Making  A Comparison of Basic Sensitivitiy of Several Standard Reflectors in Ultrasonic Testing for Thinner-wall Butt Welded Joint

Su Ning    Huang Ting-ting    Chen Lei   Wang Gen-ping    Wang Jin-ping       

(Shanghai  Shanhong Industry Development Company Ltd,Shanghai,200065) 

Abstract:  Basic sensitivity，i.e.scale line(SL),is served as datum line for comparing sensitivity of several standard reflectors. It was carried on by using two theoretical calculations. Practical determination  was carried out by means of defferent probes,ultrasonic flaw detectors and personnel,then comparison was done.

Keywords: standard reflector   basic sensitivity   comparison   thinner-wall

 1 引言

时有同行提出质疑:探母材壁厚10mm左右的较薄壁焊缝,为什么选用粗长横孔作标准反射体?短横孔Ø1×6mm对较薄壁焊缝不是更适宜吗? 

本公司的主要业务之一为城市燃气管道环缝检测。上海市工程建设规范《城市煤气、天然气管道工程技术规范》DGJ08-10-2004 、J10472-2004规定，燃气管道的焊缝超声波检验按《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》（GB11345）执行。GB11345中的标准反射体是Ø3×40mm长横孔。

也有人按《承压设备无损检测》JB/T4730.3-2005(试块CSK-IIA)委托检测，CSK-IIA中的标准反射体是Ø2×40mm长横孔。

在JB/T4730.3-2005中，列有试块CSK-шA（与CSK-IIA并列）。CSK-шA 的标准反射体是Ø1×6mm短横孔。

如果就事论事地看，采用Ø3×40mm、Ø2×40mm和Ø1×6mm标准反射体均有标准可依，前述问题似乎可以到此为止。但是问题并没有真正得到解答，有必要作较为深入的探究。

2 怎么比

  究竟哪种标准反射体更为合适，我们认为可以从以下几个方面进行讨论：

  2.1 DAC基准线（以标准反射体制作的距离—波幅曲线）的形状，形状相仿才有可比性。如果曲线不是单调变化的，就难以比较。如果两曲线相交则要分区段讨论。

    2.2可以想像，Ø3×40、Ø2×40、 Ø1×6 DAC基准线的波高是不同的。大致形状如图1所示。图中的Ø1×20是为了便于比较而引入的非标准反射体,其出处见引文【1】。

     图1  几种反射体的DAC曲线示意图

          对于确定的斜探头,存在着确定的近场区长度N。在3N之外,理论上说,长横孔Ø3×40比Ø2×40高10lg(3/2)≈1.76dB,Ø2×40比Ø1×20高10lg2≈3dB。

          直接比较Ø3×40、 Ø2×40和 Ø1×6没有意义,但可以把相关标准中的基准灵敏度(即定量线SL)取出来,用SL进行比较。因为缺陷波高一旦达到SL,就要定量、测长、评定等级和记录。也就是说，看Ø3×40-10dB、Ø2×40-12dB、Ø1×6-3dB(壁厚＞15mm时)和Ø1×6-6dB(壁厚为8～15mm时)，哪条线的波高较低，则灵敏度较高。

2.3  如果SL有高低，那么差距有多大？实际上每次测试的数据都有些变动，一般认为间距在2dB之内可以认为灵敏度是相近的。【2】

2.4  不同的标准反射体各有特点，“Ø1×6短横孔探伤灵敏度近于并略高于Ф2平底孔”【3】，但“从检查焊缝中线状缺陷……的角度看，长横孔有其独特……之处”。【4】“合脚的鞋才是合适的鞋”，选择标准反射体还应与预期检出的缺陷类型有关。

2 理论计算

为便于计算，将最常用的探头5P9×9K2.5，以及其它适用的探头2.5P8×12K2.5、2.5P9×9K2、2.5P8×12K1的有关数据计算列入下表：

表1          探头相关参数

表中：

(1) 未扩散区,对于矩形晶片,bo=2（deˆ2）/λ,de为晶片的有效半径.de≈(Fs/π)ˆ（1/2），Fs为晶片面积。

(2) 近场区，N=〔Fs/(πλs2) 〕•cosβ/cosα, cosβ/cosα在UT-II教材中有表可查。

(3) 钢中近场区长度N´=N-L1•tgα/tgβ，此处L1取10mm, tgα/tgβ在UT-II教材中有表可查。

(4) 3N点对应深度:(3N-L1•tgα/tgβ)•cos(arctgK).

