Page 70 - 无损检测 2021年第六期

张炳奇, 等:

管道内壁裂纹的相控阵超声检测

面构成的直角时, 将发生反射率为 100% 的端角反 线法面的 面 积 的 反 射 波。 当 声 束 入 射 角 为 β 时,
射。在管道内壁裂纹检测过程中, 当检测所用探头 B 1 C 1 的 长 度 即 为 缺 陷 深 度 H , 裂 纹 长 度 为 L ,
声束折射角α ( 等于声束入射角 ) 为 35°~55° 时, 裂 B 1 C 1 投影于声束轴线法面的面积 F s=HL / sin β ,
β
纹和管道内壁构成端角反射条件, 入射声束在厚度 探头收到的回波声压 P B 为
为t 的管道内壁开口裂纹处发生端角反射, 反射率 P 0 F s HL
( 1 )

为 100% 。超声检测管道内壁裂纹缺陷声束示意如 λx sin β
P B = 2
2
端角的反射波, 可 为 探 头 波 源 的 起 始 声 压; λ 为 波 长; x 为
图 1 所示, 探头管道内壁与 B 1 C 1 式中: P 0
投影于声束轴 至探头声源距离。
视为由 A 2 发出的入射波通过 B 1 C 1 B 1 C 1

图 1 超声检测管道内壁裂纹缺陷声束示意
与缺陷 时, 回波声压不再
由此可知, 表面开口缺陷回波声压 P B 裂纹高度, 当裂纹高度大于 L B O
1
深度 H 成正比, 即管道内壁裂纹高度与反射波高成 随之变化。
正相关。 1.2 端点衍射法测定原理
当检测换能器晶片尺寸为a×b ( 长 × 宽), 频率 管道内壁缺陷端点衍射法测量原理示意如图 2

为 2.5MHz , 声速为 3230m · s 时, 换能器长度方 所示。由惠更斯 - 菲涅尔原理可知, 当超声入射波波

-1
向的半扩散角θ 为 阵面到达管道内壁开口缺陷上端点 B 1 时, 在 B 1 点
会产生衍射波, 可利用相控阵扇形扫查高清成像技
λ 36.822
2a a 术采集 B 点端角反射信号和 B 1 点端点衍射信号,
θ= arcsin ≈ ( 2 )
由图 1 可知, 当入射声束下边界反射至内壁裂 测定缺陷 BB 1 的高度。当表面开口缺陷高度较小
纹上端点, 上边界入射至内壁裂纹开口处, 即 C , C 1
和 O 点重合时, 有

L DE =L AO ×sinθ=

tsinθ λt
= ( 3 )
β+ θ ) 2acos (
cos ( β+ θ )
分别为DE 与AO 的长度( 其他类
式中: L DE 与L AO
似表示含义依此类推)。

当a=10mm 时, θ≈3.682° , 此时
L OE ≈L DE L B C =L B O =
,
1 1 1
L OE +L DE 2 L DE λt
≈
= ( 4 )
β+ θ ) sin β
sin β sin β a cos (

当t=20mm , 入射角为 45° 时, 可得出 L B O =
1
5.46mm , 由此可知, 对于固定厚度为t 的管道, 内

为给定
壁裂纹高度 L B O 只与探头参数相关, L B O
1 1 图 2 管道内壁缺陷端点衍射法测量原理示意
检测系统下特定厚度管道端角反射法可测定的最大
2
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2021 年 第 43 卷 第 6 期
无损检测