圆形钢棒的超声波检测方法解析

圆形钢棒的超声波检测方法解析

王磊

海洋石油工程股份有限公司天津300452

摘要：超声波检测技术作为一项先进的无损检测技术在近年来得到了广泛的应用，但是在应用过程中还是存在一些问题。本文中对圆形钢棒超声波检测的全过程进行了阐述，从钢棒的常见缺陷，检测方法的选择、仪器设备的要求、检测试块的使用、检测程序的综述、检测结果的分析以及自动检测进行介绍，对圆形钢棒的超声波检测方法进行技术解析。

关键词：圆形钢棒；超声波检测；方法解析

引言

在实际探伤过程中，超声波能在均匀介质中传播，遇缺陷形成反射。此时，缺陷可以被看作新的波源，其发出的波被探头接收，波峰曲线可以直观显现在屏幕上。缺陷越小，缺陷回波越不会扰乱探头声场。材质和焊接方法不同，会使焊缝表面不光滑，加之大多危险性缺陷都垂直于工件表面，因此，实际生产过程中超声波检测一般采用斜探头在焊缝两侧与钢板直接接触时所产生的折射横波来扫描探测。

1.超声波检测方法概述

超声波检测技术对缺陷的评定主要有3个方面的因素，即定位、定性、定量。由于缺陷对超声波的反射特征受工件结构、坡口形式、母材和焊材、焊接方法等方面的影响，在显示屏上呈现了动态和静态的波形图，使评定结果的准确性变得较低，加上无损检测人员技术水平的差异，容易出现误。

2.圆形钢棒的常见缺陷及交货要求

2.1常见缺陷

该类圆形钢棒一般系指公称直径不大于250mm的热轧和锻制合金结构钢棒材，常见的缺陷除了在注锭阶段潜伏的缩残、气泡、白点、夹杂等缺陷外，在开坯初轧成形等塑性加工过程中，还会产生过烧、粗晶、折迭、翅皮、裂纹等目视可见缺陷，圆形钢棒中的缺陷一般以纵向居多，偶见横向缺陷。

2.2交货要求

钢棒的交货状态通常以热轧或热锻状态交货。根据需方要求，也可以热处理（退火、正火或高温回火）状态交货。在该类圆形棒材的交货检测项目中包括化学分析、热顶锻、低倍组织、非金属夹杂物、晶粒度、脱碳层以及超声波检测、表面质量的要求。本文仅对超声波检测进行讨论解析。

3.超声波检测表面要求和方法选择

3.1表面要求

被检钢棒的表面应无影响耦合的氧化皮、污物、油漆以及凹坑等缺陷。如有这些情况，应使用适当的方法清除或者进行机加工，以满足检测要求。

3.2探头及检测方法选择

探头频率的选择应能满足穿透被检钢棒的能力和分辨力的需求，一般可以取2~10MHz，探头晶片直径（边长）为10~28mm。探测大直径（大于80mm）的圆形钢棒时，探测频率一般选用2.5MHz；探测中直径（40~80mm）及小直径（小于40mm）的圆形钢棒时，选用5MHz以上。探测直径较大的圆形钢棒，可用纵波接触法，而直径小的圆形钢棒或自动探测时，可采用液浸法。为提高发现缺陷的能力，通常采用液浸法聚焦探头。

3.3纵波和横波探测

采用纵波液浸法探测圆形钢棒时，探头固定在可调节的V形槽架上，将探头架置于与圆形钢棒直径相同、并具有人工缺陷的参考样棒上，调节探头使声波主线垂直于人工孔平面（缺陷波最高），并调节探头与圆形钢棒表面的液体厚度，使第二次界面波出现在底波之后，然后将探头架移至被测圆形钢棒上，沿长度方向进行探测，每探测一次后，将探头与圆形钢棒相对移动40°~50°圆周角，再进行探测。一般探测3~4次即可。若圆形钢棒中有缺陷，则在第一次界面波与第一次底波间出现缺陷波。为使声能集中，减少声波在圆形钢棒上的散射，常将焦点聚在圆形钢棒圆心处或圆心以上，还可用横波和表面波探测。

