CN103983696A - 钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

一种钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置及设计方法，装置至少包括三个单体水柱耦合监视装置，检测水柱通道和耦合监视水柱通道成V型设置，其底部相交于水柱出水口；检测水柱通道和耦合监视水柱通道均与水柱进水口连通；α_l＝α_l′；至少一个单体水柱耦合监视装置中的α_l＝18.9°；并且至少一个单体水柱耦合监视装置中的α_l＝23.4°；并且至少一个单体水柱耦合监视装置中的α_l＝25.5°。本发明利用声波反射原理，通过增设耦合监视探头实现耦合监视；在本发明技术的基础上，在结合现有技术中采集、处理、储存和显示装置，可以使检测结果和探头耦合监视显示在一起，并与检测结果共同永久性保存，具有良好的追溯性。

Description

钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置及设计方法

技术领域

本发明涉及油气输送钢管焊缝检测设备技术领域，尤其是涉及一种钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置及设计方法。

背景技术

随着油气输送钢管口径、厚壁和钢级不断提高，特别是厚壁钢管(如中国石油的西气东输三线管道工程项目、中海石油的南海荔湾3-1项目和黄岩项目等)在工程项目中的广泛应用，目前已批量使用的直缝埋弧焊钢管Ф1219mm×33mm X80和Ф762mm×31.8mm X70、螺旋埋弧焊钢管Ф1219mm×18.4mm X80及电阻焊钢管Ф323mm×17.5mm X65，应用的油气输送钢管焊缝超声波或自动超声波检测规范或标准有ISO10893-11、EN10246-9、SY/T6423.2、ISO3183、API SPEC5L、GB/T9711、DNV-OS-F101等，均未考虑钢管焊缝自动超声波检测永久记录问题，更未考虑探头耦合监视永久记录。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置及设计方法，解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置，包括至少三个单体水柱耦合监视装置，每个所述单体水柱耦合监视装置均包括支撑架、检测探头、耦合监视探头、检测水柱通道、耦合监视水柱通道、水柱出水口和水柱进水口；所述支撑架的底部设置有钢管匹配接触面，所述钢管匹配接触面上设置所述水柱出水口；所述检测水柱通道和所述耦合监视水柱通道成V型设置，其底部相交于所述水柱出水口；所述检测水柱通道和所述耦合监视水柱通道均与所述水柱进水口连通；

经过所述水柱出水口的中心的所述钢管匹配接触面的垂线与所述检测水柱通道中心线之间的夹角为α_l，经过所述水柱出水口的中心的所述钢管匹配接触面的垂线与所述检测水柱通道中心线之间的夹角为α_l′，且α_l＝α_l′；

所述检测水柱通道的上端设置所述检测探头，所述耦合监视水柱通道的上端设置所述耦合监视探头；所述检测探头的沿所述检测水柱通道对准所述水柱出水口的中心，所述耦合监视探头的沿所述耦合监视水柱通道也对准所述水柱出水口的中心；

至少一个所述单体水柱耦合监视装置中的α_l＝18.9°；并且至少一个所述单体水柱耦合监视装置中的α_l＝23.4°；并且至少一个所述单体水柱耦合监视装置中的α_l＝25.5°。

包括三个单体水柱耦合监视装置。

所述水柱进水口上设置有进水开关。

所述钢管匹配接触面为圆弧面。

还包括相互通过探头线连接的信号采集处理装置、显示装置和信号保存装置，所述检测探头和所述耦合监视探头均通过探头线连接到所述信号采集处理装置。

一种钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置的设计方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一步，确定水柱耦合检测中的声波倾斜入射到界面时的反射、折射原理：

当超声纵波L倾斜入射到水/钢界面时，除在水中产生反射纵波L′和在钢中产生折射纵波L″外，还会在钢中产生折射横波S；各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：

$\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\α}}_l}{C_{l1}}=\frac{\mathrm{Sin}{{\mathrm{\α}}_l}^{\′}}{C_{l1}}=\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\β}}_l}{C_{l2}}=\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\β}}_s}{C_s}---\left(1\right)$

