超聲波探傷用斜探頭探傷時(shí)，我們常常用到一次聲程和二次聲程，或者叫半聲程和全聲程，也有叫半跨距和全跨距(half skip and Full skip)。

在檢測(cè)平板時(shí)，若上下表面狀況良好同時(shí)材質(zhì)透聲性能很好時(shí)，無(wú)論是一次聲程還是二次聲程都是可行的。

實(shí)際上我們?cè)诔暡z測(cè)焊縫時(shí)，用來(lái)檢測(cè)焊縫和計(jì)算缺陷位置是很準(zhǔn)確的。

但是，我想在此用兩個(gè)真實(shí)的案例告訴大家二次聲程有時(shí)候是不可靠的。

2002年10月23日下午19:20分，一艘從香港前往澳門(mén)的噴射飛翔船(turbojet)，在距離澳門(mén)碼頭2哩(約3公里)行駛中突然墜下，造成29名乖客和7名機(jī)組人員受傷，船體左側(cè)嚴(yán)重?fù)p壞。

所幸的是當(dāng)時(shí)的船只接近碼頭，已經(jīng)大大地減慢了速度，如果是在全高速行駛時(shí)發(fā)生斷裂，很有可能整個(gè)船打斤斗和快速沉入大海之中，后果不堪設(shè)想。

（噴射飛翔船資料圖，與內(nèi)容無(wú)關(guān)）

事后海事處調(diào)查意外原因分析，船頭用來(lái)控制船行走方向的前翼舵柱斷裂，它叫「king post大皇柱」，其結(jié)構(gòu)是外徑約300mm壁厚37mm的空芯圓柱體(空芯軸)，(見(jiàn)圖6箭頭所指)因?yàn)橛薪饘倨谝饠嗔选?見(jiàn)圖2)

（圖2 空芯軸斷口）

（圖 6 高速行駛中的噴射飛翔船）

為了防止其他同類(lèi)型的船只出現(xiàn)相同的事故，香港海事處要求船廠將其他近20艘同類(lèi)型的船只全部要求檢測(cè)。

我們受船廠委托前往進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)我到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后仔細(xì)觀察斷口形狀和位置，再詳細(xì)分析這空芯軸的結(jié)構(gòu)后，我們很快商議出一套全面檢測(cè)的方案。

我們要求船廠拆除空芯軸上部端口，船廠方面當(dāng)然是希望我們做檢測(cè)時(shí)，最好不拆或者少拆的情況下檢測(cè)，這樣可以減少他們的工作量，所以船廠的老總是不高興我們的拆卸要求，但是我堅(jiān)持要求最低限度把空芯軸的上端口拆開(kāi)，方便我們將一個(gè)特別設(shè)計(jì)的探頭伸入到空芯軸內(nèi)，對(duì)應(yīng)軸外表面有裂紋的位置進(jìn)行超聲波檢測(cè)。(見(jiàn)圖5)

（圖 5 特別設(shè)計(jì)的探頭支架  ）

從斷口上可以看到疲勞裂紋的源頭在12點(diǎn)時(shí)鐘位置，而且是從軸外徑表面開(kāi)始向內(nèi)和向下兩旁擴(kuò)展的，最后在6點(diǎn)時(shí)鐘位置斷開(kāi)。

出現(xiàn)裂紋的位置，貼緊在靠近翼柱外殼軸套的邊緣(圖1 箭頭所指位置)，無(wú)法完全用肉眼看到，也無(wú)法用磁粉和滲透方法檢測(cè)，只能用超聲波方法了，而且只能從一側(cè)檢測(cè)。

（圖1空芯軸斷裂的位置）

裂紋的源頭從外徑表面的一個(gè)臺(tái)階位開(kāi)始的，此處由于機(jī)加工時(shí)的倒角太尖銳形成應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。

