CN101187650A - 一种离心球铁管球化率和壁厚的超声无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造行业的无损检测技术领域，涉及一种离心球铁管球化率和壁厚的超声无损检测方法。其技术特征是通过声程和探头架结构设计，保证各探头与被检管有确定位向关系。探头架与被检管做相对复合运动，耦合介质室中的耦合介质保证超声波的动态耦合。采用透射方式检测管壁内超声横波声速，同时用红外测温探头检测管壁温度，超声横波声速经温度修正后求出室温下管壁的球化率；将超声横波声速转换为纵波声速，用超声脉冲反射方式检测管壁厚度。本发明的效果和益处是能一次完成两个项目的检测，克服了管壁厚和温度对球化率检测的影响，能对被检管全表面进行动态检测，提高检测的效率和覆盖率。

Description

一种离心球铁管球化率和壁厚的超声无损检测方法

技术领域

本发明属于铸造行业的无损检测技术领域，涉及一种离心球铁管球化率和壁厚的超声无损检测方法。

背景技术

离心球铁管被广泛应用于城市建设的供水、供气等工程项目中。随着其生产规模和产量的扩大，离心球铁管铸造质量的检测与控制也受到人们的关注和重视，特别是球化率和管壁厚的检测。因为球化率直接影响球铁的机械性能，管壁厚的不均匀或过薄则易引起承载能力下降，导致爆管。

目前生产中对离心球铁管铸造质量的检测方法主要有：炉前成分检查，

金相检验，打压实验，压痕检验及机械性能测试等常规方法。这些方法对离心球铁管铸造质量控制虽有一定效果，但由于它们要么属于破坏性检验，要么检测效率太低，在检测的覆盖率和速度方面很难满足生产的要求。

超声无损检测技术既可检测铸件的球化率(JB/Z265-86)，又可用于厚度测量(GB/T11344-1989，JB/T9403-1999)。但对于离心球铁管，因其形状和铸造成形工艺等因素的限制，其应用遇到很大困难。

超声无损检测铸件球化率的原理是超声波在球铁中的传播速度与其球

化率存在很好的线性关系，即

Q(％)＝a+bV

其中，Q(％)为被检铸件的球化率，

V为超声波在被检铸件中的传播速度m/s，

a，b为针对被检铸件材料的实验常数。

该关系式可通过对实验数据的回归处理确定。检测时，只要得到超声波在被检铸件中的传播速度，便可根据该式确定其球化率。

超声波在铸件中的传播速度(声速V)与其传播路径的长度(声程L)以及超声波通过该声程所用的时间(声时τ)三者之间满足下式

V＝L/τ    1-2

如果超声波在铸件中传播路径已知，其声程L又能用量具准确测量，只要用超声仪器确定其声时τ，由1-2式，就可以求出其声速V。由1-1式，进而求出其球化率Q(％)；如果超声波在铸件中的声速V已知，用超声仪器确定出其穿过厚度方向的声时τ，由1-2式，便可求出其厚度值。可见超声仪器的作用只是确定声时。根据第二个可测量或已知量的不同，决定超声无损检测的内容是铸件球化率还是厚度。

对于离心球铁管，球化率取决于每包铁液的球化处理效果，是待检测的不确定量。球化率不确定，其声速必然也不确定。离心球铁管的壁厚受到铁液浇入量控制精度和离心浇注工艺的影响，其管壁厚在生产过程中会出现波动，除在管的端部，其余部位的管壁厚也很难用量具测量。另外，每根待检的离心球铁管，由于受到生产节奏的限制，被检测时的管壁温度也不尽相同。而管壁温度对其超声声速的影响也是非常显著的。这些因素都给离心球铁管球化率和管壁厚的超声无损检测带来极大的困难，检测效果不佳，至今无法实际应用。

发明内容

本发明的目的是给出一种离心球铁管球化率和壁厚的超声无损检测方法。通过声程及探头架结构设计，排除管壁厚对声程的影响；通过管壁温度检测，实时消除温度对声速的影响。使两个检测项目同时完成，对待检离心球铁管全表面进行逐点动态检测，并针对上述两项检测指标分别进行超限报警、位置标记及数据存储和输出。

