CN101598705A - 一种超声波探伤专用斜探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波探伤专用斜探头，涉及超声波探伤技术领域。包括壳体、阻尼块、压电晶体片、与压电晶体片连接的电源线及电源线接口、透声楔块，其特征在于在有机玻璃楔块上设有弧形工件接触面；探头的入射点与压电晶体片的中心距离不小于8mm。本发明的积极效果是：与已有技术对比，使用本发明斜探头，可以较准确地完成中、小直径薄壁管道或弯头内壁纵向裂纹的超声波探伤检测，且操作方便，灵敏度高，工件中近场长度、耦合效果好；解决了中、小直径薄壁管道或弯头内壁纵向裂纹超声波检测的技术难题。

Description

一种超声波探伤专用斜探头

技术领域

本发明涉及超声波探伤技术领域。

背景技术

在中、小直径管道或弯头内壁纵向裂纹进行超声波探伤检测时，现普遍使用的常规超声波斜探头由于接触面均为平面，与被检管道或弯头等工件外表面接触形式为线接触，导致耦合效果极差，无法满足探伤灵敏度要求；由于在近场区超声波声压有多个极大、极小值，超声波探伤应避免在近场区进行，而中、小直径管道或弯头多为5mm-20mm厚薄壁管，且对内壁纵向裂纹探伤时多采用K0.7-K1.0斜探头，此时若采用常规斜探头探伤钢中近场长度太大，难以避开近场区，会导致缺陷无法定量；此外为同时满足探伤灵敏度、工件中近场长度、耦合效果、操作方便等要求，还应综合考虑探头的频率、晶片大小、前沿尺寸等参数。为此需设计制作专用斜探头以实现上述部件的超声波探伤。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波探伤专用斜探头，使用该斜探头，可以较准确地完成中、小直径薄壁管道或弯头内壁纵向裂纹的超声波探伤检测，且操作方便。

本发明的主要技术方案是：一种超声波探伤专用斜探头，包括壳体、阻尼块、压电晶体片、与压电晶体片连接的电源线及电源线接口、透声楔块，其特征在于在有机玻璃楔块上设有弧形工件接触面；探头的入射点与压电晶体片的中心距离不小于8mm。

所述的弧形工件接触面的顶点为探头入射点为佳。

所述的压电晶体片为多晶体压电陶瓷-锆钛酸铅为佳。

所述的透声楔块为梯形有机玻璃楔块为佳。

所述的阻尼块为高分子聚硫橡胶和钨粉环氧树脂复合层材料为佳。

本发明的积极效果是：与已有技术对比，使用本发明斜探头，可以较准确地完成中、小直径薄壁管道或弯头内壁纵向裂纹的超声波探伤检测，且操作方便，灵敏度高，工件中近场长度、耦合效果好；解决了中、小直径薄壁管道或弯头内壁纵向裂纹超声波检测的技术难题。本探头主要适用于中、小直径薄壁管道或弯头内壁纵向裂纹的超声波探伤检测。

以下结合实施例及附图作详述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的设计计算用图。

图1中各标号含义为：1为壳体，2为阻尼块，3压电晶体片，4为(与压电晶体片连接的)电源线及电源线接口，5为透声楔块，6为弧形工件接触面，7为(弧形工件接触面6的)顶点，8为入射点与压电晶体片3的距离。

具体实施方式

参见图1、图2，该超声波探伤专用斜探头，包括方形铝合金壳体1、阻尼块2、压电晶体片3、与压电晶体片连接的电源线及电源线接口4、透声楔块5，其特征在于在机玻璃楔块上设有弧形工件接触面6。弧形工件接触面6的顶点7为探头入射点。入射点与压电晶体片3的中心距离不小于8mm。压电晶体片3为多晶体压电陶瓷-锆钛酸铅。透声楔块5为梯形有机玻璃楔块。阻尼块2为高分子聚硫橡胶和钨粉环氧树脂复合层材料。

