无缝钢管超声波探伤机耦合水层厚度的设计方法

陈洪法

摘 要：本文主要讨论了超声波探伤机在无缝钢管探伤检测时超声波探伤的基本原理、以及耦合水层的设计方法，其中对耦合水层的水距进行了具体讨论，希望能够为实际探伤检测提供参考。

关键词：耦合水层；超声波探伤机；无缝钢管；设计方法；水浸法

一、前言

随着社会的发展和科学技术的不断进步，机械行业的精度要求不断提高，这对无缝钢管等设备的精度保证技术也提出了更高的要求，无损检测技术在我国的机械、冶金、化工、军事、交通的企业中非常常见。超声波探伤机是无损检验技术的一种精度较高的方法，在无缝钢管等设备产品的生产中发挥了非常重要的作用。

无缝钢管是一种截面有中空、周围没有接缝的长条钢材，无缝钢管引起中空截面被大量运用于流体运输，比如暖气、自来水、石油等物料的输送。无缝钢管具有很强的抗弯矩和抗扭矩能力，而且相对于圆钢等实心钢有更加轻便的优点，广泛运用于机械零件和结构件的制造，并且带来了很大的经济效益。因此，在现代制造业中，要注重保障无缝钢管的制造精度和产品质量，提高无缝钢管的使用性能。

二、无缝钢管超声波探伤检验方法探伤原理

超声波探伤机对无缝钢管探伤的主要原理是超声波探伤机通过超声波探头将电能和声能相互转换并在弹性介质中传播的物理性质。定向发射的超声波束在管中傳播时会遇到缺陷，波束会产生反射和衰减现象，获得的信号波会在探伤器中进行信号处理，如果是波束反射信号则会获得缺陷回波信号；如果是波束衰减信号，探伤仪处理器会根据波的衰减程度来获得缺陷信号。

超声波探伤机在运作时，探伤仪的高频脉冲发生器会发出一个电脉冲到探头上，利用压电效应将电脉冲转换成超声脉冲，然后通过传递介质（一般是水）将脉冲传递到工件内部。由于超声波的传输速度快，脉冲的频率很高，在转化为更好的视觉效果，在示波器上显示的回波信号产生了不变动的探伤图像。超声波探伤机的主要功能是测定缺陷的位置和大小，在工作前应当对测距以及测距标度进行校正，测距标度的校正主要的方法有标准试块法或对比试块法。测距标度的确定是超声波探伤的重要环节，测距标度一旦确定下来，就能根据实际测量情况来确定缺陷的位置。

三、超声波探伤机耦合水层的设计方法

超声波探伤机在探伤时，由于探伤机的探头与被测钢管之间会存在空气，超声波在空气中将传递会迅速衰减而不能进入被测钢管中，因此为了让超声波更好的透射进入被测钢管，需要在探头和被测钢管之间添加一些耦合介质来排除无缝钢管中的空气。耦合介质即耦合剂，根据不同的耦合方式可以采用不同的物料来选取，在制造业中使用的超声波探伤机耦合剂通常有水（自来水）、机油、甘油（丙三醇）、水玻璃、润滑油等常用介质。超声波探伤机耦合方式主要有接触法和水浸法，由于本文主要讨论水浸法，所以采用的耦合剂为水。

1.水浸法的原理

超声波探伤机水浸法实质上指的就是将纵波探头和钢管放到水里面，纵波直探头位于钢管表面的垂直方向，与钢管保持一定距离，在水的折射原理下，可以实现钢管内部横波探伤。 超声波探伤机的探头一般与被测钢管面之间有一层水层，水层的厚度与钢管厚度、声速以及具体的探伤要求有关，同时，为了保证钢管表面的湿润程度从而防止钢管生锈，一般会加入一定量的湿润剂或者防腐剂，比如洗洁精、三乙醇胺混合液等。