3.1计算方法一

根据文献【3】，用方形换能器检测，同孔径的长横孔与短横孔的分贝差ΔN用下式计算：

ΔN=10lg(2λx/π)-20lgL          (x≥bo时，式中L—短横孔的长度)

求得Ø1×20与Ø1×6之差后，算出Ø2×40与Ø1×6之差（增加3dB）,再算出Ø3×40与Ø1×6之差（再增加1.76dB），由此得表2、表3：

例1

表2  各种反射体与ø1×6mm短横孔反射信号高度差值ΔN (dB)

〔探头：5P9×9K2.5 ,bo=80mm,cos(arctg2.5)=0.37〕

纵向比较表中数据，可见用这种计算方法算出的基准灵敏度，Ø3×40-10dB比Ø1×6-3dB灵敏，Ø2×40-12dB比Ø1×6-3dB、Ø1×6-6dB都灵敏。

例2

   表3.  各种反射体与ø1×6短横孔反射信号高度差值ΔN (dB)

〔探头：2.5P8×12K2.5,bo=47.4mm,cos(arctg2.5)=0.37〕

纵向比较表中数据，可见Ø3×40-10dB与Ø1×6-3dB有交叉，自深30mm开始，Ø1×6-3dB比Ø3×40-10dB灵敏。Ø2×40-12dB比Ø1×6-3dB灵敏，在深20mm、30mm处，Ø2×40-12dB比Ø1×6-6dB灵敏一点。

3.2计算方法二

X≥3N时，长横孔回波声压Pf长≈(PoFs/2λx)•(Df/2x)ˆ(1/2),式中Df为长横孔直径。

X≥3N时，短横孔回波声压Pf短=(PoFs/λx)•（lf/2x）•(Df/λ)ˆ(1/2),式中lf 为短横孔长度，Df为短横孔直径。

计算各反射体与Ø1×6短横孔反射信号高度差ΔN可用公式：

ΔN=20lg(Pf长/Pf短)，得表4.

例3  

表4 计算法二，基准灵敏度比较（以探头5P9×9K2.5为例）

纵向比较表中数据，可以看出，Ø3×40-10dB比Ø1×6-3dB灵敏, Ø2×40-12dB比Ø1×6-3dB、Ø1×6-6dB都灵敏。在深30mm处, Ø3×40-10dB比Ø1×6-6dB灵敏.

例4

表5  计算法二,基准灵敏度比较（以探头2.5P8×12K2.5为例）

纵向比较表中数据，可以看出，Ø3×40-10dB在深20mm、30mm处比Ø1×6-3dB灵敏, Ø2×40-12dB比Ø1×6-3dB、Ø1×6-6dB（30mm以下）灵敏。

综合两种计算结果，可以归纳出三点：

(1) Ø2×40-12dB比Ø1×6-3dB灵敏;

(2) 在孔深30mm以内，Ø2×40-12dB比Ø1×6-6dB灵敏;

(3) Ø3×40-10dB与Ø1×6-3dB相比，结果不统一。

3 实测

为了获得比较客观的结果，采用了多个探头、多台超探仪、多人进行测试。

现以探头5P9×9K2.5（编号4283）、超探仪PXUT-27的一次检测结果为例列表（表6）

例5

表6   几种标准反射体的实测波高    ( 增益值dB)

由此得表7，作出的距离-波幅曲线如图2：

表7   几种标准反射体基准灵敏度波高             ( 增益植dB)

      图2   根据实测值得到的第一类距离——波幅曲线

  需要指出，图中纵座标的方向，对增益型超探仪，越向下数值越大。因为小的信号需要较大的增益值才能达到基准波高。对衰减型超探仪，正好相反，越向上数值越大。因为大的信号需要较大的衰减值才能达到基准波高。 

