頭近場區(qū)長度大，對檢測不利。一般探頭直徑范圍為φ10～25mm。

結(jié)構(gòu)形式主要依據(jù)板厚確定。板厚較大時，常選用單晶直探頭；板厚較薄時可選用雙晶直探頭，以減少探頭盲區(qū)的影響。雙晶直探頭主要用于檢測厚度為6～20mm的鋼板。探頭數(shù)量根據(jù)需求確定，鋼板生產(chǎn)廠一般選擇多探頭多通道檢測，以提高檢測效率。承壓設備用鋼板超聲檢測一般可按表5-1選擇探頭。表5-1承壓設備用鋼板超聲檢測探頭選用

板厚（mm）采用探頭公稱頻率（MHz）探頭晶片尺寸6～20雙晶直探頭5晶片面積不小于150mm2＞20～40單晶直探頭5φ14mm～φ20mm＞40～250單晶直探頭2.5φ20mm～φ25mm第十一頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

2.掃查方式選擇主要掃查方式包括全面掃查、列線掃查、邊緣掃查和格子掃查。

全面掃查對鋼板作100%的掃查，每相鄰兩次掃查應有10%重復掃查面，探頭移動方向垂直于鋼板壓延方向。全面掃查用于要求較高的鋼板檢測。

列線掃查在鋼板上劃出等距離的平行列線，探頭沿列線掃查。一般列線間距不大于100mm，并垂直于壓延方向。

邊緣掃查在鋼板邊緣的一定范圍內(nèi)作全面掃查，如圖5-5b所示，在鋼板四周50mm范圍內(nèi)作全面掃查。

格子掃查如圖5-5c所示，在鋼板邊緣50mm范圍內(nèi)作全面掃查，其余按200mm×200mm的格子線掃查。第十二頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

圖5-5鋼板檢測掃查方式

a）列線掃查b）邊緣掃查c）格子掃查

3.掃查速度選擇應根據(jù)所使用的儀器的脈沖重復頻率和響應速度調(diào)節(jié)掃查第十三頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測速度，對于液晶顯示屏和其他響應速度較慢的儀器，使用較小的掃查速度。手工檢測時，掃查速度一般在0.2m/s以內(nèi)。水浸自動監(jiān)測系統(tǒng)的最大掃查速度與要求檢出的最小缺陷尺寸、所檢鋼板厚度以及超聲檢測儀器限定的脈沖重復頻率有關(guān)。檢測時，為避免因前一個脈沖的多次回波干擾形成幻象波，超聲脈沖之間的間隔時間，至少應大于超聲波在材料中傳播時間（脈沖在材料中往返所需時間）的60倍。脈沖最大重復頻率應根據(jù)板厚確定。在高速掃查時，脈沖重復頻率應足夠高，但至少是超聲脈沖在鋼板中傳播時間的3倍，以便最小尺寸的缺陷信號能夠顯示。第十四頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

5.1.4檢測范圍和靈敏度的調(diào)整

1.檢測范圍的調(diào)整檢測范圍的調(diào)整一般根據(jù)鋼板厚度確定。用接觸法檢測，板厚δ＜30mm時，應能看到B10，檢測范圍調(diào)整至300mm左右；板厚δ≥30mm～80mm時，應能看到B5，檢測范圍調(diào)整至400mm左右；板厚δ＞80mm時,可適當減少底波的次數(shù)，但檢測范圍仍要保證在400mm左右。

2.靈敏度的調(diào)整

（1）CBⅠ標準試塊法當板厚δ≤20mm時，可采用圖5-6所示的CBⅠ標準試塊，使之與工件等厚度的底面第一次底波達滿刻度的50%，再提高10dB作為基準靈敏度。第十五頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

圖5-6CBⅠ標準試塊

（2）CBⅡ標準試塊法

當板厚δ＞20mm時，可采用圖5-7所示的CBⅡ標準試塊，第十六頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測使其φ5mm平底孔第一次回波達滿刻度的50%。CBⅡ標準試塊的尺寸見表5-2。

表5-2CBⅡ標準試塊尺寸單位：mm圖5-7CBⅡ標準試塊試塊編號被檢鋼板厚度檢測面到平底孔的距離s試塊厚度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第十七頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測（3）底波法

利用多次底波來調(diào)節(jié)檢測靈敏度。如要求示波屏上出現(xiàn)五次底波，則底波B5達50%即可。當板厚大于探頭的3倍近場區(qū)時，也可取鋼板無缺陷完好部位的第一次底波來校準靈敏度，其結(jié)果應與CBⅡ試塊一致（通過計算法）。

5.1.5缺陷的判別與測定

1.缺陷的判別鋼板檢測中，一般根據(jù)缺陷波和底波來判別鋼板中的缺陷情況。JB/T4730.3-2005規(guī)定，發(fā)現(xiàn)下列三種情況之一即作為缺陷：（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與底面第一次反射波B1之比F1/B1≥50%；第十八頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測（3）第一次底波B1＜50%。