受制結(jié)構(gòu)的形狀局限，表面和近表面的裂紋即使用超聲波一次聲程大角度70?掃查也難以靠近，所以難免漏檢小和淺的表面裂紋，只好利用二次聲程。

我們也知道對(duì)于裂紋這類(lèi)缺陷用45?橫波斜探頭效果最好，而且二次聲程其跨距最短聲程損耗最少，我們?cè)跈z測(cè)厚板時(shí)都是利用45?探頭作二次聲程掃描，所以我們選擇用4MHz 8x9mm 45?橫波斜探頭。

但是，對(duì)于管狀和厚壁的筒體(管子)，特別小外徑大厚壁時(shí)就不一定可靠了，從缺陷反射回來(lái)的回波能量幾乎是沒(méi)有的了。

為什么會(huì)這樣呢？讓我來(lái)慢動(dòng)作形容下聲波的傳播過(guò)程大家就會(huì)明白。有三個(gè)主要原因：

1.首先是一次聲程的聲束通過(guò)耦合劑直接從管外表面射向管內(nèi)壁，聲束在到達(dá)管內(nèi)壁的凸形弧面時(shí)大多數(shù)聲能都立即擴(kuò)散了，只有一少部分可以反彈起來(lái)向上繼續(xù)前往管外壁，若有裂紋，在撞到裂紋后反射回來(lái)時(shí)又要經(jīng)過(guò)管內(nèi)壁的凸形弧面，這時(shí)反射回來(lái)的聲能同樣又要擴(kuò)散大部能量，所以真正能返回到探頭接收的聲波能量是很少的了。

很多超聲波的教科書(shū)都有講過(guò)這些原理的，例如：《國(guó)防科技工業(yè)無(wú)損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)超聲檢測(cè)教材》中就有講解，并且有公式解釋這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)參看第42頁(yè)至第43頁(yè)?？招膱A柱體如圖3所示，直探頭沿徑向檢測(cè)大直徑空心圓柱體有兩種可能，即探頭置于外圓周或置于內(nèi)壁。

斜探更明顯，從如果從管內(nèi)向外掃查反而聚焦(聚束)作用，會(huì)得到更多更強(qiáng)的回波，所以我采用從管內(nèi)壁向管外壁一次聲程掃描

當(dāng)探頭置于外圓周，且圓柱體壁厚X>3N，則圓柱體內(nèi)壁的反射聲壓為：

P=PO S/2λx(d/D)½  

式中：d=空心圓柱體內(nèi)徑；D=空心圓柱體外徑；S=聲源的面積。

當(dāng)探頭置于圓柱體內(nèi)壁，則圓柱體外壁的反射聲壓為：

P=PO S/2λx(D/d)½

比較上述公式，可以看出，探頭置于外壁時(shí)，底面回波聲壓小于大平底反射聲壓，因聲波入射至凸面使反射聲波發(fā)散；

探頭置于內(nèi)壁時(shí)，底面回波聲壓大于大平底反射聲壓，因?yàn)椴ㄈ肷渲涟济媸狗瓷渎暡▍R聚。

2.如果管內(nèi)壁表面有嚴(yán)重的生銹，形成很多腐蝕斑點(diǎn)和凹陷，反彈效果就更差，使得本來(lái)已經(jīng)很少的反射能量更少；

3.管內(nèi)壁有其他液體物質(zhì)時(shí)或電鍍層時(shí)，部分聲能還可能被液體和電鍍物質(zhì)給吸收掉。

常見(jiàn)的是鍍鋅加油漆層，如果底面不先除去鍍鋅層，二次聲程的反射回波有時(shí)候是無(wú)法跳起來(lái)的，就像姚明打籃球把球打在泥灘上，籃球能跳起來(lái)嗎？

