超声波探头楔块和曲面工件间隙的计算

当探头置于曲面工件外侧时，探头与曲面工件之间的间隙有以下两种常见情况，一是常规平探头与曲面工件之间的间隙，二是曲面楔块与曲面工件之间的间隙。文章所讨论的曲面工件指的是管状或圆柱体曲面，对球面或其他复杂曲面情况不做讨论。

假设常规平探头底部接触面与曲面工件外侧接触面相切，常规平探头与曲面工件之间间隙情况如图2所示，图中A为接触面曲面方向的探头宽度；g为常规平探头与曲面工件之间的间隙；D/2为曲面工件的半径。

分别计算曲面楔块与参考线的理论间隙高度g₁和曲面工件与参考线的理论间隙高度g₂，获得其差值g₂-g₁，即为曲面楔块与曲面工件之间的间隙g，可以表示为：

当g远小于d和D时，也可以用下式表达：

在进行曲面工件的焊缝超声检测时，各标准对探头与曲面工件之间的间隙要求各不相同，笔者以常用的ISO 17640-2018《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》、GB/T 11345-2013《焊缝无损检测 超声检测 技术、检测等级和评定》和ASME BPVC V-2021《第五卷 无损检测》等标准来进行分析和比较。

该标准第7.3.4条规定，检测面与探头底面之间的间隙g不应大于0.5 mm。对于常规探头在圆柱面或球面上的检测，上述要求可按下式检查：

该标准检查公式与式(2)是一致的，引用该条款要求的其他常用标准有ISO 10863-2020《焊缝无损检测 超声检测 衍射时差技术（TOFD）的应用》、ISO 13588-2019《焊缝无损检测 超声检测 自动相控阵超声技术的应用》和GB/T 41115-2020《焊缝无损检测 超声检测 衍射时差技术（TOFD）的应用》。

该标准第6.3.4条修改采用ISO 17640-2010标准要求，因此其大体内容与ISO 17640-2018第7.3.4条内容基本相同。但是GB/T 11345-2013中的公式为g=A²/D，遵循的原ISO 17640-2010标准要求，而标准ISO 17640-2018中公式为g=A²/4D，这将导致同一尺寸的探头楔块应用在检测同一曲面工件上时，GB/T 11345-2013的间隙计算值是ISO 17640-2018间隙计算值的4倍。

引用此条款的国家标准为GB/T 40733-2021《焊缝无损检测 超声检测 自动相控阵超声技术的应用》。

该标准第四章第T432.2条规定，按照如下所示的(1)和(2)条款的要求，当被检工件曲面直径小于350 mm（检测面）时，必须对楔块修磨，以确保足够的耦合。

(1) 探头应按照式(6)的要求进行修磨：

(2) 探头的修整尺寸必须由被检工件尺寸（内径或外径）来确定，并从表1和表2中进行选择。

为了更好地理解ASME BPVC V-2021中这两个条款的要求，分别对其进行应用举例。

对于(1)条款，当使用一个接触面曲面方向宽度为16.6 mm的常规平探头，对外径D为219 mm的管对接环焊缝进行检测时，使用式(6)进行计算可以得到16.6 mm×16.6 mm/2.87 mm=96 mm（即D>96 mm）；计算结果不满足式(6)。在此种情况下，探头的间隙满足要求，因此无需修磨探头，使用常规平探头即可。

对于(2)条款，当在工件外径为100 mm的管外进行检测时，可使用的AOD楔块最小直径为100 mm，最大直径为150 mm。当在内径为100 mm的管内进行检测时，可使用的AID楔块最小直径为50 mm，最大直径为100 mm。

通过分析上述标准间隙要求可知，标准ISO 17640-2018和GB/T 11345-2013对探头在曲面工件上的间隙有明确的数值要求和计算公式，但对曲面楔块在曲面工件上的间隙计算没有明确公式。因此建议当g远小于d和D时，使用式(4)进行相关计算，当g与d或D相比不能忽略时，例如对于小径管的间隙值计算，建议使用式(3)进行计算。同时应注意到，在相同条件下，GB/T 11345-2013标准的间隙计算值是ISO 17640-2018标准计算值的4倍，在使用该标准此条款及引用此条款的其他标准时需要注意其不同之处。