本发明的技术方案是通过下述步骤和方法实现：

1)用于球化率检测的超声发射探头和超声接收探头、用于管壁厚检测的超声探头以及用于管壁温度检测的红外探头均安装在与被检离心球铁管外形尺寸和表面形状相吻合的弧形探头架上，各探头与被检离心球铁管中心轴线之间具有确定的位向关系；

2)探头架中，超声探头与被检离心球铁管之间设有空腔耦合介质室，检测时其中充满耦合介质；

3)检测时，被检离心球铁管以一定线速度v₁绕其中心轴线匀速旋转，探头架连同其上所有探头紧贴被检离心球铁管壁并沿其母线方向以速度v₂匀速平移；

4)球化率检测采用发射、接收双探头透射方式，超声发射探头发射超声脉冲，经耦合介质到达被检离心球铁管外表面的入射点；发生折射和波型转换后，超声横波沿管壁弦长方向传播至管外壁的出射点，再经第二次折射又转换为超声纵波，并经耦合介质到达超声接收探头；

5)测出超声发射脉冲与接收脉冲之间的声时值，求出被检离心球铁管在该管壁温度下被检部位管壁内的超声横波声速。根据铸铁材料超声横波声速与纵波声速的转换关系，将上述横波声速转换成该温度下的超声纵波声速，用于下面的管壁厚检测；

6)探头架上的红外测温探头同时检测离心球铁管被检部位的管壁温度，并根据事先实验确定的管壁温度对离心球铁管横波声速的影响规律，将前面的超声横波声速值修正为室温下该部位的超声横波声速，用于下面的球化率检测；

7)根据事先实验确定的室温下离心球铁管球化率随超声横波声速的变化规律，求出离心球铁管被检部位的球化率；

8)管壁厚检测采用自发、自收单探头脉冲反射方式，管壁厚检测超声探头的发射脉冲经耦合介质垂直入射被检离心球铁管壁，由被检离心球铁管外壁反射脉冲位置确认第1至第i次管内壁反射脉冲，计算超声波一次往返管壁厚的声时值，结合前面获得的超声纵波声速，求出该部位的管壁厚度；

9)至此，针对被检离心球铁管一个部位的一次球化率和壁厚检测过程完成。随着检测部位的改变，系统自动进入下一次检测。

本发明的效果和益处是利用超声无损检测技术对离心球铁管的球化率和壁厚实施检测，克服了管壁厚度、管壁温度对声速测量和球化率检测的影响，提高了检测的精度和可靠性；可以对离心球铁管全表面进行逐点动态检测，提高了检测的覆盖率和效率。

附图说明

附图1是本发明离心球铁管球化率和壁厚超声无损检测的原理和探头架结构示意图。

附图2a是球化率检测时的超声信号波形。

附图2b是管壁厚检测时的超声信号波形。

附图3是铸铁材料超声横波声速与纵波声速的转换关系。

附图4是管壁温度对离心球铁管横波声速的影响规律。

附图5是室温下离心球铁管球化率随超声横波声速的变化规律。

附图6是本发明的系统控制框图。

其中，1被检离心球铁管，2探头架，3超声发射探头，4超声接收探头，5耦合介质室及耦合介质，6红外测温探头，7管壁厚超声检测探头，8密封，9限位支承万向轮，10超声发射脉冲，11超声接收脉冲，12超声波经过总声程L的总声时，13被检管外壁反射脉冲，14被检管内壁的第一至第i次反射脉冲，15超声波(i-1)次垂直往返管壁所用时间，16超声波一次垂直往返管壁所用时间，17附图3中实验数据的回归公式，18附图4中实验数据的回归公式，19附图5中实验数据的回归公式，20同步电路，21延时电路，22触发电路，23检测项目切换控制电路，24超声波发射电路，25超声波接收电路，26检测项目切换电路，27数据采集器，28PC机，29标记控制电路及执行机构，30报警电路。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

过被检离心球铁管1表面的待检位置作平面A-A垂直于管1中心轴线，交该轴线于O点，平面与管的截交线为以O为圆心的同心圆环。外圆直径D为管外径，内圆直径d为管内径，S＝(D-d)/2为管壁厚，超声发射探头3选用线聚焦水浸探头。则