（圖3 空心圓柱體的反射）

以上三種情況最終有可能得不到由裂紋反射回來(lái)的回波造成漏檢。

所以只有用一次聲程直接掃查才有可靠的保證。我就特別設(shè)計(jì)了一個(gè)探頭支架，用一根長(zhǎng)度約1.5米的不銹鋼管插在一塊尼龍板上，這尼龍板塊的一側(cè)中心位置鑲嵌上一個(gè)8x9mm的45?橫波斜探頭，并且將探頭和尼龍塊磨成與被檢測(cè)管內(nèi)徑一樣的弧面以保證探頭全接觸工件，在對(duì)應(yīng)的另一側(cè)裝置一個(gè)可壓縮彈簧有彈性的圓棒，以保證探頭在前后移動(dòng)掃描過(guò)程中有穩(wěn)定的接觸。

操作過(guò)程是這樣的，先在管內(nèi)徑預(yù)掃描的位置均勻地涂抹上黃油(grease)，再把探頭支架上的彈性圓棒按下塞入管內(nèi)，推入到預(yù)檢測(cè)的位置(約1.3米左右)然后慢慢地前后掃查，并且逐漸地旋轉(zhuǎn)探頭至整圈掃查。

特別要提的是一定要做兩次，第一次將探頭向前方鑲嵌在尼龍塊上向前掃查，第二次將探頭反方向鑲嵌在尼龍塊上向后掃查，這樣做的目的是對(duì)應(yīng)臺(tái)階處的裂紋，向前掃描是對(duì)靠外側(cè)的裂紋，向后拉回是對(duì)靠里面的臺(tái)階裂紋(見(jiàn)圖7和8，9)，防止裂紋與臺(tái)階的端角信號(hào)混淆不清。

（圖 7 從內(nèi)壁向前掃查(聲波聚焦)  ）

（圖 8 從內(nèi)壁向后掃查(聲波聚焦)）

（圖 9 從外壁掃查(聲波擴(kuò)散) ）

這條空芯軸的材料是導(dǎo)磁性的不銹鋼，透聲性能很好，我們的靈敏度試塊用的是40mm板厚的同樣材料1mm深的鋸槽，設(shè)置回波高度80%FSH，然后加6dB進(jìn)行掃查。

把這些都寫(xiě)進(jìn)我們的掃描程序中。

船廠在接受我的建議并把我們的檢測(cè)掃描程序交海事處審批后，再根據(jù)船期上排維修的時(shí)間，每月有一至兩艘船拆卸后讓我們進(jìn)行檢測(cè)，做了半年多一直都相安無(wú)事沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何裂紋。

（圖 10 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中）

有一次我的同事檢測(cè)回來(lái)后，我問(wèn)他有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋，他說(shuō)跟以前一樣沒(méi)有問(wèn)題，我又問(wèn)他是否有從管內(nèi)徑向外掃查，他說(shuō)：“沒(méi)有。”

我問(wèn)他為什么不從管內(nèi)掃查，他說(shuō)：“你設(shè)計(jì)的探頭支架太大了無(wú)法放不進(jìn)去，所以沒(méi)有從管內(nèi)向外掃查”。

聽(tīng)他這樣一說(shuō)，我立即再問(wèn)他這條軸的具體尺寸是多少，他把檢測(cè)報(bào)告給我看，原來(lái)這一條軸與其他所有的軸尺寸不一樣，外徑是一樣而壁厚由以前的37mm變成77mm，也就是說(shuō)內(nèi)徑變小了很多，難怪他無(wú)法將探頭支架塞入管內(nèi)掃查。

我們公司有機(jī)加工車(chē)間，我馬上按他描述的尺寸做了一個(gè)短的彈性圓柱棒裝在探頭支架上，吩咐他明天再去做一次。

這位經(jīng)驗(yàn)豐富從事超聲波檢測(cè)工作有40多年老同事一臉疑惑地看著我說(shuō)：“然道你不相信我嗎? 我已經(jīng)按試塊上1mm鋸槽的二次反射回波80%FSH再加了20dB，如果有裂紋也應(yīng)該看到??！再說(shuō)這條軸壁厚大過(guò)其他軸一倍有多，薄壁管的都沒(méi)事，這么粗怎么可能有事，不可能有裂紋”。