2.缺陷的測定檢測中發(fā)現(xiàn)缺陷以后，應測定缺陷的位置和大小，并估判缺陷的性質(zhì)。

（1）缺陷位置的測定缺陷位置的測定包括確定缺陷的深度和平面位置。前者可根據(jù)示波屏上缺陷波所對應的水平刻度來確定。后者根據(jù)發(fā)現(xiàn)缺陷的探頭位置來確定，并在工件或記錄紙上標出缺陷至工件相鄰兩邊界的距離。

（2）缺陷定量鋼板中缺陷常用測長法測定其指示長度和面積。JB/T4730.3-2005規(guī)定：當F1≥50%或F1/B1≥50%（B1＜100%）時，使F1達25%或第十九頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

F1/B1達50%時探頭中心移動的距離即為缺陷的指示長度（以較嚴重者為準），探頭中心軌跡即為缺陷邊界。當B1＜50%時，使B1達50%時探頭中心的移動距離即缺陷指示長度，探頭中心軌跡即為缺陷邊界。用雙晶直探頭確定缺陷的邊界范圍或指示長度時，探頭的移動方向應與探頭的隔聲層相垂直。

（3）缺陷性質(zhì)的估判分層：缺陷波形陡直，底波明顯下降或消失。折疊：不一定有缺陷波，但底波明顯降低，次數(shù)減少甚至消失，始波加寬。白點：波形密集尖銳活躍，底波明顯降低，次數(shù)減少，重復性差。移動探頭，回撥此起彼伏。第二十頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

5.1.6鋼板質(zhì)量級別判定

1.缺陷的評定方法（1）缺陷指示長度的評定規(guī)則單個缺陷指示長度是指缺陷指示的最大長度尺寸。若單個缺陷的指示長度小于40mm時，可不作記錄。（2）單個缺陷指示面積的評定規(guī)則缺陷指示面積是指缺陷邊界范圍內(nèi)的面積。一個缺陷按其指示的面積作為該缺陷的單個指示面積；多個缺陷其相鄰間距小于100mm或間距小于相鄰較小缺陷的指示長度（取其較大者）時，以各缺陷面積之和作為單個指示面積。指示面積不計的單個缺陷見表5-3。（3）缺陷面積百分比的評定規(guī)則第二十一頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測在任一1m×1m檢測面積內(nèi)，按缺陷面積所占的百分比來確定。如鋼板面積小于1m×1m，可按比例折算。

2.鋼板質(zhì)量分級

JB/T4730.3-2005根據(jù)缺陷指示長度與缺陷指示面積不同將鋼板質(zhì)量分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五級，Ⅰ級最高，Ⅴ級最低。分級方法見表5-3。表5-3鋼板質(zhì)量分級等級單個缺陷指示長度（mm）單個缺陷指示面積（cm2）在任一1m×1m檢測面積內(nèi)存在的缺陷面積百分比%以下單個缺陷指示面積不計（cm2）Ⅰ＜80＜25≤3＜9Ⅱ＜100＜50≤5＜15Ⅲ＜120＜100≤10＜25Ⅳ＜150＜100≤10＜25Ⅴ超過Ⅳ級者第二十二頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測在坡口預定線兩側(cè)各50mm（板厚δ＞100mm時，以板厚的一半為準）內(nèi)，缺陷的指示長度≥50mm時，應評為Ⅴ級。在檢測過程中，若檢測人員確認鋼板中有白點、裂紋等危害性缺陷時，應評為Ⅴ級。

【例】超聲檢測1m2甲、乙兩鋼板。甲鋼板有以下缺陷：90cm22個，60cm22個，20cm23個，各缺陷間距均＞100mm。乙鋼板有以下缺陷：40cm22個，間距為80mm；30cm28個，間距為100mm。試根據(jù)JB/T4730.3-2005標準評定甲、乙鋼板的質(zhì)量級別。

解：（1）甲鋼板評級①按單個缺陷評級最大單個缺陷面積為90cm2。標準中規(guī)定，面積＜50cm2為Ⅱ級；面積＜100cm2為Ⅲ級。故評為Ⅲ級。第二十三頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測②按1m2內(nèi)缺陷總面積占的百分比評級

JB/T4730.3-2005標準規(guī)定，Ⅱ級中＜15cm2的單個缺陷不計，Ⅲ級中＜25cm2的單個缺陷不計。這里按Ⅱ級計算缺陷總面積：

F總=90×2+60×2+20×3=360（cm2）

F總占1m2的百分比：

＜5%

評為Ⅱ級。③綜合評級根據(jù)JB/T4730.3-2005標準，甲鋼板應評為Ⅲ級。（2）乙鋼板評級①按單個缺陷評級

40cm22個，缺陷間距為80mm＜100mm，以二者之和作為第二十四頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測單個缺陷評級面積，則單個缺陷最大面積為Fm=40×2=80（cm2）。標準中規(guī)定，面積＜50cm2為Ⅱ級；面積＜100cm2為Ⅲ級，故評為Ⅲ級。