2.水浸法检测时应注意的问题

（1） 水的温度应当保持与被测钢管相同，而且有一定的湿润能力，防止对超声波探伤机的检测结果造成影响。此外，水必须保持一定的清洁程度，不能混入杂质和气泡等悬浮物质，因为超声波在水中的散射波的传射轨迹会受到这些因素的影响，从而阻碍了超声波探伤仪对于超声波的发射和接收。为了防止这样的现象发生，通常的做法是将作为介质的水静置一段时间，必要时还需要在水中加入一些净水剂（明矾），排除水中的杂志和气体，在温度较低情况时可以采用加热的方式加速这个净化的过程。

（2）在超声波以一定角度射向耦合水层时，应当时刻注意入射角度的准确性，由于钢材的纵波声速是水的纵波声速的四倍左右，因此在水中即使发生了一度左右的入射角变化，钢材中也会相应地发生四度的变化，会产生较大的检测误差，因此必须要注意精确性的问题。同时，温度也会在一定程度上对水的纵波声速产生影响，所以在用水浸法检测时，一定要保持温度的稳定性。

（3）通过上述分析可知，水的纵波声速与被测钢材的纵波声速差异比较大，在水浸法检测无缝钢管的曲面时，会产生较为明显的超声波束收敛和扩散的现象，会对检测结果造成影响。因此，在实际测试被测钢管的声场距离振幅特性时需要采用对比试块校正法来减少测量结果的误差。

（4） 水浸法探伤检测的理想情况是将声场的近场区设置在水层中，从而将灵敏度好而且声压合理分布的区域设置在被测钢管中，并且保证在超声波探伤机示波器的显示结果上，钢管底波出现在耦合水层和钢管表面的二次界面回波的后面，避免误检漏检的现象发生。同时，还要确定合适的耦合水层厚度，避免超声波散射等严重影响检测结果的现象发生，具体的耦合水层厚度（水距）选择在下面进行讨论。

3.超声波水浸法探伤耦合水层厚度的确定

水浸法探伤的水层厚度确定主要遵从满足探伤检测灵敏度要求的基本原则，同时还应当考虑检测效率的要求。作为中间耦合介质的水层，其厚度的选择应当保证水和钢管表面的二次界面波出现在底波的后面，而且为了避免超声波束在入射界面上发生散射的可能（声波的散射会降低探伤机的探伤灵敏度），应当将耦合水层的厚度控制在小于声场近场区的范围内。假设钢管的厚度为H、水层厚度为h，声场的近场区为M，根据实际测量情况（温度、压力等）和相关的标准规定取水的纵波声速为1460 m/s，取钢的纵波声速为5950 m/s、横波声速为3320 m/s。可以看到，钢的纵波声速约为水的纵波声速的4倍，因此声场近场区大于水层的厚度和钢管厚度的四分之一（ ）。

（1）当h < H时，在超声波探伤机的示波器显示屏上显示的图像先是耦合水层和钢管曲面的二次界面波，然后再出现钢管的底波，因此在二次界面波的干扰下，不能明确地判断出钢管内是否有缺陷，这种情况的检测结果误差较大。

（2）当h = H时，耦合水层和钢管表面的二次界面波会与钢管底波发生重叠现象，二者出现的时机也重合了，因此在这种情况下，会很容易忽略掉探伤检测的某一种结果，出现漏检的可能。

（3）当h > H时，根据超声探伤机示波器显示屏显示的结果，钢管底波会出现在二次界面波之前，这种情况下，探伤机的探伤检测结果会更加准确，非常有助于探伤工作的进行。

（4）当h < M时，这是在超声波探伤机的探伤工作过程中应当保证的基本条件，由上述内容可知，声场近场区大于水的纵波声速有利于保证超声波在钢管的入射表面上发生正常的折射，有效防止超声波散射现象从而导致探伤灵敏度的降低，应当予以重视。

根据上述讨论，可以选择耦合水层的厚度约为钢管厚度的三倍，这样就能够满足基本的探伤水层要求。

四、结束语

随着人类社会的不断发展，机械零件和结构件的生产对于质量和品质的要求越来越高，科学技术的发展也为我们提供了像超声波探伤机这样的无损检测装置，带来了很大的经济效益。影响探伤机探伤检测结果的因素有很多，本文主要讨论了耦合水层的影响，并介绍了相应的设计方法。

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