耦合介质中焦距

焦带宽度    d_-6dB＝0.71λf/R_c

其中r为探头聚焦镜片的曲率半径，C_l聚焦镜片中纵波声速，

耦合介质5中纵波声速，λ耦合介质5中波长，R_c探头3压电晶片的半径。

在A-A平面上作射线OO′，交内、外圆于Q、P点。在Q、P点间取一点x，定义x为被检测点。令xQ≥d_-6dB，过x点作QP的垂线，交管外壁于E_i和R₀两点，分别作为球化率检测时超声波在管外壁的入射点和出射点。并且有

超声横波折射角∠β_t＝ar csin[2(d/2+d_-6dB)/D]

管壁内横波声程 $l=\stackrel{\‾}{E_i{R}_0}=2\sqrt{{(D/2)}^2-{(d/2+d_{-6\mathrm{dB}})}^2}$

根据超声波在异质界面的折射和波型转换原理

$l=\stackrel{\‾}{E_i{R}_0}=2\sqrt{{(D/2)}^2-{(d/2+d_{-6\mathrm{dB}})}^2}$

其中，α为超声纵波入射角，β_l为超声纵波折射角，β_t为超声横波折射角，

为耦合介质5中纵波声速，

和

分别为超声纵波和横波在被检离心球铁管1中的声速。为使入射的超声纵波发生全反射，加入限制条件β_l≥sinβ_l＝1或α，最终确定超声纵波的入射和出射角β_t。

根据超声横波的折射角α、超声纵波的入射和出射角E_i，分别过R₀和EE_i点作出超声纵波的入射和出射声束的轴线。在两轴线上分别截取R₀R和EE_i＝f，使l_o＝EE_i+R₀R。L＝l_o+l为超声纵波在耦合介质5中的声程。EE_i为总声程。R₀R和OO′分别为探头压电晶片的发射和接收面位置。HP和OO′的实际尺寸最后由实验确定。

沿射线v₂方向设置红外测温探头6，调整O₁O′₁的距离使管壁内的被检测点GF处于该探头的有效测温范围内。

将射线τ(x，t)沿探头架2移动方向的相反方向平移，生成新射线O₁O′₁，作为管壁厚检测超声探头7的声束轴线。超声探头7选择水浸平探头。平移距离以大于红外测温探头6、管壁厚检测超声探头7两探头半径之和且尽可能小为原则。超声探头7的晶片发射面距被检管1外壁的距离GF应不小于该探头在耦合介质5中的近场距离，其最终的实际距离由实验效果确定。耦合介质5在此不仅具有耦合作用，还具有声延迟的作用。根据上面的分析和计算，确定所有检测探头与被检管1之间的几何位向关系，并依此设计与被检管1尺寸相吻合的探头架2，确定探头在其上的位置、角度和固定方式，加工耦合介质室5，安装密封8和限位支承万向轮9。最后通过实验调整、确定超声波在耦合介质5中的实际声程。由于超声波的传播路径经过事先设计，超声在耦合介质中的声程、声速均经实验确定，探头架及所有探头与被检离心球铁管之间位向关系固定，所以超声波在管壁内的声程为确定的可求量，且不受管壁厚变化的影响。

球化率检测采用超声波透射方式。发射探头3发射超声脉冲信号，接收探头4接收超声脉冲信号，数据采集器27通过接收探头4采集的超声波信号波型如附图2a，经系统中PC机28处理，得到超声发射脉冲10与超声接收脉冲11之间的时间间隔12，作为t℃管壁温度下、超声波经过被检测点X的总声程L的总声时值τ(x，t)，被检测点X在t温度下的超声横波声速

根据附图3中的回归公式17，PC机28将Q_C(％)转换为同温度下该位置的超声纵波声速Δτ(x，t)，供管壁厚检测时使用。系统中的PC机28还要根据红外测温探头6和数据采集器27检测的被检测点X的管壁温度t℃和附图4中的回归公式18，将V_t(x，t)折算为25℃室温下的超声横波声速V_t(x，25)。再由附图5中的回归公式19求出X点在室温下的球化率Q(x，25)(％)，同时Q(x，25)(％)将与事先设定的球化率阈值Q_C(％)进行比较，判断其是否超限并决定相应标记控制和报警电路是否动作。