②按1m2內(nèi)缺陷總面積占的百分比評級缺陷總面積：

F總=40×2+30×8=320（cm2）

F總占1m2的百分比：＜5%

評為Ⅱ級。③綜合評級根據(jù)JB/T4730.3-2005標準，乙鋼板應評為Ⅲ級。

注：嚴格講，該例題不完整，應增加單個缺陷指示長度綜合評級才完整！第二十五頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測§5.2復合板超聲檢測

5.2.1復合材料中常見缺陷復合材料是由母材（基材）與復合層粘合而成。常見的復合材料是在碳鋼或低合金鋼基材上，粘接不銹鋼、鈦、鋁、銅合金等復合層，以提高鋼板的耐腐蝕性能。復合材料一般用軋制、爆炸和堆焊等方法制造。材料中的常見缺陷是脫層（脫接）、裂紋等，脫層即復合層與母材在界面處復合不良。

5.2.2檢測方法

復合材料的檢測與一般鋼板的檢測方法基本相同，常用第二十六頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測單晶直探頭和雙晶直探頭進行縱波檢測。檢測頻率一般為2.5～5MHz，探頭直徑一般不大于φ25mm。

檢測靈敏度設置：將復合板完好區(qū)的第一次底波B1調(diào)至示波屏滿刻度的80%即可。檢測時，可從基層一側(cè)檢測，也可從復合層一側(cè)檢測。

5.2.3缺陷的判別

1.兩種復合材料聲阻抗相近時當復合的兩種材料聲阻抗相近時，如不銹鋼/碳鋼復合板，復合良好區(qū)基本上無界面回波。若存在脫接缺陷，則在示波屏上出現(xiàn)缺陷波F。第二十七頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測當從母材一側(cè)檢測時，若無脫接，則無缺陷波F，只有底波B1；若存在不完全脫接，則在B1前不遠處F波出現(xiàn)多次毗連，底波B1降低；若為完全脫接，則F波較強，底波B1消失，如圖5-8所示。圖5-8從母材側(cè)檢測（圖中為清楚起見，將垂直波束傾斜畫出）

a）完好區(qū)b）不完全脫接區(qū)c）完全脫接區(qū)

第二十八頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測當從復合層一側(cè)檢測時，如圖5-9所示，若無脫接，則無缺陷波F，只有底波B1；若存在不完全脫接，則底波B1下降，F(xiàn)波多次毗連，并緊隨始波T

與底波B1之后；完全脫接時，

F波多次毗連，寬度增加，底波B1消失。圖5-9從復合層檢測（圖中為清楚起見，將垂直波束傾斜畫出）

a）完好區(qū)b）不完全脫接區(qū)c）完全脫接區(qū)第二十九頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

2.兩種復合材料聲阻抗相差較大時當兩種復合材料聲阻抗相差較大時，如鈦/碳鋼復合板，m=Z1/Z2=0.596，r=0.25，即使復合良好區(qū)也會出現(xiàn)界面回波，這時缺陷波判別困難。為此常常利用5-10

所示的試塊來比較，根據(jù)復合界面反射波寬度、高度和底波變化予以判斷。圖5-10復合材料檢測用對比試塊第三十頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測當從復合層檢測時，需根據(jù)復合界面反射波寬度L和底波B1高度來判別復合是否良好。若工件復合界面反射波寬度

L工＜試塊上的反射波寬度L波，且工件底波高于試塊底波，則復合良好，如圖5-11所示。當從母材側(cè)檢測時，需根據(jù)復合界面反射波S和底波

B1高度來判別復合是否良好。若工件中S波低于試塊中S波，工件中底波B1高于試塊中B1，則復合良好。反之，復合圖5-11從復層材料側(cè)檢測

不好。

a）從復層材料側(cè)檢測（試塊）b）從復層材料側(cè)檢測（工件）第三十一頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

3.未結(jié)合區(qū)缺陷的測定

JB/T4730.3-2005標準規(guī)定，第一次底波高度低于熒光屏滿刻度的5%，且明顯有未接合缺陷反射波存在時(≥5%)，該部位稱為未結(jié)合區(qū)。移動探頭，使第一次底波升高到熒光屏滿刻度的40%，以此時探頭中心作為未結(jié)合區(qū)的邊界點。以此確定缺陷的邊界范圍并確定單個缺陷的指示長度和未結(jié)合區(qū)面積。

