蔣桂通，王 猛，閆留青，路正道，常英魁

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

為解決導(dǎo)管架和組塊結(jié)構(gòu)焊縫超聲波檢驗(yàn)過程中遇到的眾多不便，比如：鋼樁和導(dǎo)管環(huán)焊縫探傷時(shí)需要頻繁轉(zhuǎn)管，焊縫處于狹窄、高處、弦外空間時(shí)，探頭很難或無法接觸到焊縫掃查面而增加檢驗(yàn)難度的問題。設(shè)計(jì)一種用于焊縫探傷的超聲波探頭夾持工具，此探頭夾持工具主要由手柄、伸縮桿、旋轉(zhuǎn)軸、磁性探頭套組成。將探頭固定在磁性探頭套內(nèi)，磁性探頭套可將探頭與工件表面吸附，在不用手按壓的情況下使探頭與工件保持良好接觸和耦合，磁性探頭套與伸縮桿通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸連接，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸可使探頭上下左右旋轉(zhuǎn)，可使探頭各個(gè)方向掃查，根據(jù)需求調(diào)整伸縮桿長(zhǎng)度，伸縮桿與磁性探頭套可自由拆裝，既可達(dá)到幫助手臂伸長(zhǎng)的目的，又可達(dá)到解放手的情況下探頭依然穩(wěn)定吸附在工件表面的目的。在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，磁場(chǎng)是否會(huì)對(duì)超聲波信號(hào)產(chǎn)生影響，影響的程度是否進(jìn)而影響到探傷結(jié)果成了關(guān)鍵問題。因此，有必要進(jìn)行磁場(chǎng)對(duì)超聲波信號(hào)影響的試驗(yàn)研究。

1 磁場(chǎng)的種類選擇

磁場(chǎng)主要分為動(dòng)磁場(chǎng)和恒磁場(chǎng)，動(dòng)磁場(chǎng)主要由交電流、脈沖電流、脈動(dòng)直流電產(chǎn)生。恒磁場(chǎng)主要由永磁體產(chǎn)生，或者通以直流電的電磁場(chǎng)也能產(chǎn)生恒磁場(chǎng)。

在設(shè)計(jì)磁性探頭套時(shí)，由于探頭內(nèi)部的構(gòu)造中含有電纜線、壓電晶片等部件，可能受到磁場(chǎng)的影響，如果探頭套采用動(dòng)磁場(chǎng)，交流電、脈沖電流或脈動(dòng)直流電本身會(huì)影響超聲波信號(hào)，其產(chǎn)生的動(dòng)磁場(chǎng)可能對(duì)探頭的影響相對(duì)復(fù)雜，因此探頭套采用永磁體制作，產(chǎn)生的磁場(chǎng)是靜磁場(chǎng)[1]。這種磁場(chǎng)對(duì)探頭的影響會(huì)相對(duì)小些或者無影響，并且永磁體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。

2 器材選擇

器材選擇如下：（1）設(shè)備選USM35 超聲波探傷儀；（2）試塊選IIW 試塊；（3）永磁體4 塊，其中2塊S 極，2 塊N 極；（4）探頭2 組，第1 組是GE 的B5F 5Z20N直探頭和SIUI的5Z20N直探頭，第2組是GE 的 MWB 70-4 4MHz 8X9 斜探頭、SIUI 5Z10X10A70 斜探頭和多普勒的A5P10X10A70 斜探頭[2]。

3 試驗(yàn)方案

4塊永磁體的磁力大小和磁極并非完全一樣，因此對(duì)永磁體進(jìn)行編號(hào)：分別為A、B、C和D，磁力依次從小到大。A、B 同為S 極，相斥；C、D 同為N極，相斥；A與C相吸，B與D相吸。

將直探頭放置在IIW試塊25 mm面上，調(diào)整底波至深度顯示25 mm，波幅高度為滿屏的50%，記錄此時(shí)增益dB 值。用1 個(gè)永磁體、2 個(gè)相斥的同極永磁體、2個(gè)相吸的異極永磁體貼近探頭，測(cè)試磁場(chǎng)對(duì)超聲波信號(hào)的影響。將斜探頭放置在IIW試塊25 mm面上，調(diào)整底面端角反射波深度顯示25 mm，波幅高度為滿屏的50%，記錄此時(shí)增益dB 值。用1 個(gè)永磁體、2 個(gè)相斥的同極永磁體、2 個(gè)相吸的異極永磁體貼近探頭，測(cè)試磁場(chǎng)對(duì)超聲波信號(hào)的影響。

4 試驗(yàn)實(shí)施

4.1 對(duì)直探頭進(jìn)行試驗(yàn)

（1）對(duì)GE 的B5F 5Z20N 直探頭進(jìn)行測(cè)試，將探頭置于IIW25mm 面上，校準(zhǔn)儀器，將底波高度調(diào)整到滿屏的50%，固定探頭，加永磁體觀察顯示屏上的深度讀數(shù)和波幅變化，先在上側(cè)加1個(gè)永磁體，再在側(cè)面加1個(gè)永磁體，最后在兩側(cè)加2個(gè)永磁體。不加磁體時(shí)，將底波高度調(diào)整到滿屏的50%，儀器顯示的dB 值為17.0 dB，加磁體后依然保持17.0 dB 的增益下，峰值高度滿屏的50%不變。