式中：C_l1为水中波速；

C_l2、Cs为钢中纵波、横波波速；

α_l、α_l′为纵波入射角、反射角；

β_l、β_s为横波折射角；

由于在同一介质中纵波波速不变，因此α_l＝α_l′；又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速，因此β_l>β_s；

第一临界角α_Ⅰ：由(1)式可得：当C_l2>C_l1时，β_l>α_l，随着α_l的增加，β_l也增加，当α_l增加到一定程度时，β_l＝90°，这时所对应的纵波入射角称为第一临界角，用α_Ⅰ表示；通过计算可知，纵波入射到水/钢界面时，第一临界角α_Ⅰ＝14.5°；

第二临界角α_Ⅱ：由(1)式可得：当Cs>C_l1时，β_s>α_l，随着α_l的增加，β_s也增加，当α_l增加到一定程度时，β_s＝90°，这时所对应的纵波入射角称为第二临界角，用α_Ⅱ表示；通过计算可知，纵波入射到水/钢界面时，第二临界角α_Ⅱ＝27.3°；

第二步，确定水柱耦合探头的入射角、反射角及折射角的选择：

纵波入射到水/钢界面时，当入射角选择在第一临界角α_Ⅰ与第二临界角α_Ⅱ之间即14.5°～27.3°时，钢中没有折射纵波，只有折射横波；

油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合法检测应用的是将入射纵波在水/钢界面经过反射在水中反射纵波和经过折射在钢中折射横波；

由于油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头常用折射角为45°、60°和70°，因此，常用水柱耦合探头的折射角、反射角和入射角选择如下表；

水柱耦合探头	入射角αl	折射角βs	反射角αl′
				1#	18.9°	45°	18.9°
2#	23.4°	60°	23.4°
				3#	25.5°	70°	25.5°

注：1、入射角等于反射角；

2、入射角应在14.5°～27.3°范围内；

3、实际检测参数选择时，入射角和反射角由折射角决定；

第三步，确定水柱耦合探头耦合监视的设计：

通过以上的声波入射、反射和折射原理及入射角、反射角和折射角选择原则的分析可知，油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视设计应遵循如下原则：

①检测探头的入射波为纵波；

②耦合监视探头的接收声波为纵波；

③检测探头的入射角等于耦合监视探头的反射角；

④检测探头的入射角应在14.5°～27.3°范围内；

⑤实际检测中折射角的选择决定了检测探头的入射角和耦合监视探头的反射角；

根据以上选择原则，油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视设计主要由检测探头、耦合监视探头和支撑架构成；

为了有效地检测油气输送钢管焊缝将2个水柱耦合探头对等分布在焊缝两侧。

本发明属于无损检测技术领域，涉及一种油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视方法。

本发明设计一种油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视方法。

由于随着油气输送钢管在陆地管线及深海管线(如中国石油的西气东输三线管道工程、中海石油的南海荔湾3-1项目和黄岩项目)的广泛应用，目前这些钢管焊缝质量主要应用自动超声波进行检测，因此，油气输送钢管焊缝自动超声波检测是非常重要性和必要的。

油气输送钢管焊缝自动超声波检测由于检测速度快，人为影响因素少，检测结果可靠性高，为了提高检测结果的可靠性，本发明专利针对油气输送钢管焊缝自动超声波检测中的水柱耦合探头的耦合监视方法进行设计，使得油气输送钢管焊缝自动超声波检测结果更可靠、可追溯性更强，既满足了超声波检测功效，又满足了X射线检测结果直观性和永久记录的功效。

水柱耦合检测中的声波倾斜入射到界面时的反射、折射原理

当超声纵波L倾斜入射到水/钢界面时，除在水中产生反射纵波L′和在钢中产生折射纵波L″外，还会在钢中产生折射横波S，如图1所示。各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：

$\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\α}}_l}{C_{l1}}=\frac{\mathrm{Sin}{{\mathrm{\α}}_l}^{\′}}{C_{l1}}=\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\β}}_l}{C_{l2}}=\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\β}}_s}{C_s}---\left(1\right)$