圖5-12從母材測檢測

a）從母材測檢測（試塊）b）從母材測檢測（工件）第三十二頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測對于重要的復合材料，還可以結(jié)合底波與復合界面反射波高度的dB差來判別其復合情況。底波與復合界面反射波（復合良好）高度的dB差可由理論計算得到。如圖5-10與圖5-12所示，當不考慮介質(zhì)衰減和擴散衰減，且底面全反射時，底波B1與復合界面反射波S（復合良好）的dB差為：（5-2）第三十三頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測式中r—復合界面聲壓反射率，

T—復合界面聲壓往復透射率，T=1-r2

若底面不是全反射，其反射率為，則這時底波B1與復合界面反射波S（復合良好）的dB差為：

（5-3）

式中

—底面聲壓反射率，

【例】超聲檢測鋼/鋁復合材料，鋼中Z1=45×106kg/m2·s,鋁中Z2=17.3×106kg/m2·s，不計介質(zhì)衰減和擴散衰減，且底面全反射。第三十四頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測則復合界面的聲壓反射率為：這時底波B1與復合界面回波S的dB差為：

復合材料工件中的底波B1與復合界面回波S（不一定復合良好）的dB差可由實測得到。當實測值大于理論計算值時，說明復合材料存在脫接；當二者相差很小時，說明復合良好。

5.2.4缺陷評定和質(zhì)量分級

1.未結(jié)合缺陷評定方法第三十五頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測（1）.缺陷指示長度的評定一個缺陷按其指示的最大長度作為該缺陷的指示長度。若單個缺陷的指示長度＜25mm時，可不作記錄。（2）.缺陷面積的評定多個相鄰的未結(jié)合區(qū)，當其最小間距≤20mm時，應作為單個未結(jié)合區(qū)處理，其面積為各個未結(jié)合區(qū)面積之和。（3）.未結(jié)合率的評定未結(jié)合區(qū)總面積占復合板總面積的百分比。

2.質(zhì)量分級

復合板質(zhì)量分級按表5-5的規(guī)定。在坡口的預定線兩側(cè)各50mm的范圍內(nèi)，未結(jié)合區(qū)的指示長度≥25mm時，定為Ⅳ級。第三十六頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

表5-5復合板質(zhì)量分級§5.3管材超聲檢測

5.3.1管材加工及常見缺陷管材分類等級單個未結(jié)合指示長度（mm）單個未結(jié)合區(qū)面積（cm2）未結(jié)合率（%）Ⅰ000Ⅱ≤50≤20≤2Ⅲ≤75≤45≤5Ⅳ大于Ⅲ級者第三十七頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測按加工方法：無縫鋼管、焊接鋼管按材料：金屬管、非金屬管按管徑：小徑管、大徑管按壁厚：薄壁管、厚壁管普通鋼管的加工成型有穿孔法和高速擠壓法。穿孔法是用穿孔機穿孔，并同時用軋輥滾軋，最后用芯棒軋管機定徑壓延平整成型。高速擠壓法是在擠壓機中直接擠壓成型，這種方法加工的鋼管尺寸精度高。無縫鋼管中的主要缺陷有裂紋、折疊、分層和夾雜等。厚壁大口徑鋼管也可由鋼錠經(jīng)鍛造、軋制等工藝加工而成。鍛軋管的常見缺陷與鍛件類似，一般為裂紋、白點、重皮等。焊接鋼管是先將檢測合格的板材卷成管形后，再用電阻第三十八頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測焊或埋弧自動焊焊接而成。這種方法多用于加工大口徑薄壁鋼管。焊管中的缺陷主要為焊接接頭缺陷，一般為裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等。管材中的缺陷大多與管材軸線平行，在無縫管中也可能存在與管材軸線垂直的缺陷。從超聲檢測的角度，一般將外徑D0＞100mm的管材稱為大直徑管，將外徑D0≤100mm的管材稱為小直徑管；將壁厚與管外徑之比K≤0.2的金屬管材稱作薄壁管，K＞0.2的金屬管材稱作厚壁管，薄壁管和厚壁管的區(qū)分，是以折射橫波是否能到達管材內(nèi)壁來確定的。

5.3.2管材橫波檢測技術(shù)基礎

1.周向橫波檢測的實現(xiàn)條件第三十九頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測管材中的主要缺陷為平行于管軸的徑向缺陷（縱向缺陷），無縫管中也可能存在與管軸垂直的徑向缺陷（橫向缺陷），檢測的最重要目的是檢測內(nèi)、外壁的縱向裂紋，沿外圓作周向掃查的橫波檢測是其主要檢測方式。實際檢測時，為使管材中存在的波形單一，形成的A顯示波形清晰簡單，通常將超聲聲束的入射角選擇在第一臨界角和第二臨界角之間，使管材中僅有橫波存在，以便于缺陷信號的正確判斷。如圖5-13所示，當超聲波束以縱波入射角α進入管材（壁厚為t，外徑為D），折射角為β，聲束按鋸齒形路徑傳播，入射到管材內(nèi)壁時，入射角為β1，將折射聲束的軸線PQ延長，并由圓心O引垂線與該延長線相交于q。由直角三角形PqO和QqO，推導可得到關(guān)系式:

