本文通過幾何作圖的方法并從聲學原理的角度討論在對高頻焊直縫鋼管的焊縫進行超聲橫波探傷時，應該注意選擇適當晶片尺寸的問題。指出在管直徑較小時使用較大尺寸的晶片會在工件上產生表面波及其他波型的干擾，從而影響純橫波探傷時對焊縫缺陷的正確判斷。給出了晶片尺寸與管半徑的關系供選擇探頭時參考。本文對于其他同類型的管材橫波探傷也有參考意義。 

主題詞 無損檢測 焊縫 超聲檢測 

1.問題的提出

筆者在為某大型鋼管公司提供超聲波探傷技術咨詢服務時發現，該公司對高頻焊接鋼管直焊縫進行超聲橫波探傷時，探傷工人以為采用大探頭可以加快探傷速度，于是使用晶片尺寸為13X13的2.5P-K1.5探頭（探傷儀是汕頭產CTS-23型），探傷對象是油田用的高頻焊直縫鋼管，規格有外徑四英寸、五英寸、六英寸、八英寸、十英寸和十二英寸，壁厚從3.5毫米到10.31毫米。探傷驗收標準按美國石油協會的API標準即3.0毫米直徑的徑向通孔（柱孔），探傷耦合劑為機油或漿糊。 

在這樣的探傷條件下，探傷過程中經常有回波信號出現并且被判斷為缺陷信號。實際上通過觸摸法和聲程位置判斷以及解剖證實均不是焊縫缺陷回波，結果造成的誤判率曾高達到90%。造成這樣高的誤判率除了探傷工人本身操作技術問題和判傷經驗不足以外，分析起來其使用的探頭晶片選擇不當也是一個重要的原因。為此,筆者進行了理論上的分析計算和探討如下。 

2.晶片尺寸大小與在管材上激發純超聲橫波的關系

如后面附圖所示，通過簡單的幾何作圖可以推導出斜探頭晶片的切向尺寸D與鋼管外半徑R以及晶片上下邊緣聲線在鋼管曲面上入射角的關系有： 

α' = arcsin[sinα+(D/2R)] 

α''= arcsin[sinα-(D/2R)] 

式中：α' 為晶片上邊緣聲線在管材表面上的入射角；α''為晶片下邊緣聲線在管材表面上的入射角；α 為晶片聲軸線在管材表面上的入射角；R 為管材外半徑

從圖中可以明顯看到α'＞α＞α''，根據所采用的管材直徑和探頭型式有以下計算結果，見表1至表4。 

表1 2.5P13x13K2探頭（聲軸線入射角α= 49.7°） 

鋼管外徑 4英寸 5英寸6英寸8英寸10英寸12英寸

a′ 62.95° 59.89° 57.99° 55.76° 54.47° 53.64° 

　(27%) (21%) (17%) (12%) (10%) (8%) 

a″ 39.4° 41.32° 42.64° 44.32° 45.36° 46.06° 

　(-21%) (-17%) (-14%) (-11%) (-9%) (-7%) 

注：表中括號內的數字表示與聲軸線入射角相差的百分數，以下均同。 

表2 2.5P8x10K2探頭（聲軸線入射角α=49.7°） 

鋼管外徑 4英寸 5英寸6英寸8英寸10英寸12英寸

a′ 57.29°55.66° 54.6° 53.33° 52.58° 52.08° 

　(15%) (12%) (10%) (7%) (6%) (5%) 

a″ 43.15° 44.4° 45.25° 46.33° 46.98° 47.43° 

　(-13%) (-11%) (-9%) (-7%) (-5%) (-5%) 

表3 2.5P13x13K1.5探頭（聲軸線入射角α=45.2°） 

鋼管外徑 4英寸 5英寸6英寸8英寸10英寸12英寸

a′ 56.88°54.29° 52.64° 50.67° 49.53° 48.78° 

　(26%) (20%) (16%) (12%) (10%) (8%) 

a″ 35.56° 37.39° 38.63° 40.21° 41.18° 41.83° 

　(-21%) (-17%) (-15%) (-11%) (-9%) (-7%) 

表4 2.5P8x10K1.5探頭（聲軸線入射角α=45.2°） 

鋼管外徑 4英寸 5英寸6英寸8英寸10英寸12英寸

a′ 52.03°50.58° 49.65° 48.5° 47.82° 47.38° 

　(15%) (12%) (10%) (7%) (6%) (5%) 

a″ 39.11° 40.28° 41.08° 42.08° 42.69° 43.1° 

　(-13%) (-11%) (-9%) (-7%) (-6%) (-5%) 

注：探頭斜楔材料按有機玻璃縱波速度2730米/秒；鋼中橫波速度按3200米/秒，鋼中縱波速度按5900米/秒。 

討論： 

從計算結果可以發現，晶片直徑（或切向邊長）相對鋼管直徑為較大的時候，其上邊緣聲線入射角已經接近或超出其二臨界角（對于有機玻璃-鋼界面，其二臨界角為58°左右）從而會激發出表面波造成干擾，鋼管的曲率越大和晶片直徑越大則激發表面波的機會越大，這是其一。此外，從近聲場特性來看，晶片直徑越大，相對于一定的頻率和材料其近場長度也越大，眾所周知，脈沖超聲波束在近場內呈收斂狀態至N點后再發散，因此對于一般斜探頭斜楔中聲軸線聲程為10-15毫米的情況下，2.5P13X13斜探頭在有機玻璃斜楔中的近場長度約有38.41毫米而2.5P8X10斜探頭在有機玻璃斜楔中的近場長度則只有約14.55毫米，顯然后者上下邊緣聲線的收斂程度大于前者，因而其上下邊緣聲線入射角將會更接近聲軸線的入射角，亦即有利于聲束的集聚，這是其二。第三個可能造成干擾的因素是在對壁厚僅有3.5毫米的鋼管探傷時，若晶片直徑相對于壁厚較大，則有可能會因為粗大的波束在鋼管薄壁中反射形成疊加干涉而激發出某種模式的蘭姆波造成干擾。 

因此，在綜合考慮探傷靈敏度和探傷速度的情況下，適當選擇切向邊長較小而軸向尺寸較大（即較寬）的晶片應該是有利的。 

3.實際探傷驗證

考慮到探傷對象是壁厚與外徑之比在0.02-0.05范圍的薄壁管，采用K2探頭較有利于發現常見的徑向取向的焊縫缺陷，故選擇聲束相對扁寬且能保證發射功率以保證探傷靈敏度的2.5P8X10K2探頭進行探傷。 

通過對原來探傷判定不合格的數百噸鋼管改用2.5P8X10K2探頭進行全部復驗，確認約90%的鋼管并非存在不合格缺陷而不該判廢，從而避免了重大的浪費。采用改進后的探傷工藝在以后的探傷中也大大降低了虛假缺陷回波信號的出現幾率，大幅度提高了探傷的可靠性，顯著降低了探傷的誤判率。 

4.結論

綜上所述，筆者認為在鋼管超聲橫波探傷中，應當注意探頭晶片尺寸與鋼管曲率的關系，特別是曲率較大的鋼管應當采用切向尺寸較小的晶片。在綜合考慮探傷靈敏度和探傷速度與效率的需要情況下，適當選擇切向邊長較小而軸向尺寸較大（即較寬）的晶片有利于減少干擾回波信號的產生。