吳海燕，吳揚(yáng)寶，高東林，張倫兆

（北京有色金屬研究總院，北京 100088）

隨著我國(guó)管材制造工業(yè)的發(fā)展，無縫管材正朝著大直徑的方向發(fā)展。其對(duì)于探傷的要求越來越多，越來越高。很多廠家大多采用手工探傷方法，探頭與鋼管的接觸是用機(jī)油、漿糊等作耦合劑探傷，存在探頭磨損大、探傷速度慢等問題，影響生產(chǎn)效率。為了提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，采用超聲波水浸法自動(dòng)探傷可滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

1 水浸法探傷原理及方法

所研制的水浸探傷設(shè)備采用脈沖反射法對(duì)管材進(jìn)行探傷。探傷形式為探頭左右擺動(dòng)調(diào)整，管材螺旋前進(jìn)。局部水浸法探傷所得管材中的缺陷由超聲波探傷儀判別，計(jì)算機(jī)記錄缺陷大小并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化探傷目的。管材超聲波水浸法探傷需注意下列幾點(diǎn)：

圖1 φ500～1000mm管材水浸法探傷

（1）管材水浸法探傷的波形與接觸法不同，除始波外，還有界面波，如圖1所示。為了充分利用儀器的示波屏，并使缺陷波形顯示清晰，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)儀器的“水平”和“掃描時(shí)間”旋鈕，使始波不顯示，一、二次界面波得到顯示。另外也可采用跟蹤觸發(fā)方式，即儀器的掃描電路由界面脈沖觸發(fā)，這時(shí)沒有始波顯示，只有界面波顯示。當(dāng)探頭位置調(diào)試正常時(shí)，探頭左右擺動(dòng)調(diào)整改變?nèi)肷浣?，管材轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)，在一、二次界面波之間顯示缺陷波形。

（2）探傷機(jī)械設(shè)備應(yīng)有良好的精度（即同心度）和隨動(dòng)性，以保證動(dòng)態(tài)情況下界面波的位置和幅度無顯著變化。

（3）應(yīng)經(jīng)常保持探頭聲透鏡表面潔凈，為此除定時(shí)檢查清洗外，還必須保持耦合用水的清潔。

（4）水浸法探傷用16通道儀器組合探頭，設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化探傷。必須保證各通道具有基本一致的探傷靈敏度。

（5）探傷中應(yīng)注意隨時(shí)排除各種干擾信號(hào)，防止造成誤報(bào)警現(xiàn)象。

2 超聲波水浸法自動(dòng)探傷設(shè)備構(gòu)成

φ500～1000mm管材超聲波水浸法自動(dòng)探傷系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 超聲波水浸法自動(dòng)探傷設(shè)備構(gòu)成

2.1 探傷主機(jī)

探傷主機(jī)由升降裝置、水箱、隨動(dòng)裝置、組合探頭和調(diào)節(jié)裝置組成。升降裝置的作用是保證主機(jī)中心與鋼管在輥道上中心一致。組合探頭裝在水箱內(nèi)，由探頭調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)入射角。為了保證入射角穩(wěn)定且波形晃動(dòng)較小，隨動(dòng)裝置起到水箱與鋼管隨動(dòng)作用，如圖3所示。

2.2 隨動(dòng)裝置

水浸法探傷時(shí)，探頭不直接與管材接觸，而是通過水來耦合。若管材螺旋前進(jìn)時(shí)有一定波動(dòng)，將造成入射角改變，缺陷波形也隨之改變，非常不利于探傷。為了減少缺陷波形波動(dòng)，設(shè)計(jì)了隨動(dòng)裝置，以保持探頭到管材表面距離的相對(duì)穩(wěn)定。隨動(dòng)裝置主要是在水箱上裝有彈簧，保證水箱可以上下隨動(dòng)，水箱下方有輥輪，可以左右移動(dòng)，以此達(dá)到隨動(dòng)目的，起到減少界面波晃動(dòng)，使缺陷波形相對(duì)穩(wěn)定的效果。

