吴 昊，杨宇清，罗晓明

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062）

超声检测技术被广泛地应用于管道无损检测中［1－2］，当管道直径较小时，必须考虑到探头楔块表面与管道表面之间的耦合状态［3］。标准GB／T 11345－2013《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》对曲面耦合条件进行了规定，即检测面与探头楔块底面之间的间隙（g）不应大于0.5mm，并给出了相应的间隙值计算公式。但是计算公式存在一定的局限性，公式为近似计算公式，而且只针对平面楔块与曲面工件之间的间隙计算，未涉及曲面楔块与曲面工件之间的间隙计算。此外，计算公式与标准GB／T 11345－1989《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》中的计算公式存在一定的差别。根据两个公式对相同的楔块以及工件进行计算，所得到的计算结果不同。针对以上情况，分析了新旧标准中产生差异的原因，并对不同曲率的楔块进行了全面的分析和公式推导。

1 新旧标准中符号的对比

因为新旧标准中对于楔块宽度，工件之间采取了不同的符号说明，容易使人混淆，因此笔者将两者对应关系一一列出进行对比分析。

如图1所示，图1（a）旧标准中探头的楔块宽度以W表示，图1（b）新标准中以a表示；图1（a）中管道半径用R表示，图1（b）中管道半径用D／2表示。

图1 新旧标准中相同试件不同的符号表示

2 间隙近似计算公式推导

2.1 标准GB／T 11345－1989

在通常检测情况下，楔块底面应被其与工件曲面的交线平分为对称的两部分。如图2所示，图中w为楔块沿检测方向的宽度，AC为楔块沿检测方向长度的一半，AC为w／2；AE为工件直径，AE为2R。此时的BC值为楔块与工件表面的最大间隙（g）。

图2 标准GB11345－1989平面楔块与工件接触示意图

由图2 中可以得出ΔABC≈ΔAEB，因此可得BC／AB＝AB／AE，即BC＝AB2／AE。

实际检测时，为了耦合良好，应使间隙（g）值尽量小，此时可挖认为AB＝AC，因此，BC＝AC2／AE，即可得

公式（1）为楔块与工件间隙的近似计算公式。

实际检测时，为了减少超声能量的损失，应确保探头与工件的耦合良好，一般认为，当间隙（g）小于0.5mm 时，能达到该要求.即g＝w2／8R＜0.5，由此推导出w＜4R，即R＞w2／4，也就是说当R＞w2／4时，能满足耦合要求，这就是旧版标准的规定。

按照新旧标准中符号关系，式（1）可以表示为：

2.2 标准GB／T 11345－2013

由于检测人员手法的影响，使得楔块不能均匀对称地沿着工件进行扫查，其极端情况如图3所示，楔块只有边缘与工件表面接触，而其他部分完全与工件表面分离。图中a为楔块沿检测方向的宽度，AC为楔块沿检测方向长度，且AC与工件表面相切，AC＝a；AE为工件直径，AE＝D。此时的BC值为楔块与工件表面的最大间隙（g）。

图3 标准GB 11345－2013平面楔块与工件接触示意图

由图3中可以得出ΔABC≈ΔAEB，因此，BC／AB＝AB／AE，即BC＝AB2／AE，实际检测时，为了耦合良好，应使g值尽量小，此时可近似认为AB＝AC，因此AB＝AC，则BC＝AC2／AE，即

公式（2）为GB／T 11345－2013中楔块与工作之间间隙（g）的近似计算公式。

3 精确计算公式推导

3.1 标准GB／T 11345－1989

由图2 中可以得出ΔABC≈ΔAEB，因此可得BC／AB＝AB／AE，即

对公式（3），（4）联立求解，得到

公式（5）为楔块与工件表面间隙的精确公式。

按照新旧标准中符号关系，式（5）可以表示为

3.2 标准GB／T 11345－2013

由图3 中可以得出，ΔABC≈ΔAEB，因此，BC／AB＝AB／AE，即

对公式（7），（8）联立求解，得到

3.3 误差分析

为了研究近似计算公式得到的结果与真实结果之间的误差，对极端情况新标准GB／T 11345－2013下通过两公式计算出的结果进行了比较，假设工件直径D＝200mm，楔块宽度a为5，10，15，20，25mm，计算得出的楔块与工件间隙（g）如表1所示。

表1 近似公式与精确公式计算值对比

在工件之间相互固定的情况下，随着楔块宽度的增大，利用近似公式计算得到的结果与精确值之间的误差逐渐增大，但是当计算出的间隙值已经达到0.5mm时，误差仅有0.25%，这证明近似公式可以满足检测工作中的要求。

4 曲面楔块与工件间隙

实际检测过程中，往往根据检测对象的表面曲率，加工相适应的曲面楔块，并且探头楔块曲面与试块的弧面半径差越大，反射体的反射回波越小［4］。根据标准GB／T 11345－2013的要求，如果间隙（g）值大于0.5mm，则探头楔块底面应修磨至与曲面吻合，此项要求说明某一个固定曲率的楔块可以覆盖一定直径范围的工件表面，前提是楔块与工件表面的间隙不大于0.5mm，只要满足此要求，就不需要针对每一个工件尺寸加工一个完全吻合的楔块（如Olympus的相控阵仪器，拥有一套针对不同管径的楔块成品，每个楔块可以覆盖一定直径的管道表面）。只要通过计算得出楔块与工件间隙（g）的值，即可判断此楔块是否满足匹配条件。

4.1 工件直径大于楔块直径

楔块沿检测方向的宽度为a，其底面曲率半径为d／2，工件曲率半径为D／2，如图4所示，工件直径大于楔块直径。

图4 曲面楔块与工件接触示意图

由图4中几何关系可得x＝g

4.2 工件直径小于楔块直径

楔块沿检测方向的宽度为a，其底面曲率半径为d／2，工件曲率半径为D／2，如图5所示，工作直径小于楔块直径。

图5 曲面楔块与工件接触示意图

由图5中几何关系可得：y＝g（g为楔块与工件表面的间隙），

5 结论

新标准GB／T 11345－2013 中对于探头靴底（楔块底面）与检测面之间的间隙计算公式是近似公式，其主要作用在于指导探头（楔块）的选型，在了解探头（楔块）几何尺寸以及工件表面曲率的前提下，可以通过理论计算得知所选探头（楔块）是否符合间隙g不大于0.5mm 的要求。

旧标准GB／T 11345－1989 和新标准GB／T 11345－2013中都提供了间隙g的近似计算公式，两者并不是同一公式。GB／T 11345－1989是按照1节描述的通常接触条件进行计算的，而GB／T 11345－2013是按照2.2节描述的极端接触条件进行计算的。将同样几何尺寸的探头（楔块）带入两个近似公式，按照新标准计算得到的间隙大于按照旧标准计算得到的间隙，也就是说，新标准提高了对于探头（楔块）与工件耦合的要求。

目前很多新型设备（如相控阵）拥有自带的系列曲率楔块，可以利用公式直接计算出某一型号楔块能够适用的工件曲率范围。

［1］文毅，冯强，李燕.超声检测在管道焊缝腐蚀中的应用［J］.无损检测，2014，36（2）：50－52.

［2］周以琳.管道超声无损检测技术的研究与应用［M］.青岛：青岛科技大学出版社，2011：1.

［3］李衍.小径薄壁管道超声相控阵检测［J］.无损探伤，2015（1）：1－5.

［4］魏同锋.小口径管道超声波检测耦合曲面修正系数［J］.油气储运，2014（6）：629－631，652.