他肯定是不想再去檢測(cè)的，因?yàn)樽蛱?span style="color: rgb(123, 12, 0);">他在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)告訴人家沒(méi)有問(wèn)題，今天卻又再來(lái)檢測(cè)，怎么解釋呢？

我不客氣地堅(jiān)決地說(shuō)：“一定要再去檢測(cè)一次！我明天早上有其他事要做，要不然我親自去。我不是不相信您，這是原則問(wèn)題，之前我們與船廠以及海事處協(xié)商好的掃描程序就必須嚴(yán)格執(zhí)行。”

第二天我安排另一個(gè)同事開(kāi)車(chē)帶他去船廠，他們照我的辦法從管內(nèi)向外掃查，把探頭支架往里面一推就立即看到裂紋回波了。

他們感到很驚訝！立即打電話告訴我發(fā)現(xiàn)裂紋，我在做完其他項(xiàng)目后趕到船廠，看著他再演示一次給我看，清楚可見(jiàn)裂紋的回波，而且是一個(gè)很大的裂紋。(見(jiàn)圖3-1)

（圖 3-1 裂紋回波清晰可見(jiàn) ）

當(dāng)時(shí)我心里都一怔！

幸虧及時(shí)地再做一次否則后果不堪設(shè)想，人家明知有問(wèn)題，才要你檢測(cè)的你卻漏檢，如果將來(lái)船出了事故，肯定會(huì)出現(xiàn)生命財(cái)產(chǎn)損失，我們的公司也會(huì)名譽(yù)掃地，在香港很有可能被人告到您公司倒閉和坐牢?。≌娴氖琴r不起！

船廠在得到我們的正式報(bào)告后，將這條軸完全拆開(kāi)后用磁粉和滲透再做一次裂紋清楚可見(jiàn)。(見(jiàn)圖4)

（圖4 拆開(kāi)后用滲透可見(jiàn)裂紋）

第二個(gè)案例是我有個(gè)同事在檢測(cè)一個(gè)T型焊縫時(shí)，他用斜探頭掃查焊縫探頭向前推頂住焊縫邊緣時(shí)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)較大的缺陷回波，無(wú)法用一次聲程確定最高反射回波來(lái)測(cè)定缺陷的準(zhǔn)確位置，很自然地后退探頭利用二次聲程來(lái)掃查，卻無(wú)法得到回波或者很小的回波，他心里在想明明是有一個(gè)大缺陷，為什么利用二次聲程掃查時(shí)卻得不到應(yīng)該看到的缺陷回波呢？很是納悶。(見(jiàn)圖11)

（圖11 下表面的熱浸鋅和油漆涂層把聲波給吸住了）

打電話給我問(wèn)是什么原因?

我詳細(xì)問(wèn)，他的被檢工件狀況。他告訴我說(shuō)這個(gè)工件是一個(gè)工字鋼焊接另一個(gè)工字鋼的翼板上形成一個(gè)T型對(duì)接焊縫，而且之前是做過(guò)熱浸鋅和噴漆的，工字鋼厚度約7/8”英吋，他按正常平板探傷一樣，只在一個(gè)探測(cè)面上打磨約1個(gè)半最大跨距探頭的要求，除去工件表面的所有涂層后進(jìn)行探傷。

聽(tīng)他這么一說(shuō)我知道什么原因了，我叫他把焊縫上下兩個(gè)面的涂層都打磨掉再試試看。

很快他打電話回答告訴我，二次聲程回波馬上跳起來(lái)了，缺陷回波在探頭前后移動(dòng)時(shí)清晰可見(jiàn)，很容易找出缺陷的最高反射回波了。

這是為什么呢？

我們?cè)趯W(xué)習(xí)超聲波聲阻抗理論課時(shí)就有解釋這個(gè)原理，聲波在垂直入射到平界面時(shí)有反射和穿透兩部。

它們的大小與他們的聲阻抗值有關(guān)系，當(dāng)兩介質(zhì)的阻抗值差異大時(shí)反差越大，例如：鋼與空氣，它們的聲阻抗相差幾乎百分比百，所以當(dāng)聲波入射到工件表面接觸空氣時(shí)是全反射的。

