热挤压管嘴的超声波检测

李 伟

（武汉重工铸锻有限责任公司，武汉 430084）

核电超级管道管嘴（图1），由过去分体焊接成型改为热挤压直接成型，是一次制造工艺的更新。但热挤压管嘴工艺的可行性及其产品质量，需用无损检测方法予以验证。

图1 热挤压管嘴结构示意图

对照热挤压管嘴制造工艺，无损检测的重点部位是：① 管嘴变形最重要的部位内、外R弧处。② 管嘴热变形的热影响区。

对无损检测重点部位，除应采用磁粉检测方法、渗透检测方法检查表面缺陷外；对变形部位的内部质量，还应采用超声检测方法进行检测，笔者介绍了热挤压管嘴的超声检测方法并验证了其可靠性。

1 制造过程及缺陷位置

核电超级管道管嘴的制造工序是：先在经过超声检测合格的母管上，机械加工一定尺寸的孔；然后在对孔部加热的同时，配以相应的工装进行热态挤压；随着管嘴的拔长及壁厚的变薄，达到规定尺寸时停止变形。

根据金属挤压延伸变形的方向，可以确定产生的缺陷主要为：在内、外R弧及附近区域沿管嘴轴线环向分布的表面（或表层下）撕裂及管嘴外表面（或表层下）的折叠；在管嘴直管段与轴线同方向的内、外表面（或表层下）撕裂。由于热挤压时管嘴内外表面受力的不同（内表面以拉伸力为主，外表面以压缩力为主），缺陷产生的范围一般是：在内R弧两侧各50mm左右，外R弧两侧各25mm左右的区域。

2 检测方法分析

（1）将需检测的部位进行区域划分，即分成内层和外层。外层是指管嘴内、外壁表面及其表层下（一般约5mm，这是基于变形情况下，所产生缺陷的最大厚度范围的考虑）的区域，其余则为内层。

（2）确定缺陷的评定基准，即设定检测灵敏度。因管嘴是在原母管的基础上热挤压而成的，故管嘴是母管的一部分；因母管需按核电相关标准超声波探伤合格，故管嘴的超声波探伤标准应与原母管的超声波探伤标准相同。进而管嘴检测用对比试块的制作也有了依据。

（3）根据检测范围选定探头的类别［1］。例如：利用盲区小的纵波双晶探头，检测表层下的缺陷；利用穿透力强的纵波探头检测内层和大声程范围的缺陷；利用不同折射角的横波探头，检测可能存在的具有一定角度的危害性缺陷，同时保证声束扫查时能覆盖整个R弧区域。

（4）经计算机模拟作图及综合考虑，选择检测用探头时，主要从以下几方面考虑：

为使声束达到管嘴内壁的R处，需要选用前沿尽量小的探头；实际检测时探头的扫查轨迹是一个马鞍形，为了获得良好的耦合效果，探头与工件的接触表面应尽量小，因此在满足检测灵敏度的前提下，晶片尺寸应尽量小；为增强发现细小缺陷的能力和使用一次反射波进行检测，应选用频率较高的探头，以提高超声波束的指向性，且有利于信号的分辩。

（5）实际检测时，分别在管道的内、外表面进行扫查（除纵波探头在管嘴端面扫查外）。为了增强耦合效果，采用黄油作耦合剂，以减少管嘴变形区域表面的不平整带来的耦合损耗。使用表面波检测时，表面的黄油只能均匀地涂抹薄薄的一层，防止厚薄不均对超声波信号造成干扰，影响对结果的判定。

3 对比试块及检测工艺

3.1 对比试块

为检测到可能存在的各方向的缺陷，实现对产品的全面检测，必须制作相对应的全尺寸对比试块。

根据RCC－M标准的相关规定，按以下要求制作对比试块（图2）：① 按热挤压管嘴的母管实物1∶1制作。② 选取管嘴本身0°和90°两处（结构上最有代表性的部位），制作人工缺陷。③ 对比试块人工缺陷位置：按管嘴最大高度制作φ2mm平底孔台阶试块；在母管上刻内、外表面轴向、周向槽；按规格的不同，分别在管嘴部刻内、外表面轴向、周向槽。

图2 对比试块外观示意图

所有对比试块内、外表面人工槽尺寸（长×宽×深）均为：25mm×1.5mm×1.5mm。

3.2 检测工艺

（1）采用φ14mm，5MHz的双晶纵波探头，在管嘴的内、外表面及R弧处进行扫查。利用双晶探头近距离检测灵敏度高的特点，分别检测管嘴的内、外表面的近表层区域，减少盲区的影响，尽可能提高表层下缺陷的检出率。检测灵敏度为φ2mm平底孔。如图3中①所示。