圖3 探傷主機(jī)

2.3 組合探頭結(jié)構(gòu)

2.3.1 組合探頭結(jié)構(gòu)

探頭是由7個(gè)單一的線聚焦探頭組合而成的，如圖4所示。探頭晶片面積大有利于提高檢測(cè)速度，但晶片面積過大會(huì)影響探頭靈敏度分辨力及聲阻抗，故一般選擇為φ10mm左右。

實(shí)際每個(gè)晶片的尺寸為20mm×12mm，是由同一塊晶片切割而成，制作成組合探頭，探頭晶片相隔間隙為2mm。組合探頭有效長(zhǎng)度150mm。每一個(gè)探頭分別由儀器每個(gè)通道控制。探頭頻率5MHz。晶片材料鋯鈦酸鉛。

按照以上方法制做的組合探頭特性基本相同。由于線聚焦探頭呈直線排列，利用聲場(chǎng)擴(kuò)散原理，各個(gè)探頭之間有一定的覆蓋區(qū)域，寬度等于若干探頭的聲場(chǎng)有效寬度之和，故探傷螺距成倍增大，從而提高了探傷速度，如圖5所示。同時(shí)水程距離變化對(duì)探頭掃查效果有直接影響，所以必須控制在一定范圍內(nèi)，不然影響探傷儀計(jì)算機(jī)對(duì)缺陷的判別。

圖5 組合探頭性能示意

2.3.2 組合探頭要求

同一組合探頭的靈敏度誤差應(yīng)小于4dB。探頭之間聲束要求平行，即探頭晶片要求在同一平面上。探頭要求有較高的機(jī)－電轉(zhuǎn)換效率，以得到較高的探傷靈敏度。脈沖持續(xù)時(shí)間要短，激勵(lì)后可盡快回到靜止?fàn)顟B(tài)，以便獲得較高的縱向分辨力和較小的盲區(qū)。要求有良好的波形，即有接近高斯曲線的頻譜分布曲線。要求有適當(dāng)?shù)穆曌杩?，以獲得較高輻射效率。

2.4 探傷靈敏度的調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)探傷靈敏度時(shí)，采用長(zhǎng)度小于40mm的人工缺陷，深度為壁厚的8%～15% 。首先將人工缺陷放置在組合探頭上方，組合探頭轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)入射角，轉(zhuǎn)動(dòng)管材找到人工缺陷顯示波最大波高，并將報(bào)警閘門放置在缺陷波上。此時(shí)需注意組合探頭必須放置在與管材平行位置，水程距離要適當(dāng)。

2.5 輥道及傳動(dòng)裝置

輥道是由兩個(gè)相對(duì)滾輪組成的滾輪組，單體滾輪可以轉(zhuǎn)動(dòng)角度并能夠相向調(diào)節(jié)距離。有八對(duì)滾輪組由萬向聯(lián)軸節(jié)相互連接，組成旋轉(zhuǎn)輥道。滾輪開合大小根據(jù)管材直徑調(diào)節(jié)。滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以由旋轉(zhuǎn)螺距調(diào)節(jié)。輥道由鏈輪與變速箱連接形成傳動(dòng)裝置。傳動(dòng)裝置可以正反方向轉(zhuǎn)動(dòng)也可以步進(jìn)調(diào)速度，如圖6所示。

圖6 錕道及傳動(dòng)裝置

3 結(jié)語

所研制系統(tǒng)已經(jīng)在廠家得到實(shí)際應(yīng)用，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用探頭擺動(dòng)方式改變?nèi)肷浣沁M(jìn)行探傷，調(diào)節(jié)方便。

（2）采用線聚焦組合探頭，掃描螺距大并且一致性好，顯著提高了探傷靈敏度。

（3）實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化探傷，大大提高了生產(chǎn)效率。

（4）解決了探頭磨損問題，使用了廉價(jià)的水耦合介質(zhì)，降低了生產(chǎn)成本。