但是，如果是其他材料聲阻抗遠(yuǎn)比空氣大時(shí)，聲波就不是全反射了，有部分聲波能量會(huì)穿透而過(guò)，理論上當(dāng)兩種材料聲阻抗一樣時(shí)只有穿透沒(méi)有反射。

也可以解釋為什么超聲波在檢測(cè)致密性缺陷(裂紋)時(shí)會(huì)漏檢的原因，所以電廠的主蒸汽管道焊縫為什么要在熱處理前后做兩次探傷，因?yàn)椴牧系穆曌杩挂粯?，?dāng)有強(qiáng)壓應(yīng)力時(shí)致密缺陷超聲波是穿透的，是得不到反射回波的，只有在消除應(yīng)力后缺陷彈開(kāi)一個(gè)間隙，才能讓超聲波有效的檢測(cè)出來(lái)。

熱浸鋅的阻抗(密度)肯定遠(yuǎn)大于空氣，當(dāng)超聲波入射到焊縫下表面的熱浸鋅層時(shí)，聲波就不是全反射了，肯定有部穿透到熱浸針?shù)\層，這樣的結(jié)果是得不到我們想要的反射回波了或者小了很多。只有把上下表面涂層全部除去超聲波才能有效地檢測(cè)。

其實(shí)探傷時(shí)只要有液體和其他緊貼在工件下表面的物質(zhì)都會(huì)造成反射回波下降，我們?cè)谔絺麜r(shí)必須先清除這些障礙物，否則我們會(huì)失誤。

我的同事很高興，在現(xiàn)場(chǎng)解剖出來(lái)的缺陷果然準(zhǔn)確無(wú)誤得到客戶(hù)的贊許。

這兩個(gè)案例告訴我們，超聲波在檢測(cè)管狀和下表面有其他緊貼的物質(zhì)或者液體的工件時(shí)，二次聲程是不可靠的。

各位同仁必須小心謹(jǐn)慎，我們?cè)陔姀S檢測(cè)管道對(duì)接焊縫時(shí)焊縫表面的加強(qiáng)高是必須打磨平的，而且全部使用一次聲程。

在做管道檢測(cè)時(shí)，如果一定要用到二次聲程時(shí)，你必須先肯定下是否有效?

特別是做TKY焊縫時(shí)，用平板做的DAC曲線，當(dāng)聲程進(jìn)入二次聲程范圍時(shí)你的DAC曲線不一定有效，明明超標(biāo)的缺陷你可能看到的回波很小或者沒(méi)有。再被第三方的老外來(lái)抽查時(shí)發(fā)現(xiàn)你漏檢，到時(shí)你真是水洗不清了。

這兩個(gè)案例同時(shí)也告訴我們必須嚴(yán)格遵守執(zhí)行已確定的檢測(cè)程序，來(lái)不得一點(diǎn)含糊，更不能抱有任何僥幸的想法，否則后悔莫及鑄成大錯(cuò)。

想想看如果我們沒(méi)有將這個(gè)裂紋檢測(cè)出來(lái)，當(dāng)噴射飛翔船在高速行駛中突然斷裂，整個(gè)船打斤斗沉入海中，全船200多人的生命…。

如果更不幸的是我自己也坐上這船上，想想都心寒。（各位看到這里有何感想？）

注：噴射飛翔船(turbojet)是世界上最高速的軍用轉(zhuǎn)商用船舶，由美國(guó)波音公司為美軍制造的快速戰(zhàn)艇，用于突襲作戰(zhàn)用途。最高時(shí)速每小時(shí)80公里，船體是靠潛在水下的翼板托著離開(kāi)水面飛行的。

/ END /