管道弯头超声波检测探头的选择和提高耦合效果的探讨

　　火力发电厂承压汽水管道弯管和弯头是管道的薄弱部位,因其内部受到汽水介质的腐蚀和冲刷,再加上弯头是管道的应力集中区,所以经常在弯头的内外壁出现裂纹和腐蚀缺陷,严重影响机组设备的安全稳定运行。

　　对弯头内壁裂纹或腐蚀缺陷的检验,超声波检测具有方便、快捷、成本低、检出率高等明显优势。但是由于管道弯头的曲率问题而导致部分曲率较大的弯头在检测时探头耦合存在一定的难度。如何从探头的结构和设计以及性能上进行综合考虑来合理地选择探头和解决探头耦合不良问题,从而提高弯头超声波检测的灵敏度是管道弯头超声波检测技术的主要问题。

　　1　通用横波探头的结构和设计

　　1.1　探头结构

　　这里介绍的是应用波型转换得到横波的通用横波探头的主要结构。横波探头主要由声陷阱、透声楔、晶片、阻尼块、电气接插件和外壳等几部分组成,如图1所示。为了在工件中产生折射横波,压电晶片产生的纵波要倾斜入射到工件表面上,因此横波探头的晶片是倾斜放置的。由于有一部分声能在透声楔边界上反射后,经过探头内的多次反射,会返回到晶片被吸收,使发射脉冲的宽度加大,形成固定干扰波。所以,需要设置声陷阱来吸收这部分声能。声陷阱有许多结构形式,可以采用在透声楔某部位打孔、开槽和贴付吸声材料等办法来制作。

　　横波探头常用方形晶片,与圆形晶片相比,方形晶片增加了靠近工件部分(即晶片下半部分)的发射强度,此晶片所发射的声波在透声楔中声程越短,受到的衰减越少,所以使用方形晶片可明显提高灵敏度。

　　横波探头的透声楔多用有机玻璃制作,因为这种材料易于加工,在5 MHz以下的衰减系数较适宜,即通过它而进入工件的声能衰减不是很严重,而对于声陷阱内多次发射的声能又有足够的吸附作用。频率高于5 MHz时,用衰减系数比有机玻璃更小的材料做透声楔,可能更合理。有机玻璃透声楔的另一个优点是与工件的耦合特性好。有机玻璃的缺点是不耐磨,易于破碎。

　　1.2　探头设计

　　横波探头的入射角一般都在第一临界角和第二临界角之间。当入射角小于第一临界角时,得到的全是纵波,当入射角大于第二临界角时,几乎得不到任何波型,只有当入射角介于第一临界角和第二临界角之间时,得到的才全部是横波。为了方便实际探伤,常用的折射角一般为35°、40°、45°、60°、70°和80°。

　　横波探头的常用频率是1.25 MHz～2.5 MHz,也有采用5 MHz的。随着探头频率的降低,探头的尺寸就相应地增大,否则难以保证具有良好的指向性和提供足够尺寸的声陷阱。所以一般1 MHz以下的小型斜探头采用单晶片的较少,而是多采用双晶片结构形式。当频率较高时,探头尺寸一般可以较小,因为高频率小晶片具有较好的指向性,而有机玻璃对高频超声波的吸收较强,故声陷阱的尺寸也可以做得小些。同时,较高探伤灵敏度也要求超声波在有机玻璃块内的声程短一些。