大容积钢制无缝气瓶瓶口螺纹的小角度纵波超声检测

杨静 王骞 欧三立

摘 要：随着环保越来越受到人们的重视，天然气以其价格优势和低碳环保的属性，已经普遍应用于汽车能源市场。然而，受制于我国的国情，我国天然气管道建设还远落后于实际生产所需，为了解决天然气运输问题，长管拖车的使用则变得日益重要。随着近些年我国长管拖车保有量的不断增加，如何保证长管拖车安全的使用就成为亟待规范和把控的关键问题。

关键词：天然气管道;长管拖车;超声波检测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.013

在运行的过程中，长管拖车的受力情况十分复杂，特别是大容积无缝气瓶瓶口部位要承受瓶体产生的动、静载荷，并将这些载荷传递给法兰，因此瓶口部位是长管拖车的关键部位。根据受力可知，瓶口在截面上的受力是并不均匀的，且越接近表面受力越大，所以瓶口的裂纹主要产生在瓶口的表面和近表面。另外瓶口长期经受交变载荷，易造成金属的疲劳，降低了金属的抗拉强度和疲劳极限，从而容易在瓶口螺纹部位产生横向裂纹。

然而，长管拖车用大容积无缝气瓶在定期检验的过程中，为了保证法兰的完整性和不破坏瓶口外螺纹，而不能拆卸法兰，因此无法在外表面做磁粉检测。这时使用小角度纵波超声检测从瓶口端面检测就成为了最为可行的办法。

1 小角度纵波超声检测的原理

小角度纵波超声检测方法如图1所示，将小角度探头置于瓶口端面，调整探头角度使探头的主声束朝向瓶口螺纹方向，利用探头折射的纵波进行探伤。当折射的纵波辐射到螺纹部位时，螺纹部位的反射会在超声探伤机上显示清晰的锯齿形波形如图2。若螺纹根部存在横向裂纹，辐射到裂纹部位的超声就会产生比正常螺纹更加强烈的声波反射，从而在超声探伤仪上显示一个比正常螺纹反射更高的反射波如图3。根据波高的高低和在扫描时间轴上的位置，便可判断裂纹的大小和在瓶口的位置。

2 探头的选择

（1）探头频率的选择。晶片发出的超声波，其方向在某一个范围内，声束是不扩散的。可是，发射到一定程度时，由于晶片的制约力减弱，声束就开始扩散。声速的半扩散θ与频率T、晶片直径D和声速C的关系为：

由上述公式可知频率越高，晶片尺寸越大，半扩散角越小，声束便更加集中，从而使灵敏度变高。所以实际探伤中，为了提高探伤灵敏度一般采用5MHZ的探头。

（2）探头角度的选择。瓶口在使用过程中由于受到复杂的交变应力作用，一般會在螺纹根部产生横向裂纹，所以可以采用纵波直探头和小角度纵波斜探头。图4和图5分别是直探头和小角度斜探头检测同一深度人工缺陷的灵敏度发射波形。由图4和图5可见，检测同一深度为77mm，开口深1.5mm的横向缺陷，当缺陷波高都为80%时，斜探头的灵敏度为50.8dB，直探头为56.7dB，相差5.9dB。所以，为了提高检测灵敏度应采用小角度斜探头。

如图1所示，为了检测到瓶口根部直段，超声波经折射后的折射角α应满足如下：

其中H≈23mm，L≈110mm。

α≤arctan（H/L）=arctan（23/110）=11.8o

又由表1可以得知，在满足α的同时，只能选择探头角度为3o或5o的小角度斜探头。

3 缺陷和伪缺陷的识别

正常瓶口螺纹探伤过程中，无缺陷的反射波形为锯齿形波形，各螺纹反射波波幅相差不大且有一定的规律性。当螺纹底部出现裂纹时，这种规律会被打破，而出现个别明显高于周围螺纹波的反射波，或因裂纹波的遮挡而在这个较高的反射波后出现一段空白。因此根据裂纹波的特点来比较正常螺纹和带有裂纹螺纹的反射波就不难判定螺纹底部是否存在裂纹。

但同时，长管拖车在长期的运行过程中，瓶口螺纹与法兰之间相互磨损，会在瓶口螺纹与法兰之间产生台阶，导致在超声探伤中发现缺陷显示，所以探伤人员要根据实际情况综合各种信息判别该缺陷波是否为裂纹反射波。如果无法判断，可将法兰拆卸进行磁粉检测，以防止出现漏检或误检。

4 结论

综上所述，正确地采用小角度纵波斜探头进行瓶口螺纹探伤，既能很好的解决法兰无法拆卸而导致的检测盲区，也能快速准确的检测出螺纹根部出现的横向裂纹缺陷，从而提高检测效率、增加经济效益。但同时，缺陷和伪缺陷的识别也需要探伤人员长期的经验积累。

参考文献：

[1]郑辉，林树青.超声检测[M].中国劳动社会保障出版社，2008.

[2]李邦宪，张君鹏，陈祖志.长管拖车定期检验案例及剖析[M].北京：化学工业出版社，2013.

[3]TSG R0005-2011移动式压力容器安全技术监察规程[S].

作者简介：杨静（1989-），男，土家族，湖北利川人，学士，助理工程师。