ASME BPVC V-2021标准中虽然没有明确的间隙值数值要求，但有管径适用检查公式。在管外检测时，不允许AOD楔块曲面直径小于工件外径，并有楔块直径上限要求。在管内检测时，不允许AID楔块曲面直径大于工件内径，并有楔块直径下限要求。

在进行管的环向或者纵向对接缝的超声检测时，经常会使用常规平探头进行检测，某厂家生产的一些常用型号探头在无需修磨的情况下，当分别满足标准ISO 17640-2018和ASME BPVC V-2021要求时，所能检测的最小管径如表3所示。

表3 不同标准中常规探头适用的最小检测管径（mm）

由表3可知，同一探头尺寸应用在不同标准上时，由于计算公式不同，所能检测的管径最小值也不相同。因此在使用常规探头进行管道环焊缝和纵焊缝检测时，应根据标准的要求，检查探头是否符合对间隙的要求，当探头尺寸不能满足间隙要求时，应对探头表面进行适当修磨。

在小径管（主要指外径为21~114 mm的管道）环焊缝的相控阵检测中，检测一般在管的外侧进行，曲面楔块一般为AOD型。其检测空间狭小，且管壁较薄，因此需要使用特殊设计的微薄型高频相控阵探头。其晶片高度一般为5~10 mm，晶片间距为0.3~0.75 mm，频率一般为5~10 MHz，晶片数量一般为16或32。这种特殊设计的探头尺寸非常小，特别适合狭小空间的检测，同时为了满足相控阵检测的其他技术要求，其尺寸已不能再减小。因此在探头尺寸一定的情况下，其楔块在接触面曲面方向的宽度也是固定的，但随着小径管管径的减小，楔块与工件之间的间隙急剧增大。为了解决这一问题，通常需要使用一系列不同直径的曲面楔块来满足所需的间隙要求，以获得更好的耦合效果。

笔者以某型号小径管相控阵曲面楔块（AOD型）为例，当不同曲率直径楔块应用于其标称适用最小管径时，检查其间隙值是否符合常用标准ISO 13588-2019和ASME BPVC V-2021的间隙要求，同时为了对比不同公式的计算结果，分别采用式(3)和式(4)对其间隙值进行计算，该型号楔块接触面底部宽度为16 mm，应用于标称最小管径的间隙和对应标准要求的验证结果如表4所示。

表4 不同楔块应用于标称最小管径的间隙和对应标准要求的验证结果（mm）

对比结果表明，对于该型号小径管相控阵曲面楔块，当管径小于73.03 mm时，使用式(4)会比式(3)计算的间隙值明显小一些，这表明此时采用简化的式(4)进行计算已不合适，建议使用式(3)计算。

当采用曲率直径为26.67 mm和33.4 mm的曲面楔块应用于其标称下限管径的检测时，使用式(3)计算出的间隙值分别为0.94 mm和0.63 mm，超出了标准ISO 13588-2019的要求，在实际检测中可能会导致耦合效果不佳，应对楔块进行修磨或者使用与被检工件外径一致的曲率楔块，以满足标准的间隙要求。

表4同时表明，厂商推荐的适用范围都能满足ASME BPVC V-2019 标准的要求。但是如果仅按照该标准的要求，在接近其使用下限值时，可能会出现耦合不良的情况。例如当使用曲率直径为42.16 mm的AOD曲面楔块检测外径为21.34 mm的工件，其外径差值为20.82 mm，满足标准的外径减小量25 mm要求，但如果采用式(3)进行计算，其间隙值为2.03 mm。

这种情况下其间隙值达到了2 mm，在实际检测中的耦合效果需要进一步的验证，如有可能，应结合ISO 13588-2019标准的要求，采用厂商推荐的适用管径范围。

在曲面工件的超声波检测中，当按照不同标准要求进行间隙检查时，应使用不同的公式进行计算，避免混淆。对于应用在曲面工件的常规探头，应根据探头的尺寸和检测方向的不同分别做间隙计算，对于一些常规探头尺寸，可以对照表3进行检查。对于应用在曲面工件上的曲面楔块，一般情况下可以使用式(4)计算其间隙值，当应用在小径管上时，使用式(3)计算会更为精确。当按照标准ASME BPVC V-2021要求执行时，可以结合标准要求、笔者推导的计算公式和厂商推荐的适用范围综合考虑楔块直径的选择，以获得良好的耦合效果。