（r為內(nèi)半徑，R為外半徑）第四十頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測圖5-13斜角入射縱波檢測時管材中橫波折射角及主聲束傳播情況當β1=90°時，聲束軸線與管子內(nèi)壁相切，為聲束到達內(nèi)壁的臨界狀態(tài)。此時，折射角滿足下列關(guān)系：第四十一頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測（5-4）因此，從幾何關(guān)系上推導得出的聲束到達內(nèi)壁的條件為：

由第一臨界角公式可知，產(chǎn)生純橫波的條件是：式中cL1—入射介質(zhì)中的縱波速度

cL2—管材中的縱波速度結(jié)合上述兩個條件，要在管材中得到純橫波并到達內(nèi)壁，入射角必須滿足以下條件：第四十二頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測（5-5）式中cs2—管材中的橫波聲速上式并非在任何條件下均可成立，其成立的條件是：所以，管材中超聲聲束為純橫波，聲束可到達管內(nèi)壁的前提條件是：（5-6）對于鋼管，縱波速度為5850m/s，橫波速度為3240m/s，sinβ=0.55，(t/D)臨界=0.23。對于鋁管和銅管，該值稍第四十三頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測大，約為0.25和0.26。粗略地估計金屬管材能否用橫波檢測時，通常以厚度與外徑之比是否小于0.2作為判據(jù)，小于0.2則認為可以檢測，并稱這樣的管材為薄壁管。

注意：上述結(jié)果是以聲束軸線掃查到管內(nèi)壁為依據(jù)的。事實上，由于聲束具有一定的寬度，即使聲束軸線稍偏離管子內(nèi)壁，擴散聲束仍有可能檢測到管材內(nèi)壁的缺陷，但此時靈敏度將會下降。

2.周向檢測時缺陷定位與修正橫波軸向檢測管材時，缺陷定位與平板工件類似。但橫波周向檢測時，缺陷定位與平板工件不同，必須予以修正，如圖5-14所示。為便于計算，特引進聲程修正系數(shù)μ和跨距修正系數(shù)m。其中：第四十四頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測聲程修正系數(shù)μ和跨距修正系數(shù)m可由相關(guān)圖表查得。管材缺陷大多出現(xiàn)在內(nèi)外壁上。內(nèi)壁缺陷可用一次波檢測到，外壁缺陷可用二次波檢測到。一次波檢測發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷時，缺陷定位計算公式為：圖5-14橫波周向檢測管材與平板第四十五頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測（5-7）

二次波檢測發(fā)現(xiàn)外壁缺陷時，缺陷定位計算公式為：（5-8）式中μ—聲稱修正系數(shù)

m—跨距修正系數(shù)

T—管材壁厚，mmβ—探頭折射角，°

3.探頭入射點與折射角的測定管材檢測中，為了實現(xiàn)良好的耦合，常將探頭修磨成與第四十六頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測管材曲率半徑相同的曲面，如圖5-15所示。但這時探頭的入射點和折射角將發(fā)生變化，因此需要用特殊的方法和試塊重新測定入射點和折射角。

（1）入射點的測定（棱角反射法）

如圖5-16所示，將探頭楔塊的圓弧置于試塊的棱角上，前后移動探頭，使棱角反射波最高時試塊棱角處所圖5-15曲面探頭對應的點即為探頭的入射點。第四十七頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

圖5-16入射點測定圖5-17折射角測定（2）折射角的測定先加工一實心圓柱體試塊，試塊的材質(zhì)、曲率半徑與被探管材相同，在試塊表面附近加工一φ1.5×20mm的橫孔，如第四十八頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測圖5-17所示。將探頭置于試塊上，前后移動探頭，找到φ1.5mm橫孔的最高波，測定探頭入射點A到φ1.5mm橫孔的距離b，并連接過入射點A的直徑AB，這時∠BAC即為探頭的折射角β。由b=AB·cosβ=D·cosβ得（5-9）式中D—圓柱試塊的直徑，mm

探頭的折射角也可由圖5-18所示的試塊測得。該試塊的材質(zhì)、外徑和壁厚與被探管材相同，試塊內(nèi)外壁各加工一個同深度的小槽。設探頭楔塊中的聲程為δ，則示波屏上一次波的聲程a=Ws+δ，二次波的聲程b=2Ws+δ。試塊內(nèi)一次波聲程Ws為：第四十九頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測（5-10）式中b—示波屏上試塊內(nèi)壁小槽對應的讀數(shù)

a—示波屏上試塊外壁小槽對應的讀數(shù)在圖示的△OBA中，由余弦定理得探頭折射角為：（5-11）式中t—試塊的壁厚，mmWs—試塊中一次聲程，mmD—試塊的外徑，mm

