导读

目前国内外水浸式超声波探伤技术的应用较为普遍，也比较成熟，但通过几年来的实际应用发现，水浸式超声波探伤存在的问题也较多，本文将着重探讨此方法的能量衰减现象。

由于被探钢管浸在水里，当超声横波在管壁内锯齿形传播时，通过波型转换，在钢管表面与水的界面上，又转换成折射纵波，这样将会造成一部分能量损失，导致探伤灵敏度降低。

对此，我们用接触法水耦合做了试验，通过水浸法与接触法的比较来探讨这个问题。

1.试验条件

(1)标准人工缺陷样管的规格为177.8mm x12.65mm(外径x壁厚)，长度为250mm，人工缺陷为内外纵向N5刻槽(刻槽深度为钢管公称壁厚的5%)，位置分别在样管的两端且相差180°。

(2)仪器为CTS-23型超声波探伤仪，仪器水平线性和垂直线性均良好，状态为增益最大、抑制关、中频段、正向检波方式、扫描量程在250mm档级、重复频率X2。

(3)探头为GZSA管材专用超声波探头。晶片直径为Φ20mm,频率2.5MHz,入射角为45°。

(4)环境温度为室温。

2.试验过程

首先明确一个概念，两个探头晶片反方向同时发射超声波，沿钢管锯齿形传播，均可接收到对面探头的发射波，从而得到回波信号，此信号假称“通波”。

其声程为管子的圆周，但也可把它看作是单探头在管子半圆周处的自发自收信号。

2.1 原始状态

将探头置于样管上，找到人工缺陷，将一次通波B1调到5格，幅度为满幅的90%，二次通波B2调到10格，幅度为满幅的50%；—次缺陷波F1在2格处，幅度为满幅的30%，二次缺陷波F2在7格处，幅度为满幅的17%(图1)。

（图1 原始状态示意图）

此状态下，探头中心线至人工缺陷的周向距离为85mm，衰减器读数为38dB。

我们将此状态定为原始状态，下面分三种情况进行试验。

2.2 第一种情况

在原始状态下，用蘸水的湿布触摸人工缺陷，此时波幅变化情况如图2所示。

可见，降至满幅的75%(-l.6dB)，F1降至满幅的27%(-0.9dB)；B2降至满幅的30%(-4.4dB)，F2降至满幅的14%(-1.7dB)。

在此情况下，通波及缺陷波较原始状态均有所下降，说明这是能量衰减所致。

（图2 用湿布触摸人工缺陷时的波幅变化图）

2.3 第二种情况

在原始状态下，向人工缺陷处喷水，此时波幅变化情况见图3。

可见，B1降至满幅的50%(-5dB)，F1降至满幅的25%(-1.6dB)；B2降至满幅的10% (-14dB)，F2则几乎无法辨别。

此种情况下，通波变化较大，一次缺陷波F1比第一种情况下降还要明显，F2几乎消失，这说明能量进一步衰减。

（图3 向人工缺陷喷水时的波幅变化图）

2.4 第三种情况

将样管浸入水中，根据浸水量及人工缺陷是否被水所浸分三种情况观察波幅变化。

(1) 将样管放入容器中，加水至样管直径的2/5 处，但人工缺陷未被水所浸。

由于样管仅长250mm，未采取堵住管端措施，所以样管内孔也被水所浸，此时波幅变化情况如图4所示。

可见，B1降至满幅的40% (-7dB)，F1较原始状态几乎没有变化；

B2和F2全部消失。

这是由于人工缺陷未被水所浸，故F1变化不大，但通波变化很明显，且B2和F2已经消失，说明样管浸入水中后较前两种情况能量衰减严重。

（图4 2/5样管浸入水中时的示意图及波幅变化图）

(2) 继续加水至样管直径的1/2处，并保持探头与人工缺陷相对位置不变，旋转样管使人工缺陷刚好浸入水中，此时波幅变化如图5所示。

可见，降至满幅的30%(-9.5dB)，F1降至满幅的20% (-3.5dB)；B2和F2同样全部消失。

在水量增加，且人工缺陷也被水所浸的情况下，B1与F1较原始状态下降幅度骤增，更加证明了水浸探伤时能量衰减严重。

（图5 1/2样管浸入水中时的示意图及波幅变化图）

(3) 继续旋转样管将人工缺陷完全浸入水中，此时探头中心线距水面周向距离为42.5mm，波幅变化情况如图6所示。

可见，B1与上种情况相同，为满幅的30%，F1则降至满幅的10%(-9.5dB)，B1和F1均比原始状态衰减9.5dB，由此可以看出水浸探伤能量衰减的严重程度。

若样管完全被水浸 没，能量衰减会更加严重。

（图6 人工缺陷完全浸入水中时的示意图及波幅变化图）

2.5 内壁人工缺陷检测试验

若样管完全浸入水中检测其内壁人工缺陷，一次通波B1和一次缺陷波F1较原始状态分别衰减了12和6dB；二次通波B2和二次缺陷波F2完全消失。

试验过程这里不再赘述。

当然这只是试验，在水浸法自动线探伤设备实际探伤中，钢管内孔不允许充水，否则无法进行探伤。

3.能量衰减的原因分析

我们通过以上试验，直观地发现了缺陷波波幅和通波波幅的下降情况，从而得出能量衰减的结论。

理论上分析，水浸超声波探伤中，声波在管壁内传播能量衰减是很严重的，因为水的声特征阻抗远小于钢，故声波从水向钢和从钢向水的往复透射率很小；

又因为声波在管壁内锯齿形传播时，每次反射都伴随着波型转换(图7)，而在水中转换成的超声纵波又完全被水吸收，这就更显著地增大了超声衰减，也就是说，钢管水浸超声波探伤时部分声能被损耗了。

（图7 钢管浸入水中声波传播情况）

上述试验结果表明，若钢管外表面浸水(内孔为空气)，用水浸法探伤缺陷回波信号要比接触法低4dB，若钢管内孔也充水，则缺陷回波信号要低6dB。

因此在灵敏度调整时必须注意这一现象。