（2）對(duì)SIUI 的5Z20N 直探頭也進(jìn)行同樣的測(cè)試，不加磁體時(shí)，將底波高度調(diào)整到滿屏的50%，儀器顯示的dB 值為20.0 dB，加磁體后依然保持20.0 dB的增益下，峰值高度滿屏的50%不變。

（3）兩個(gè)直探頭的測(cè)試結(jié)果如表1所示，從表中可以總結(jié)出，使用直探頭測(cè)試板厚或者板材中是否存在夾層時(shí)，磁場(chǎng)對(duì)直探頭產(chǎn)生的超聲波信號(hào)高度沒有影響[3]。由于Sa聲程沒有隨著施加磁場(chǎng)的變化而變化，說明磁場(chǎng)對(duì)直探頭產(chǎn)生的超聲波聲速也沒有影響[4]。

表1 直探頭測(cè)試結(jié)果

4.2 對(duì)斜探頭進(jìn)行試驗(yàn)

（1）對(duì)GE的MWB 70-4 4MHz 8X9斜探頭進(jìn)行測(cè)試，將探頭置于IIW25 mm面上，校準(zhǔn)儀器，將底面端角反射波高度調(diào)整到滿屏的50%，固定探頭，此時(shí)，增益為59 dB，峰值高度50%。

（2）在前面加一個(gè)磁體，波幅高度無變化，如圖1所示。

圖1 GE斜探頭前面加1個(gè)磁體測(cè)試

（3）在上側(cè)加一個(gè)磁體，波幅高度也無變化。

（4）但在側(cè)面加一個(gè)磁體后，峰值高度發(fā)生了變化，顯示波幅降低了10dB，也就是說磁場(chǎng)對(duì)超聲波信號(hào)高度產(chǎn)生了影響，此時(shí)使用的是磁場(chǎng)強(qiáng)度最小的磁體A，接下來使用磁體B、C、D進(jìn)行測(cè)試。發(fā)現(xiàn)波幅降低分別為15 dB、17.2 dB、18.6dB，也就是說，磁場(chǎng)越大波幅降低的越明顯，如圖2所示。

圖2 GE斜探頭側(cè)面加1個(gè)磁體測(cè)試

（5）當(dāng)在側(cè)面加兩個(gè)異極相吸磁體后，波幅高度發(fā)生了明顯變低，顯示高度不足滿屏的5%，說明波幅降低了超過20 db，如圖3所示。

圖3 GE斜探頭兩側(cè)加異極相吸磁體測(cè)試

圖4 GE斜探頭兩側(cè)加同極相斥磁體測(cè)試

表2 斜探頭測(cè)試結(jié)果

（6）當(dāng)在側(cè)面加兩個(gè)同極相斥磁體后，波幅高度也發(fā)生了變化，但不是降低，而是增高，顯示波幅高度增加了3.2 dB，如圖4所示。

（7）以同樣的步驟測(cè)試SIUI 5Z10X10A70斜探頭和多普勒的A5P10X10A70 斜探頭，發(fā)現(xiàn)多普勒的A5P10X10A70斜探頭效果和GE的斜探頭一致，而汕頭超聲的斜探頭在各個(gè)方向施加磁體后波幅沒有任何變化，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

4.3 試驗(yàn)小結(jié)

在直探頭方面，無論磁體放在什么位置，都不會(huì)對(duì)探頭產(chǎn)生的超聲波信號(hào)產(chǎn)生影響[5]。

在斜探頭方面，磁場(chǎng)對(duì)SIUI 的斜探頭產(chǎn)生的超聲波信號(hào)幅度和聲速都沒有影響。

無論是哪種探頭，磁場(chǎng)對(duì)超聲波信號(hào)的聲速?zèng)]有影響[6]。

磁場(chǎng)對(duì)GE的斜探頭和多普勒的斜探頭產(chǎn)生的超聲波信號(hào)幅度有一定的影響，當(dāng)磁體放在探頭前側(cè)和上側(cè)時(shí)沒有影響；當(dāng)磁體放在探頭側(cè)面時(shí)影響明顯，且隨著磁場(chǎng)的強(qiáng)度加大而影響程度增大，兩側(cè)相吸的磁場(chǎng)使波幅降低最嚴(yán)重，兩側(cè)相斥的磁場(chǎng)反而使波幅有所增高。

5 結(jié)束語

對(duì)聲速的影響決定了對(duì)缺陷定位影響，對(duì)波幅高度的影響決定了對(duì)缺陷大小的評(píng)定[7]。在對(duì)特殊空間的焊口進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)使用磁性探頭套時(shí)，直探頭和SIUI 的斜探頭產(chǎn)生的超聲波信號(hào)不受磁場(chǎng)影響，可以直接使用磁性探頭套。GE 的斜探頭和多普勒的斜探頭產(chǎn)生的超聲波信號(hào)受磁場(chǎng)會(huì)影響到波幅高度，但不影響聲速，也可以使用磁性探頭套，使用時(shí)先測(cè)試一下使用前后的波幅差值，將差值考慮進(jìn)去再對(duì)缺陷進(jìn)行定量也是可取的[8]。最通用的方法就是，不用考慮哪個(gè)型號(hào)的探頭，只要校準(zhǔn)時(shí)使用了磁性探頭套，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)焊縫時(shí)依然使用磁性探頭套則不需要考慮磁場(chǎng)的影響。