圖5-18折射角測定第五十頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

4.精確的探頭入射點與折射角測定推薦方法

（1）采用與工件曲率相同的對比試塊測定將探頭置于如圖5-19所示的對比試塊Ⅰ上，測出橫孔直射波與第一次反射波最大值所對應的簡化水平距離、，根據(jù)對比試塊曲率半徑R、壁厚δ，計算出和

δ/2R的值，從圖圖5-19曲面對比試塊Ⅰ5-20查出折射角β。然后將圖5-21所示的中心發(fā)現(xiàn)儀角度第五十一頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測圖5-20折射角β與δ/2R、圖5-21利用中心發(fā)現(xiàn)儀在對比的關(guān)系試塊Ⅰ上測入射點指針撥到β值，并使指針線通過試塊橫空中心，則中心發(fā)現(xiàn)第五十二頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測儀上β角頂點對應的點即為探頭的入射點。

（2）采用與工件曲率不同的對比試塊測定當工件曲率半徑與試塊不同時，可利用如圖5-22所示的對比試塊Ⅱ來測試探頭的折射角β和入射點。該試塊曲率半徑與工件相差＜10%，試塊的上下曲率半徑不同，共有4種規(guī)格，其曲率半徑尺寸見表5-6。圖5-22曲面對比試塊Ⅱ第五十三頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測表5-6不同規(guī)格試塊的曲率半徑單位：mm

折射角β與入射點的測試方法：將探頭置于對比試塊Ⅱ上，測出第一、第二橫孔最大反射波幅對應的簡化水平距離、，根據(jù)檢測面曲率半徑r從圖5-23（見教材237頁圖7-24）中查出探頭折射角β。然后將圖5-24所示的中心發(fā)現(xiàn)儀指針撥到β值，并使指針線通過試塊橫空中心，則中心發(fā)現(xiàn)儀上β角頂點對應的點即為探頭的入射點。

圖5-24利用對比試塊Ⅱ測入射點試塊編號1234曲率半徑r1191212292360曲率半徑r2179180230324第五十四頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

5.3.3小直徑薄壁管檢測小直徑薄壁管一般為無縫管，其主要缺陷是平行于管軸的徑向缺陷（稱縱向缺陷），有時也有垂直于管軸的徑向缺陷（稱橫向缺陷）。對于管內(nèi)縱向缺陷，一般利用橫波進行周向掃查檢測；對于管內(nèi)橫向缺陷，一般利用橫波進行軸向掃查檢測。如圖5-25、5-26所示。

1.接觸法檢測探頭通過薄層耦合介質(zhì)與鋼管直接接觸進行檢測的方法，一般為手工檢測。這種方法設備簡單，操作方便，機動靈活性強，但檢測效率低。適用于單件小批量及規(guī)格多的情況。第五十五頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測圖5-26縱向缺陷檢測

圖5-25縱向缺陷檢測接觸法檢測小口徑薄壁管材時，由于其管徑小，曲率大,第五十六頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測常規(guī)橫波斜探頭與管材接觸面小，耦合不良，導致波束嚴重擴散，靈敏度低。為了改善耦合條件，常將探頭有機玻璃斜楔加工成與管材表面相吻合的曲面。為提高檢測靈敏度，還可采用接觸聚焦探頭來檢測。實際檢測過程中有機玻璃斜楔磨損較大，斜楔磨損后會引起入射角變化，使檢測靈敏度降低，所以檢測過程中應增加檢測校準的次數(shù)。管徑小到一定程度還必須由機械裝置來保證。

（1）縱向缺陷檢測

1）探頭檢測縱向缺陷的斜探頭，應進行加工使之與工件表面吻合良好，探頭壓電晶片的長度或直徑不大于25mm，探頭的頻率為2.5～5.0MHz。

2）試塊檢測縱向缺陷的對比試塊應選取與被檢鋼管規(guī)格相同，材質(zhì)、熱處理工藝和表面狀況相同或相似的鋼管制第五十七頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測備。對比試塊不得有≥φ2mm當量的自然缺陷，試塊長度應滿足檢測方法和檢測設備要求。對比試塊上的人工缺陷為60°尖角槽，尖角槽的位置和尺寸見圖5-27和圖5-27縱向缺陷對比試塊表5-7。

3）靈敏度調(diào)節(jié)把探頭置于對比試塊上作軸向掃查檢測，將試塊上內(nèi)壁尖角槽（V型槽）的最高回波調(diào)至示波屏滿刻度的80%，再移動探頭找到外壁尖角槽的最高回波，在示波屏上標出，二者波峰的連線為距離-波幅曲線，作為基準靈敏第五十八頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測表5-7對比試塊上人工缺陷尺寸度。一般在基準靈敏度的基礎上提高6dB作為掃查靈敏度。