式中：C_l1为水中波速；

C_l2、Cs为钢中纵波、横波波速；

α_l、α_l′为纵波入射角、反射角；

β_l、β_s为横波折射角。

由于在同一介质中纵波波速不变，因此α_l＝α_l′。又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速，因此β_l>β_s。

第一临界角α_Ⅰ：由(1)式可得：当C_l2>C_l1时，β_l>α_l，随着α_l的增加，β_l也增加，当α_l增加到一定程度时，β_l＝90°，这时所对应的纵波入射角称为第一临界角，用α_Ⅰ表示，如图2所示。通过计算可知，纵波入射到水/钢界面时，第一临界角α_Ⅰ＝14.5°。

第二临界角α_Ⅱ：由(1)式可得：当Cs>C_l1时，β_s>α_l，随着α_l的增加，β_s也增加，当α_l增加到一定程度时，β_s＝90°，这时所对应的纵波入射角称为第二临界角，用α_Ⅱ表示，如图3所示。通过计算可知，纵波入射到水/钢界面时，第二临界角α_Ⅱ＝27.3°。

水柱耦合探头的入射角、反射角及折射角的选择

纵波入射到水/钢界面时，当入射角选择在第一临界角(α_Ⅰ)与第二临界角(α_Ⅱ)之间即14.5°～27.3°时，钢中没有折射纵波，只有折射横波如图4所示，在实际超声波检测中水浸法检测钢质材料就是应用之一。本发明应用的就是当接收探头接收到水中的反射纵波后被显示在检测记录中，来实现水柱耦合探头的耦合监视。

油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合法检测应用的是将入射纵波在水/钢界面经过反射在水中反射纵波(用于探头的耦合监视)和经过折射在钢中折射横波(用于缺陷检测)。

由于油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头常用折射角为45°、60°和70°，因此，常用水柱耦合探头的折射角、反射角和入射角选择见表1。

表1常用水柱耦合探头的折射角、反射角和入射角

水柱耦合探头	入射角(αl)	折射角(βs)	反射角(αl′)
				1#	18.9°	45°	18.9°
2#	23.4°	60°	23.4°
				3#	25.5°	70°	25.5°

注：1、入射角等于反射角；

2、入射角应在14.5°～27.3°范围内；

3、实际检测参数选择时，入射角和反射角由折射角决定。

水柱耦合探头耦合监视的设计

通过以上的声波入射、反射和折射原理及入射角、反射角和折射角选择原则的分析可知，油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视设计应遵循如下原则：

①检测探头的入射波为纵波；

②耦合监视探头的接收声波为纵波；

③检测探头的入射角等于耦合监视探头的反射角；

④检测探头的入射角应在14.5°～27.3°范围内；

⑤实际检测中折射角的选择决定了检测探头的入射角和耦合监视探头的反射角。

根据以上选择原则，油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视设计如图5所示，主要由检测探头(发射接收)、耦合监视探头(仅为接收)和支撑架构成。

为了有效地检测油气输送钢管焊缝将2个水柱耦合探头对等分布在焊缝两侧如图6所示。

水柱耦合探头耦合监视结果的显示

为了确保油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头检测结果的可靠性和稳定性，设计水柱耦合探头的耦合监视是必要的。油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视主要应用的是在水中的反射纵波，在反射纵波处放置一个接收探头，将接收探头接收到的声波信号显示在检测结果的带状图中，可以将显示结果和检测结果显示在同一通道中，一般将耦合失波信号在0～-6dB范围内设置无色(或白色)，失波信号超过-6dB范围时设置为灰色，油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视的显示结果如图7所示。

本发明的有益效果可以总结如下：

1、随着油气输送钢管焊缝自动超声波检测速度的提高，钢管壁厚的增大，探头耦合监视的重要性显得越来越重要。本发明专利就是设计了一种油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视方法，利用声波反射原理，通过增设耦合监视探头实现耦合监视；

2、在本发明技术的基础上，在结合现有技术中采集、处理、储存和显示装置，可以实现通过耦合监视探头将一定声压范围内的探头失波在检测记录中显示出一种颜色，其余声压范围内的探头失波在检测记录中显示出另一种颜色，并将其记录在同一检测通道中，这样使检测结果和探头耦合监视显示在一起，并与检测结果共同永久性保存，具有良好的追溯性。