3.4耦合剂

液浸法。可使用水，水中应无气泡和影响超声检测的外来物质。为防腐蚀和减少钢棒和探头形成气泡，可以适当添加防腐剂和润滑剂。接触法。可使用水、油、水溶性凝胶等，耦合剂的黏度和表面润湿性应足以保证超声能量很好地传入钢棒中。

4.试块与探伤仪

4.1试块

试块分标准试块和对比试块，标准试块是用于仪器探头系统性能校准和检测校准的试块，标准试块应采用与被检工件声学性能相同或者近似的材料制成。对比试块是用于检测校准的试块。对比试块的外形应能够代表被检工件的特征，试块的厚度应与被检工件的厚度相对应。如果涉及两种或两种以上不同厚度部位的检测，试块的厚度应由最大厚度决定。对比试块反射体的形状、尺寸和数量应符合标准规定。

4.2探伤仪

探伤仪采用A型脉冲反射式超声波探伤仪，其原理是通过探头向工件中周期性发射不连续且频率不变的超声波，根据超声波的传播时间以及幅度判断工件中缺陷的位置和大小。A型显示是一种波形显示，探伤仪荧光屏的横坐标代表声波的传播时间或距离，纵坐标代表反射波的幅度，由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅度可以估算缺陷大小。目前常用的检测仪器都是数字化的智能仪器，操作和缺陷的判断越来越简便明了。调整仪器和设备，使对比试块上的最大声程孔及最小声程孔的回波高度均不低于荧光屏满幅度的80%，以此为灵敏度。接触法检测直径或厚度大于3m的钢棒时，可采取底波法进行灵敏度调整。

5.检测程序

横波检测时，应使斜角探头在工件内产生35°~75°的横波，并使来自对比试块的各参考发射体的回波均不低于荧光屏满幅度的80%。扫查间距不得超过探头有效声束宽度50%~80%，扫查速度不应超过某一最大值，用次/此最大值扫查时，对比试块中任何埋藏深度的平底孔回波均能被发现。检测的报警水平应按相应的质量等级的多个不连续的平底孔尺寸的反射幅度进行设置，报警的触发水平应为检测灵敏度的50%，对于C、D级则按单个不连续尺寸的反射幅度设定。在检测结束时，需核对其灵敏度。在连续检测时，每隔2小时应核对灵敏度变化情况。发现异常时，应重新校验标准灵敏度，校准后再进行复检。

6.自动探测

探测前，应作静态和动态调试。首先将8个探头在参考样棒上依次调整，使其灵敏度一致，然后再作八通道探头的自动传递调试，当8个探头对人工缺陷依次扫查时，如荧光屏上依次出现缺陷波，并予报警，则静态调试完毕。然后再作动态调试，参考样棒以20~30m/>91的速度通过探头架，若缺陷报警分辨清楚，无杂波进入报警波门，发现缺陷后能自动在缺陷处打印标记并能自动分选，藕合油无气泡等，此时，高速旋转参考样棒往返多次，确认各部件均处于稳定工作状态时，则动态调试完毕。为确保探伤结果正确可靠，应定时用参考样棒进行校验。

7.其它方法

圆形钢棒（直径为20~60mm）尚可用组合双探头探测，组合双探头，由两块晶片组成（一发、一收），两晶片互成角度放在与圆形钢棒曲面相吻的有机玻璃块上，其夹角以85°~95°为佳（两晶片中心与圆形钢棒中心连线的夹角）。由于发射晶片的声束以某一扩散角度入射棒内，故棒内既有纵波，又有折射横波，这样，可探测圆形钢棒中心及近边缘的缺陷。

8.结束语

超声波作为当前最重要的无损检测技术之一，是多种安全检测的首选方式。但要做到对缺陷的性质判定准确、可靠，不仅要靠对设备结构的熟悉、参数的合理选择，还需要无损检测人员在实践工作中不断积累经验和提高技术水平，总结焊缝缺陷的波形及其特性，这样才能更有效地保证设备制造合格、运行安全、维护到位，同时还能为改善工艺技术、提高劳动效率提供科学有效的技术支持。

参考文献：

[1]全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核委员会组织编写.超声波探伤[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2007.

[2]GB/T4162-2008，锻轧钢棒超声检测方法[S].

[3]NB/T47013.3-2015，承压设备无损检测第3部分超声检测[S].