4）掃查方式探頭沿徑向按螺旋線進行掃查，螺旋線的螺距不能太大，要保證超聲波束對管材進行100%的掃查，并有不少于15%的覆蓋。具體有四種方式：一是探頭不動，管材旋轉(zhuǎn)的同時作軸向移動；二是探頭作軸向移動，管材轉(zhuǎn)動；三是管材不動，探頭沿螺旋線運動；四是探頭旋轉(zhuǎn)，管材作軸向移動。級別長度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）第五十九頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測探頭沿周向掃查，以使聲束在管壁內(nèi)沿周向呈鋸齒形傳播，如圖5-28所示。

5）評定和驗收在掃查過程中，當發(fā)現(xiàn)缺陷時，要將儀器調(diào)回到基準靈敏度，若缺陷回波幅度≥基準靈敏度，則判為不合格。不合格品允許在公差范圍內(nèi)采取修磨方法進行處理，然后再復檢。

圖5-28管壁內(nèi)聲束的周向傳播第六十頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

（2）橫向缺陷檢測

1）探頭檢測橫向缺陷的探頭，應進行加工使之與工件表面吻合良好，探頭的壓電晶片長度或直徑≤25mm，頻率為2.5～5.0MHz。

2）試塊檢測橫向缺陷的對比試塊，同樣應選取與被檢管材規(guī)格相同，材質(zhì)、熱處理工藝和表面狀況相同或相似的管材制成。對比試塊上的人工缺陷為周向尖圖5-29橫向缺陷對比試塊第六十一頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測表5-8缺陷級別劃分單位：mm

角槽，尖角槽的位置和尺寸見圖5-29和表5-8。

3）靈敏度調(diào)節(jié)對于只有外表面人工缺陷的試塊，可直接將對比試塊上的人工缺陷最高回波調(diào)至50%作為基準靈敏度。對于內(nèi)外表面均有人工刻槽的試塊，應將內(nèi)表面人工缺陷的最高回波調(diào)至滿刻度的80%，然后找到外表面人工缺陷的最高回波，二者波峰的連線為距離-波幅曲線，該曲線作為基準靈敏度。等級長度（l）人工缺陷深度（t）Ⅰ40公稱壁厚的5%，最小為0.2，最大為1.0Ⅱ40公稱壁厚的8%，最小為0.2，最大為2.0Ⅲ40公稱壁厚的10%，最小為0.2，最大為3.0第六十二頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測一般在基準靈敏度的基礎上增益6dB作為掃查靈敏度。

4）掃查方式探頭沿軸向按螺旋線進行掃查，以使聲束在管壁內(nèi)沿軸向呈鋸齒形傳播，如圖5-30所示。

5）評定與驗收當發(fā)現(xiàn)缺陷后，儀器調(diào)回到基準靈敏度。若缺陷回波幅度≥基準靈敏度，則該管材為不合格。不合格品允許在公差范圍內(nèi)進行修磨，修磨后復檢。合格級別由供需雙方商定。圖5-30管壁內(nèi)聲束的軸向傳播第六十三頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

2.液（水）浸法檢測液浸法檢測是將液浸縱波探頭置于液體介質(zhì)中，利用縱波傾斜入射到液/鋼界面。當入射角

αⅠ≤α≤αⅡ時，可在鋼管中實現(xiàn)純橫波檢測，如圖5-31所示。常用液體為水，為了增強水對鋼管表面的潤濕作用，需加入少量的活性劑，為防止鋼管生銹，需加入適量的防銹劑。

（1）探頭的選擇小徑管水浸檢測，一般采用線聚焦探頭。對于薄壁管，為提高檢測能力，也可選用點聚焦探頭。探頭頻率一般為圖5-31偏心距的確定第六十四頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

2.5～5.0MHz。聚焦探頭聲透鏡的曲率半徑r應符合下述條件：（5-12）式中c1—聲透鏡中縱波波速，m/sc2—水中波速，m/sF—水中焦距，mm

對于有機玻璃聲透鏡，c1=2730m/s，c2=1480m/s，則：

（2）檢測參數(shù)的選擇

1）偏心距的選擇如圖5-31所示，偏心距是指探頭聲束軸線與管材中心軸線的水平距離，以x表示。入射角α隨偏心距x增大而增大，控制x即可控制α。第六十五頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測偏心距范圍有兩個條件決定：①純橫波檢測條件②橫波檢測內(nèi)壁條件∵∴綜合①、②，得

第六十六頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測又

∴（5-13）對于水浸檢測鋼管，cL1=1480m/s，cL2=5900m/s，cs2=3230m/s，得到偏心距x的選擇條件：（5-14）

可取平均值：（5-15）

式中R—小徑管外半徑，mmr—小徑管內(nèi)半徑，mm

2)水層厚度的選擇如圖5-32所示，在水浸檢測中，要求水層厚度H大于鋼管中橫波全聲程的1/2（即H＞xs）。理由是,第六十七頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測水中cL1=1480m/s,鋼中cs2=3230m/s，cL1/cs2≈1/2。當水層厚度H＞鋼管中橫波全聲程的1/2時，水/鋼界面的第二次回波S2