3、本发明提供了一种油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视装置及其方法设计。解决了油气输送钢管焊缝自动超声波检测中每个通道耦合效果的实时记录问题，具有永久记录，便于长期保存，确保检测结果的准确性与可靠性，使检测结果具有良好的可追溯性。

附图说明

图1纵波倾斜入射到水/钢界面的反射、折射原理；

图2纵波以第一临界角倾斜入射到水/钢界面的反射、折射情况；

图3纵波以第二临界角倾斜入射到水/钢界面的反射、折射情况；

图4纵波以介于第一临界角与第二临界角之间倾斜入射到水/钢界面的反射、折射情况；

图5水柱耦合探头设计示意图；

图6水柱耦合探头在油气输送钢管焊缝自动超声波检测中布置示意图；

其中，9为焊缝，10为钢管。

图7水柱耦合探头在油气输送钢管焊缝自动超声波检测中耦合监视显示图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示的一种钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置，包括至少三个单体水柱耦合监视装置，每个所述单体水柱耦合监视装置均包括支撑架1、检测探头2、耦合监视探头3、检测水柱通道4、耦合监视水柱通道5、水柱出水口6和水柱进水口7；所述支撑架1的底部设置有钢管匹配接触面8，所述钢管匹配接触面8上设置所述水柱出水口6；所述检测水柱通道4和所述耦合监视水柱通道5成V型设置，其底部相交于所述水柱出水口6；所述检测水柱通道4和所述耦合监视水柱通道5均与所述水柱进水口7连通；经过所述水柱出水口6的中心的所述钢管匹配接触面8的垂线与所述检测水柱通道4中心线之间的夹角为α_l，经过所述水柱出水口6的中心的所述钢管匹配接触面8的垂线与所述检测水柱通道4中心线之间的夹角为α_l′，且α_l＝α_l′；所述检测水柱通道4的上端设置所述检测探头2，所述耦合监视水柱通道5的上端设置所述耦合监视探头3；所述检测探头2的沿所述检测水柱通道4对准所述水柱出水口6的中心，所述耦合监视探头3的沿所述耦合监视水柱通道5也对准所述水柱出水口6的中心；至少一个所述单体水柱耦合监视装置中的α_l＝18.9°；并且至少一个所述单体水柱耦合监视装置中的α_l＝23.4°；并且至少一个所述单体水柱耦合监视装置中的α_l＝25.5°。

在更加优选的实施例中，所述钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置包括三个单体水柱耦合监视装置。

在更加优选的实施例中，所述水柱进水口7上设置有进水开关。所述钢管匹配接触面8为圆弧面。

在更加优选的实施例中，所述钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置还包括相互通过探头线连接的信号采集处理装置、显示装置和信号保存装置，所述检测探头2和所述耦合监视探头3均通过探头线连接到所述信号采集处理装置。

一种钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置的设计方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一步，确定水柱耦合检测中的声波倾斜入射到界面时的反射、折射原理：

当超声纵波L倾斜入射到水/钢界面时，除在水中产生反射纵波L′和在钢中产生折射纵波L″外，还会在钢中产生折射横波S；各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：

$\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\α}}_l}{C_{l1}}=\frac{\mathrm{Sin}{{\mathrm{\α}}_l}^{\′}}{C_{l1}}=\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\β}}_l}{C_{l2}}=\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\β}}_s}{C_s}---\left(1\right)$

式中：C_l1为水中波速；

C_l2、Cs为钢中纵波、横波波速；

α_l、α_l′为纵波入射角、反射角；

β_l、β_s为横波折射角；

由于在同一介质中纵波波速不变，因此α_l＝α_l′；又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速，因此β_l>β_s；

第一临界角α_Ⅰ：由(1)式可得：当C_l2>C_l1时，β_l>α_l，随着α_l的增加，β_l也增加，当α_l增加到一定程度时，β_l＝90°，这时所对应的纵波入射角称为第一临界角，用α_Ⅰ表示；通过计算可知，纵波入射到水/钢界面时，第一临界角α_Ⅰ＝14.5°；

