導讀

目前國內外水浸式超聲波探傷技術的應用較為普遍，也比較成熟，但通過幾年來的實際應用發現，水浸式超聲波探傷存在的問題也較多，本文將著重探討此方法的能量衰減現象。

由于被探鋼管浸在水里，當超聲橫波在管壁內鋸齒形傳播時，通過波型轉換，在鋼管表面與水的界面上，又轉換成折射縱波，這樣將會造成一部分能量損失，導致探傷靈敏度降低。

對此，我們用接觸法水耦合做了試驗，通過水浸法與接觸法的比較來探討這個問題。

1. 試驗條件

(1) 標準人工缺陷樣管的規格為177.8mmx12.65mm(外徑x壁厚)，長度為250mm，人工缺陷為內外縱向N5刻槽(刻槽深度為鋼管公稱壁厚的5%), 位置分別在樣管的兩端且相差180°。

(2) 儀器為CTS-23型超聲波探傷儀，儀器水平線性和垂直線性均良好，狀態為增益最大、抑制關、中頻段、正向檢波方式、掃描量程在250mm檔級、重復頻率X2。

(3) 探頭為GZSA管材專用超聲波探頭。晶片直徑為Φ20mm,頻率2.5MHz,入射角為45°。

(4) 環境溫度為室溫。

2. 試驗過程

首先明確一個概念，兩個探頭晶片反方向同時發射超聲波，沿鋼管鋸齒形傳播，均可接收到對面探頭的發射波，從而得到回波信號，此信號假稱“通波”。

其聲程為管子的圓周，但也可把它看作是單探頭在管子半圓周處的自發自收信號。

2.1 原始狀態

將探頭置于樣管上，找到人工缺陷，將一次通波B1調到5格，幅度為滿幅的90%,二次通波B2調到10格，幅度為滿幅的50%；

—次缺陷波F1在2格處，幅度為滿幅的30%，二次缺陷波F2在7格處，幅度為滿幅的17%(圖1)。

（圖一： 原始狀態示意圖）

此狀態下，探頭中心線至人工缺陷的周向距離為85mm，衰減器讀數為38dB。

我們將此狀態定為原始狀態，下面分三種情況進行試驗。

2.2 第一種情況

在原始狀態下，用蘸水的濕布觸摸人工缺陷，此時波幅變化情況如圖2所示。

可見，降至滿幅的75%(-l.6dB)，F1降至滿幅的27%(-0.9dB)；

B2降至滿幅的30%(-4.4dB), F2降至滿幅的14%(-1.7dB)。

在此情況下，通波及缺陷波較原始狀態均有所下降，說明這是能量衰減所致。

（圖二：用濕布觸摸人工缺陷時的波幅變化圖）

2.3 第二種情況

在原始狀態下，向人工缺陷處噴水，此時波幅變化情況見圖3。

可見，B1降至滿幅的50%(-5dB)，F1降至滿幅的25%(-1.6dB)；

B2降至滿幅的10% (-14dB)，F2則幾乎無法辨別。

此種情況下，通波變化較大，一次缺陷波F1比第一種情況下降還要明顯，F2幾乎消失，這說明能量進一步衰減。

（圖三：向人工缺陷噴水時的波幅變化圖）

2.4 第三種情況

將樣管浸入水中，根據浸水量及人工缺陷是否被水所浸分三種情況觀察波幅變化。

(1) 將樣管放入容器中，加水至樣管直徑的2/5處，但人工缺陷未被水所浸。

由于樣管僅長250mm，未采取堵住管端措施，所以樣管內孔也被水所浸，此時波幅變化情況如圖4所示。

可見，B1降至滿幅的40%(-7dB)，F1較原始狀態幾乎沒有變化；B2和F2全部消失。

這是由于人工缺陷未被水所浸，故F1變化不大，但通波變化很明顯，且B2和F2已經消失，說明樣管浸入水中后較前兩種情況能量衰減嚴重。

（圖四：2/5樣管浸入水中時的示意圖及波幅變化圖）

(2) 繼續加水至樣管直徑的1/2處,并保持探頭與人工缺陷相對位置不變，旋轉樣管使人工缺陷剛好浸入水中，此時波幅變化如圖5所示。

可見，降至滿幅的30%(-9.5dB)，F1降至滿幅的20%(-3.5dB)；B2和F2同樣全部消失。

在水量增加，且人工缺陷也被水所浸的情況下，B1與F1較原始狀態下降幅度驟增，更加證明了水浸探傷時能量衰減嚴重。

（圖五：1/2樣管浸入水中時的示意圖及波幅變化圖）

(3)繼續旋轉樣管將人工缺陷完全浸入水中，此時探頭中心線距水面周向距離為42.5mm,波幅變化情況如圖6所示。

可見，B1與上種情況相同，為滿幅的30%，F1則降至滿幅的10%(-9.5dB)，B1和F1均比原始狀態衰減9.5dB，由此可以看出水浸探傷能量衰減的嚴重程度。

若樣管完全被水浸沒，能量衰減會更加嚴重。

（圖六：人工缺陷完全浸入水中時的示意圖及波幅變化圖）

2.5 內壁人工缺陷檢測試驗

若樣管完全浸入水中檢測其內壁人工缺陷，一次通波B1和一次缺陷波F1較原始狀態分別衰減了12和6dB；

二次通波B2和二次缺陷波F2完全消失。試驗過程這里不再贅述。

當然這只是試驗，在水浸法自動線探傷設備實際探傷中，鋼管內孔不允許充水，否則無法進行探傷。

3. 能量衰減的原因分析

我們通過以上試驗，直觀地發現了缺陷波波幅和通波波幅的下降情況，從而得出能量衰減的結論。

理論上分析，水浸超聲波探傷中，聲波在管壁內傳播能量衰減是很嚴重的，因為水的聲特征阻抗遠小于鋼，故聲波從水向鋼和從鋼向水的往復透射率很小；

又因為聲波在管壁內鋸齒形傳播時，每次反射都伴隨著波型轉換(圖7)，而在水中轉換成的超聲縱波又完全被水吸收，這就更顯著地增大了超聲衰減，也就是說，鋼管水浸超聲波探傷時部分聲能被損耗了。

（圖七：鋼管浸入水中聲波傳播情況）

上述試驗結果表明，若鋼管外表面浸水 (內孔為空氣)，用水浸法探傷缺陷回波信號要比接觸法低4dB，若鋼管內孔也充水，則缺陷回波信號要低6dB。

因此在靈敏度調整時必須注意這一現象。