管壁厚检测采用超声波脉冲反射方式，管壁厚检测超声探头7发射并接收超声脉冲信号，数据采集器27采集的超声信号波形如附图2b。经过PC机28的数据处理，根据被检离心球铁管1的外表面反射脉冲13，确定第一至第i次内表面反射脉冲14及超声波一次垂直往返管壁的时间16Δτ(x，t)。结合前面获得的测点的超声纵波声速V_l(x，t)，则t℃温度下该点的离心球铁管壁厚

S(x，t)＝V_l(x，t)Δτ(x，t)≈S(x)

以上的分析和计算忽略了温度对管壁厚度的影响。另外，考虑到管壁温度沿管壁不会出现骤然变化，超声波的声速、数据采集及处理速度均远大于探头架的移动速度，而且红外测温探头6与管壁厚检测超声探头7相隔很近，因此球化率检测与管壁厚检测的位置误差是可以忽略的。

PC机28将S(x)数值与事先设定的管壁厚度阈值S_C进行比较，判断其是否超限并决定相应标记控制和报警电路是否动作。至此，系统完成一次球化率和管壁厚的检测。随着探头架与被检离心球铁管表面相对位置的改变，上述联合检测周而复始地进行，直到完成对整根管全表面的检测。

控制系统中的同步电路20产生周期为T的脉冲信号，作为整个系统的时间基准。同步脉冲经二分频产生检测项目转换控制信号，通过检测项目切换控制和切换电路23、26，使系统能在球化率和管壁厚两种检测项目之间不断交替切换。延时电路21将同步脉冲进行必要的延时后控制触发电路22和超声发射电路24发射超声脉冲信号，避免切换过程信号不稳给检测带来影响。超声发射电路24的触发脉冲同时触发数据采集器27对超声接收电路25接收的超声脉冲信号和测温探头11的温度信号进行模数(A/D)转换，并将结果传送给PC机28进行处理。当某被检测点的某项检测结果超过误差容限，PC机28会通过标记控制电路29控制相应执行机构在被检测点作出标记，并触发相应报警电路30发出警示。根据用户要求，系统还可对所有检测数据进行存储、显示或打印输出，实现检测过程的信息化管理。

Claims (1)

1.一种离心球铁管球化率和壁厚的超声无损检测方法，其特征是：

1)用于球化率检测的超声发射探头和超声接收探头、用于管壁厚检测的超声探头以及用于管壁温度检测的红外探头均安装在与被检离心球铁管外形尺寸和表面形状相吻合的弧形探头架上，各探头与被检离心球铁管中心轴线之间具有确定的位向关系；

2)探头架中，超声探头与被检离心球铁管之间设有空腔耦合介质室，检测时其中充满耦合介质；

3)检测时，被检离心球铁管以一定线速度围绕其中心轴线匀速旋转，探头架连同其上所有探头紧贴被检离心球铁管壁并沿其母线方向以速度 匀速平移；

4)球化率检测采用发射、接收双探头透射方式，超声发射探头发射超声脉冲，经耦合介质到达被检离心球铁管外表面的入射点；发生折射和波型转换后，超声横波沿管壁弦长方向传播至管外壁的出射点，再经第二次折射又转换为超声纵波，并经耦合介质到达超声接收探头；

5)测出超声发射脉冲与接收脉冲之间的声时值，求出被检离心球铁管在该管壁温度下被检部位管壁内的超声横波声速；根据铸铁材料超声横波声速与纵波声速的转换关系，将上述横波声速转换成该温度下的超声纵波声速，用于下面的管壁厚检测；

6)探头架上的红外测温探头同时检测离心球铁管被检部位的管壁温度，并根据事先实验确定的管壁温度对离心球铁管横波声速的影响规律，将前面的超声横波声速值修正为室温下该部位的超声横波声速，用于下面的球化率检测；

7)根据事先实验确定的室温下离心球铁管球化率随超声横波声速的变化规律，求出离心球铁管被检部位的球化率；

8)管壁厚检测采用自发、自收单探头脉冲反射方式，管壁厚检测超声探头的发射脉冲经耦合介质垂直入射被检离心球铁管壁，由被检离心球铁管外壁反射脉冲位置确认第1至第i次管内壁反射脉冲，计算超声波一次往返管壁厚的声时值，结合前面获得的超声纵波声速，求出该部位的管壁厚度；

9)至此，针对被检离心球铁管一个部位的一次球化率和壁厚检测过程完成；随着检测部位的改变，系统自动进入下一次检测。

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