第二临界角α_Ⅱ：由(1)式可得：当Cs>C_l1时，β_s>α_l，随着α_l的增加，β_s也增加，当α_l增加到一定程度时，β_s＝90°，这时所对应的纵波入射角称为第二临界角，用α_Ⅱ表示；通过计算可知，纵波入射到水/钢界面时，第二临界角α_Ⅱ＝27.3°；

第二步，确定水柱耦合探头的入射角、反射角及折射角的选择：

纵波入射到水/钢界面时，当入射角选择在第一临界角α_Ⅰ与第二临界角α_Ⅱ之间即14.5°～27.3°时，钢中没有折射纵波，只有折射横波；

油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合法检测应用的是将入射纵波在水/钢界面经过反射在水中反射纵波和经过折射在钢中折射横波；

由于油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头常用折射角为45°、60°和70°，因此，常用水柱耦合探头的折射角、反射角和入射角选择如下表；

水柱耦合探头	入射角αl	折射角βs	反射角αl′
				1#	18.9°	45°	18.9°
2#	23.4°	60°	23.4°
				3#	25.5°	70°	25.5°

注：1、入射角等于反射角；

2、入射角应在14.5°～27.3°范围内；

3、实际检测参数选择时，入射角和反射角由折射角决定；

第三步，确定水柱耦合探头耦合监视的设计：

通过以上的声波入射、反射和折射原理及入射角、反射角和折射角选择原则的分析可知，油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视设计应遵循如下原则：

①检测探头2的入射波为纵波；

②耦合监视探头3的接收声波为纵波；

③检测探头2的入射角等于耦合监视探头3的反射角；

④检测探头2的入射角应在14.5°～27.3°范围内；

⑤实际检测中折射角的选择决定了检测探头2的入射角和耦合监视探头3的反射角；

根据以上选择原则，油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视设计主要由检测探头2、耦合监视探头3和支撑架1构成；

为了有效地检测油气输送钢管焊缝将2个水柱耦合探头对等分布在焊缝两侧。

随着油气输送钢管焊缝自动超声波检测速度的提高，钢管壁厚的增大，探头耦合监视的重要性显得越来越重要。本发明专利就是设计了一种油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视方法，利用声波反射原理，通过增设耦合监视探头3实现耦合监视；在本发明技术的基础上，在结合现有技术中采集、处理、储存和显示装置，可以实现通过耦合监视探头3将一定声压范围内的探头失波在检测记录中显示出一种颜色，其余声压范围内的探头失波在检测记录中显示出另一种颜色，并将其记录在同一检测通道中，这样使检测结果和探头耦合监视显示在一起，并与检测结果共同永久性保存，具有良好的追溯性。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置，其特征在于：包括至少三个单体水柱耦合监视装置，每个所述单体水柱耦合监视装置均包括支撑架、检测探头、耦合监视探头、检测水柱通道、耦合监视水柱通道、水柱出水口和水柱进水口；所述支撑架的底部设置有钢管匹配接触面，所述钢管匹配接触面上设置所述水柱出水口；所述检测水柱通道和所述耦合监视水柱通道成V型设置，其底部相交于所述水柱出水口；所述检测水柱通道和所述耦合监视水柱通道均与所述水柱进水口连通；

经过所述水柱出水口的中心的所述钢管匹配接触面的垂线与所述检测水柱通道中心线之间的夹角为α_l，经过所述水柱出水口的中心的所述钢管匹配接触面的垂线与所述检测水柱通道中心线之间的夹角为α_l′，且α_l＝α_l′；

所述检测水柱通道的上端设置所述检测探头，所述耦合监视水柱通道的上端设置所述耦合监视探头；所述检测探头的沿所述检测水柱通道对准所述水柱出水口的中心，所述耦合监视探头的沿所述耦合监视水柱通道也对准所述水柱出水口的中心；

至少一个所述单体水柱耦合监视装置中的α_l＝18.9°；并且至少一个所述单体水柱耦合监视装置中的α_l＝23.4°；并且至少一个所述单体水柱耦合监视装置中的α_l＝25.5°。