图2比较具有代表性，可以称为第一类距离-波幅曲线。采用探头5P9×9K2.5（编号4121）+超探仪CTS-26、探头2.5P8×12K2.5+超探仪PXUT-27、探头2.5P8×12K2.5+超探仪PXUT-3300、探头2.5P9×9K2+超探仪PXUT-27均得到了类似的距离——波幅曲线。在第一类距离-波幅曲线中，Ø1×6-6dB比Ø2×40-12dB灵敏。两者差距在2dB范围内。

再以探头5P9×9K2.5（编号4283）、超探仪PXUT-3300的一次检测结果为例列表（表8）

例6

表8   几种标准反射体的实测波高    ( 增益值dB)

由此得表9，作出的第二类距离-波幅曲线如图3：

表9   几种标准反射体基准灵敏度波高             ( 增益植dB)

采用探头5P9×9K2.5（编号4283）+超探仪CTS-26也得到类似距离-波幅曲线。在第二类距离-波幅曲线中，Ø2×40-12dB比Ø1×6-3dB、Ø1×6-6dB都灵敏。Ø2×40-12dB和Ø1×6-6dB两者的差距在2dB范围内。

图3      根据实测值得到的第二类距离——波幅曲线

还有一种结果,如图4所示.

图4  根据实测值得到的第三类距离——波幅曲线

图4中，Ø1×6-6dB与Ø2×40-12dB重合,图4是采用探头2.5P8×12K1+超探仪CTS26得到的。采用探头2.5P9×9K2+超探仪PXUT-3300、5P9×9K2.5（编号4121）+超探仪PXUT-27和5P9×9K2.5（编号4121）+超探仪PXUT-3300,也得到了类似曲线.

5 讨论与结论

5.1  讨论

理论计算时比较理想化(如按单一波长计算,但实际脉冲波不是单一波长;实际K值与标称K值有出入,从而影响了声程的准确性，影响了参数cosβ/cosα、tgα/tgβ的数值;理论公式按中心轴上声压分布计算,实测时测到的最高波不一定都在主声束轴线上……),所以部分理论计算的结果本身不统一或未能被实测所验证.但理论计算可提供思维的方向,引导实验去证实.

5.2  结论

通过实际验证,对较薄壁焊缝而言,下面三点成立:

(1) Ø2×40-12dB比Ø1×6-3dB灵敏;

(2) Ø1×6-3dB比Ø3×40-10dB灵敏;

(3) Ø1×6-6dB与Ø2×40-12dB灵敏度相当.

再回到我们的常规检测对象城市燃气管道。建设规范要求采用射线（局部或100﹪检测）与超声(100﹪检测)分别检测。体积型缺陷射线检测一般不大会漏检,所以检测面积型缺陷和线状缺陷就成为超声检测的重要任务。当x≥3N时, Ø2×40-12dB可以理解为Ø1×40-9dB或 Ø0.5×40-6dB。设想某一线状缺陷与一点状缺陷回波波高相当,则此线状缺陷必定更细更长,因此与裂纹类缺陷就更接近。从这个意义上说,以Ø2×40-12dB作基准灵敏度应该是很适宜的。

Ø3×40-10dB虽然灵敏度比Ø1×6-3dB低一点，但也有适用的检测对象。按城市燃气管道建设规范，超声检测采用GB11345（用Ø3×40做标准反射体）。如果有人按JB/T4730.3-2005、CSK-IIA试块代替进行委托,我们也可以接受,因为Ø2×40-12dB的灵敏度更高。

参考文献

（1） 陈锡嘉，锅炉压力容器无损探伤技术，P.197,天津科学技术出版社,1985

（2） 潘荣宝, 锅炉压力容器无损探伤技术，P.189,天津科学技术出版社,1985

（3） 左厚扬, 锅炉压力容器无损探伤技术，P.152～P.157,天津科学技术出版社,1985

（4） 顾世瑶，无损检测，1979〔6〕：30～32.

第一作者信息

   黄婷婷，1978，女，工程师，从事无损检测应用技术研究