將位于管子的缺陷波F內(nèi)

（一次波）、

F外（二次波）之后，這樣有利于對缺陷圖5-32水層厚度的選擇的判別。第六十八頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

3）焦距的選擇用水浸聚焦探頭檢測小徑管，應使探頭的焦點落在與聲束軸線垂直的管心線上，如圖5-33

所示。在△OAB中，OA=R，

OB=F-B,則（5-16）式中F—焦距，mmH—水層厚度，mmR—鋼管外半徑，mmx—偏心距，mm

圖5-33焦距的確定第六十九頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

【例1】用有機玻璃聚焦探頭水浸檢測φ42×4mm小徑管。已知cL1=1480m/s，鋼中cL2=5900m/s，cs2=3230m/s。求偏心距x、水層厚度H和透鏡曲率半徑。

解：①求偏心距（平均值）

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

（mm）②求水層厚度Ha.求sinα：第七十頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

b.求sinβs:

c.求鋼中橫波全聲程之半xs

在圖5-32的△ABO中，由正玄定理得：，

∵θ最小為90°∴θ=180°-56.7°=123.3°

φ=180°-θ-βs=180°-123.3°-arcsin0.677=14.2°第七十一頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測又由正玄定理的：（mm）

d.水層厚度選?。篐＞6.2mm，可取H=10mm。③求焦距F

（mm）④求聲透鏡曲率半徑由F=2.2得：（mm）

【例2】水浸聚焦檢測φ60×8mm小徑管，聲透鏡曲率半徑=36mm。求偏心距x和水層厚度H。解：①偏心距：

R=30，r=30-8=22第七十二頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

（mm）②求焦距F：（mm）③求水層厚度H：（mm）

（3）掃查方式水浸檢測時探頭掃查方式為螺旋線，可采取前述的四種方式。無論哪種方式，螺距都應≤探頭聲束的有效寬度且應有15%的覆蓋率。探頭與管材軸向相對移動速度v為：v=nt（n—轉(zhuǎn)速，rad/min；t—螺距，mm）。第七十三頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測實際檢測中，因管子均有一定的不直度，檢測過程中會造成探頭的偏心距x（超聲波入射角α）、水層厚度H發(fā)生變化，嚴重影響檢測結(jié)果。所以，在水浸檢測中保持x（α）、H不變化，是保證檢測結(jié)果的關(guān)鍵。

（4）檢測靈敏度的調(diào)整和質(zhì)量評定

調(diào)整檢測靈敏度的對比試塊與接觸法相同。調(diào)整時，轉(zhuǎn)動水中試塊使內(nèi)外壁人工槽回波均達50%基準高，以此作為基準靈敏度?；鶞熟`敏度基礎上提高6dB作為掃查靈敏度。檢測中，當缺陷回波≥基準靈敏度時，應判為不合格。不合格品允許在壁厚的公差范圍內(nèi)進行修磨，然后再復檢。第七十四頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測

5.3.4大直徑薄壁管檢測

超聲檢測中，大口徑管一般指外徑Do＞100mm的管材。大口徑管曲率半徑較大，探頭與管壁聲耦合較好，通常采用接觸法檢測，批量較大時也可采用水浸檢測。接觸法檢測時，若管徑較小，為實現(xiàn)更好的聲耦合，也需將探頭斜楔磨成與管材表面相吻合的曲面，也可在探頭前加裝與管材吻合良好的滑塊，如圖5-34所示。大口徑管成型方法較多，圖5-34探頭前加裝滑塊

第七十五頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測如穿孔法、高速擠壓法、鍛造法和焊接法等，因此大口徑管內(nèi)缺陷比較復雜，既可能有平行于軸線的徑向和周向缺陷，又可能有垂直于軸線的徑向缺陷。常用的檢測方法有：縱波垂直入射檢測法、橫波周向、軸向檢測法。

（1）縱波垂直入射檢測法如圖5-35所示，對于與管軸平行的周向缺陷，一般采用縱波單晶直探頭或雙晶直探頭檢測。當缺陷較小時，缺陷波F與底波B同時出現(xiàn)，這時可根據(jù)F波的高度來評價缺陷的當量大小。當缺陷較大時，底波B將會消失，此時圖5-35縱波垂直入射檢測法第七十六頁，共86頁。第五章板材和管材超聲檢測可用半波高度法來確定缺陷的面積大小。

（2）橫波周向檢測法如圖5-36所示，對平行于管軸的徑向缺陷，常采用橫波單斜探頭或雙斜探頭進行周向檢測。單斜探頭檢測如圖5-36a）所示，此時缺陷的判別與普通斜探頭檢測類似?？紤]到缺陷的不圖5-36橫波周向檢測同取向，為避免a）單斜探頭檢測b）雙斜探頭檢測第七十七頁，共86頁。