图3 检测扫查示意图

（2）采用6mm×6mm，5MHz，45°，35°二种角度的横波探头，分别利用一次直射波和二次反射波，沿管嘴的轴向、周向进行扫查，检测管嘴区域可能存在的不同方向的内部和表面缺陷；并尽可能使声波的入射方向与预计的缺陷方向垂直，提高缺陷的检出率。检测灵敏度为对比试块上内、外表面人工槽。如图3中②，③，④所示。

（3）采用φ14mm，5MHz的纵波探头，在管嘴的端面进行扫查。由于声波的入射方向与预计的缺陷方向垂直，所以若存在沿管嘴环向分布的缺陷则会有明显的回波显示。检测灵敏度为φ2mm平底孔。如图3中⑤所示。

（4）采用6mm×6mm，5MHz的表面波探头，分别在管嘴的内、外表面特别是R弧部位附近进行扫查。利用表面波对表面微小裂纹的检出灵敏度高及其可以沿R曲面传播的特性，有针对性地检测R弧区域的表面，以弥补其他探头检测该部位时的不足。检测灵敏度为对比试块上内、外表面人工槽。如图3中⑥所示。

4 检测结果与分析

4.1 检测结果

4.1.1 直探头及双晶探头纵波检测

以声程1∶1调节仪器，未发现缺陷显示（见图4）。

图4 直探头纵波检测位置图

4.1.2 横波检测

采用两种不同角度的探头进行检测，且两个角度之间的差值最好能达15°。

采用横波探头外表面检测时，试用60°（约K2）斜探头进行扫查。当探头接近管嘴外R弧边缘到抵达R弧边缘（图5）时，在仪器上观察到有大于等于人工槽回波幅度的反射波。围绕管嘴R弧整圈扫查几乎都存在这种现象。通过计算，该回波所处的位置为内壁R弧处，深度在内R弧顶表面，怀疑所检测到的信号是内R弧表面存在缺陷所致，但对该部位反复进行磁粉和渗透检测均无缺陷显示，且用手沾油拍击内R弧相应部位，回波无跳动。

图5 斜探头横波检测位置图

为验证回波部位，改用56°（约K1.5）斜探头扫查，同样在图5位置出现回波，回波深度变大；再改用68°（约K2.5）斜探头扫查，也出现回波显示，但其深度变小。后改换45°横波探头扫查，未见反射回波。所有斜探头横波检测均以深度1∶1调节仪器。

4.2 综合分析

通过对上述检测结果的分析，初步判断回波显示非缺陷原因造成，而是轮廓界面显示所致。理由如下：

（1）如是缺陷波，则缺陷位置是固定的，用不同K值探头检测，其缺陷深度不应有明显变化，变化的应是探头的位置。

（2）缺陷的回波幅度不会如此接近，且其应按管嘴“马鞍”型R弧全走向分布。

（3）计算几种不同K值斜探头的声程及折射角度后，发现45°的声程较短，折射角度小，且由于管嘴外表面的限制，声波在最大声程处只能到达内R弧的下边缘，因折射的原因，无反射回波。而其他几种角度斜探头的声程较长，折射角度大，在管嘴外表面与45°探头相同位置时，声波的最大声程处可达位于内R弧顶部区域，可能会有一部分的声波反射回来。

（4）为证实此推断，对管嘴的剖面形状及厚度尺寸进行了测量，画出了1∶1草图。经过对图样的作图比较，证实了回波确由内壁R弧顶部轮廓产生。

（5）在排除了非缺陷引起回波的同时，也说明了采用折射角不小于56°的横波斜探头的检测效果不佳。主要体现在：折射角不小于56°斜探头声束扩散过于明显，导致经过底面一次反射后，人工缺陷的回波能量低，信号不易辨认；有较强的结构反射信号，干扰缺陷信号的判别。

（6）原考虑采用60°斜探头检测管嘴内壁R处的下部缺陷，但理论计算及作图分析表明，采用折射角更小的35°斜探头来增加管嘴近表面区域的检测效果更好，且35°和45°斜探头已经能清晰地发现内壁R弧表面的人工缺陷信号，说明原K2斜探头预计的检测区域已经得到了有效覆盖。因此，无需再采用60°斜探头进行扫查。

5 结语

（1）通过试验，了解了热挤压管嘴的结构特点和声学特性。

（2）再次证实超声检测中，并非所有形状回波在用手拍击受检部位时都能产生跳动。例如，在用手拍击管嘴内R弧表面轮廓时，其回波基本不动。又例如：对于CSK－ⅠA试块，当声束对准R100圆弧时，用手拍击该圆弧声束位置，其回波也基本不动。（3）多次采用单一角度检测，相对来讲设备成本较低、使用灵活。如果采用相控阵检测，可以利用扇扫的功能一次性实现对各不同角度、深度缺陷的扫查，实现检测的全覆盖，提高检测效率，但对检测出的非缺陷回波（轮廓界面显示）仍需仔细分析、正确判断缺陷回波信号。

［1］ 胡天明.超声探伤［M］.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1994.