中国核工业第五建设有限公司 上海市 201512
摘要：在工程建设期间，部分管材在到货后需要按照NB/T 47013-2015标准进行超声波检测复验，但由于工作紧、任务急，只加工了V型槽对比试块，未采购测量入射点和折射角的试块，如何根据现有的试块测量出探头的入射点和折射角，成为了本次超声检测最大的难点，本文通过对超声波检测理论分析，选用合适的试块，计算出探头的入射点和折射角，达到了预期检测效果。
关键词：管材；超声波检测；入射点；折射角
引 言
在工程建设期间，需要对部分管材进行超声波检测复验，以保证建设期间质量，但由于在试块加工时，只加工了V型槽试块，未采购专门测量探头入射点和折射角的试块。若不能测量探头的入射点和折射角，不但不能对缺陷进行准确定位，而且也会影响对回波的判断。
本文通过对超声检测的理论分析，结合现有的试块，将探头的入射点和折射角能够准确的测量，对仪器进行校准，总结出了适合管材的超声检测工艺。
1、背景
在示范堆管材到货后，需要对管材端头按照NB/T 47013-2015标准进行超声波检测复验。而管材检测最重要的目的是检测内、外壁的纵向裂纹。
由于在试块加工时，只加工了V型槽试块，未采购测量探头入射点和折射角的试块，但由于工作紧、任务急，需要急需解决探头入射点和折折射角的测量，否则将会影响超声波检测缺陷的定位和回波的判断，无法实施超声波检测。
由于管材规格较多，本文选择对规格为Φ88.9*15.24、材质为SA335P91 的管材超声波检测进行分析讨论，计算出探头的入射点和折射角，从而调节零偏和声速，制作DAC，实现现场检测。
2、试验准备
本文采用HS610e超声波探伤仪，Φ88.9*15.24的V型槽试块（材质为SA335P91，规格为Φ88.9*15.24mm制作），5MHz 9×9 K1探头（Φ88.9*15.24），尺子，机油。
3、理论分析
若根据棱角反射法测法测量探头入射点，则这种方法不大方便，同时精度也不高，会对检测造成影响。而众所周知，超声波仪器的工作原理为：超声波检测仪器的同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描和发射电路，扫描电路受触发开始开作，在光屏上产生一条水平扫描线，与此同时，发射电路受触发产生高频脉冲，施加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波，超声波在工件中传播，遇到反射体反射，返回探头时，被压电晶片转变为电信号，经过接收电路放大和检波，在仪器显示屏上显示。根据这一理论，再结合现有的V型槽试块，本文将探头置于试块管外侧，如图1所示。
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图1 一次反射波示意图
将探头置于管壁外侧，找到外表面V型槽的一次反射波的最高回波，若D点为外表面槽的位置，A点探头入射点，则ACD即为超声波的路径。
假设探头前沿为a，探头最前端到一次反射波的外表面V型槽D点的外弧长为c。
再将探头置于外表面，找到内弧V型槽最高回波，如图2。则超声波的传播路径即为MI段，假设此时探头入射点至内弧V型槽外表面的外弧距离为d，即。
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图2 一次波示意图
根据图2和图3分析，图3为图2的一部分，将这两图结合起来，按照图2进行分析。
根据超声波传播特性分析，即有 即有：
2（d+a）=c+a
则有 a=c-2d
则计算出了探头前沿，则确定了探头的入射点。
假设探头折射角为θ，管内半径为r，外半径为R，∠AOC=α，根据超声波传播特性，则有∠AOC=∠COE=α。而=d+a；
则根据公式 =
则有 =
则有 α=180°（d+a）/πR
根据△ACO余弦定理：
则有 AC²=OC²+OA²-2* OC* OA*cosα 其中OC=r，OA=R，
则可计算出AC值：
AC=
再根据△ACO正弦理：
则有 AC/sinα=OC/sinθ，由于OC=r
则有 θ=arcsin（r*sinα/AC）
从而计算出折射角θ值。
由上述公式可知，AC为一次波的声程，ACD=2AC为一次反射波的声程。
4、入射角和折射角的测量
将探头置于管材外表面，找到外表面V型槽的最高回波，测量出探头最前端至外表面V型槽的距离c=26mm，再将探头置于管材外表面，找到内表面V型槽的最高回波，测量出探头最端至内表面V型槽的外弧长d=6mm，根据上节公式，可以计算出探头前沿a=14mm，折射角为θ=35°。
5、零偏和声速调节
根据上述公式计算可知，超声波在传播过程中，一次波声程AC=22mm，一次反射波声程ACD=44mm，将探头置于外表面，找到一次波内表面V型槽的最高波，调节零偏，使一次波最高波位置声程显示值为AC的数值，再将探头置于外表面，找到一次反射波外表面V型槽的最高回波，调节声速，使一次反射波最高波位置声程显示值为ACD的数值，反复按照前面步骤进行调节，直至调节至一次波和一次反射波声程显示数值分别与AC值和ACD值一致为止。则此时的零偏和声速调节完毕。
将计算出的前沿a值和折射角θ，输入仪器中。
6、验证
打开参数，将管材外径和内径输入仪器中，并打开曲面修正，将探头置于试块外表面，找到外表面V型槽一次反射波最高回波，此时仪器深度读数为30.5mm，水平为25.7mm，声程为44.2mm，从而进一步验证了以上推论的准确性。
7、灵敏度调节
将探头置于管材试块外表面，找到内表面V型槽的一次波最高回波，此即为DAC曲线的第一个点，再将探头置于试块外表面，找到外表面V型槽的一次反射波的最高回波，此即为DAC曲线的第二个点。将两点相连，即DAC曲线制作完成。
8、检测
现场检测管材规格为Φ88.9*15.24，材质为SA335P91，采用锻造工艺加工而成，根据NB/T47013-2015进行检测，Ⅰ级合格。
由于现场检测时，一次性无法全部扫查整个圆周，我们采用的是分段进行检测。
注意事项：
1、检测过程中，探头与管材应紧密贴合，防止耦合效果不佳，造成非缺陷波的产生；
2、检测前应将表面清理干净，防止非缺陷波的产生。
总结
本文通过对规格为Φ88.9*15.24mm，材质为SA335P91的管材超声检测波的检测，通过理论计算出探头入射点和折射角，从而校准设备，达到了检测的目的。
参考文献：
[1] NB/T47013.3-2015 承压设备无损检测 第3部分：超声检测
[2] 郑晖 林树青 超声检测 中国劳动社会保障出版社 2008年