2.根据权利要求1所述的钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置，其特征在于：包括三个单体水柱耦合监视装置。

3.根据权利要求1所述的钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置，其特征在于：所述水柱进水口上设置有进水开关。

4.根据权利要求1所述的钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置，其特征在于：所述钢管匹配接触面为圆弧面。

5.根据权利要求1所述的钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置，其特征在于：还包括相互通过探头线连接的信号采集处理装置、显示装置和信号保存装置，所述检测探头和所述耦合监视探头均通过探头线连接到所述信号采集处理装置。

6.一种根据权利要求1至5任意之一所述的钢管焊缝自动超声波检测的水柱耦合监视装置的设计方法，其特征在于，包括步骤如下：

第一步，确定水柱耦合检测中的声波倾斜入射到界面时的反射、折射原理：

当超声纵波L倾斜入射到水/钢界面时，除在水中产生反射纵波L′和在钢中产生折射纵波L″外，还会在钢中产生折射横波S；各种反射波和折射波方向符合反射、折射定律：

$\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\α}}_l}{C_{l1}}=\frac{\mathrm{Sin}{{\mathrm{\α}}_l}^{\′}}{C_{l1}}=\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\β}}_l}{C_{l2}}=\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\β}}_s}{C_s}---\left(1\right)$

式中：C_l1为水中波速；

C_l2、Cs为钢中纵波、横波波速；

α_l、α_l′为纵波入射角、反射角；

β_l、β_s为横波折射角；

由于在同一介质中纵波波速不变，因此α_l＝α_l′；又由于在同一介质中纵波波速大于横波波速，因此β_l>β_s；

第一临界角α_Ⅰ：由(1)式可得：当C_l2>C_l1时，β_l>α_l，随着α_l的增加，β_l也增加，当α_l增加到一定程度时，β_l＝90°，这时所对应的纵波入射角称为第一临界角，用α_Ⅰ表示；通过计算可知，纵波入射到水/钢界面时，第一临界角α_Ⅰ＝14.5°；

第二临界角α_Ⅱ：由(1)式可得：当Cs>C_l1时，β_s>α_l，随着α_l的增加，β_s也增加，当α_l增加到一定程度时，β_s＝90°，这时所对应的纵波入射角称为第二临界角，用α_Ⅱ表示；通过计算可知，纵波入射到水/钢界面时，第二临界角α_Ⅱ＝27.3°；

第二步，确定水柱耦合探头的入射角、反射角及折射角的选择：

纵波入射到水/钢界面时，当入射角选择在第一临界角α_Ⅰ与第二临界角α_Ⅱ之间即14.5°～27.3°时，钢中没有折射纵波，只有折射横波；

油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合法检测应用的是将入射纵波在水/钢界面经过反射在水中反射纵波和经过折射在钢中折射横波；

由于油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头常用折射角为45°、60°和70°，因此，常用水柱耦合探头的折射角、反射角和入射角选择如下表；

水柱耦合探头 入射角α_l 折射角βs 反射角α_l′ 1# 18.9° 45° 18.9° 2# 23.4° 60° 23.4° 3# 25.5° 70° 25.5°

注：1、入射角等于反射角；

2、入射角应在14.5°～27.3°范围内；

3、实际检测参数选择时，入射角和反射角由折射角决定；

第三步，确定水柱耦合探头耦合监视的设计：

通过以上的声波入射、反射和折射原理及入射角、反射角和折射角选择原则的分析可知，油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视设计应遵循如下原则：

①检测探头的入射波为纵波；

②耦合监视探头的接收声波为纵波；

③检测探头的入射角等于耦合监视探头的反射角；

④检测探头的入射角应在14.5°～27.3°范围内；

⑤实际检测中折射角的选择决定了检测探头的入射角和耦合监视探头的反射角；

根据以上选择原则，油气输送钢管焊缝自动超声波检测中水柱耦合探头的耦合监视设计主要由检测探头、耦合监视探头和支撑架构成；

为了有效地检测油气输送钢管焊缝将2个水柱耦合探头对等分布在焊缝两侧。