本实施例设计及原理如下：

本探头主要适用于中、小直径薄壁管道或弯头内壁纵向裂纹的超声波探伤检测。

本探头主要是借鉴现有常规超声波探头制作技术，结合上述中、小直径薄壁管道或弯头内壁纵向裂纹检测需要，进行如下几个方面设计：

1、频率的选择

一般频率选择时应考虑如下几个因素：

(1)由于波的绕射，超声波探伤灵敏度约为波长的一半(λ/2)因此提高频率，有利于发现更小缺陷。

(2)频率高，脉冲宽度小，分辨力高，有利于区分相邻缺陷。

(3)频率高，波长短，半扩散角小，声束指向性好，能量集中，有利于发现缺陷并对缺陷定位，对探伤有利；但波长短，近场长度大，对探伤不利。

(4)由于超声波的衰减与频率的四次方成正比，频率增加，衰减急剧增加，不利于探侧较厚工件。

由以上分析可知，频率高低对探伤结果有较大的影响。

对中、小直径薄壁管(外径＜200mm，壁厚＜20mm，)，包括了电站锅炉几乎所有导汽管、疏放水管、排污管等管道，由于壁厚薄、检测灵敏度要求高，综合考虑，探头采用5MHz频率为主，以利发现较小缺陷(理论上可发现0.3mm以上缺陷)，提高缺陷检出率。频率提高的不利影响，通过减小晶片面积予以改进

2、探头晶片形状与尺寸的选择

由于方形晶片与园形晶片比，增加了靠近工件部分的发射强度可明显提高灵敏度，故探头晶片形状采用方形。

探头晶片尺寸除了对声束指向性、近场长度有影响外，对近距离扫查范围和远距离缺陷检出能力也有较大影响。因此经综合分析，为减小近场长度不利影响，提高缺陷定位、定量精度宜选用较小晶片尺寸探头；同时由于被检工件曲率较大，选用较小晶片探头也有利于减小耦合损失，提高耦合效果。

综合考虑上述因素，根据中、小直径管道5mm-20mm不同壁厚设计4×6；6×6；7×7三种晶片尺寸探头。

3、探头K值的选择

管道、弯头超声波检测的扫查方向主要有两个，即周向和轴向，由管道、弯头受力分析及实际破坏情况可知，裂纹多以纵向(轴向)分布为主，因此管道、弯头内壁裂纹超声波检测应以周向扫查为主。

由端角反射理论可知，当横波入射角为35°-55°时，声压反射率最高，最有利于内壁裂纹检出。对管道、弯头的轴向检测，由于探头的折射角β等于工件内表面的横波入射角α，因此可选用标称为K0.7-1.4的斜探头，而对管道、弯头的周向检测由(图2)可知探头的折射角β不等于弯头内表面横波入射角α，故不能直接采用标称为K0.7-1.4的斜探头，而需根据被检管道、弯头规格进行估算以确定探头K值。

据正弦定理由(图2)可知：sinβ/sinα＝r/R

β＝arcsin((r/R)sinα)

则探头K值为K＝tg[arcsin((r/R)sinα)]    ——(式1)

式1中：

K-探头K值

β-探头折射角；

α-管内壁横波入射角

R-管外半径

r-管内半径

为获得最高声压反射率，以利于内壁裂纹检出，横波入射角α需满足

35°≤α≤55°。

则探头K值范围为：

tg[arcsin((r/R)sin35°)]≤K≤tg[arcsin((r/R)sin55°)]——(式2)

为实现纯横波探伤，当采用有机玻璃楔块时，探头K值必须不小于0.65。

即设计的探头K值同时应满足下式要求

K≥0.65    ——(式3)

在同时满足(式2)、(式3)要求前提下，对电站常用数十种规格管道、弯头进行计算得出最佳探头K值范围为：

0.7≤K≤1

4、钢中近场长度N的控制

由超声场理论可知，钢中近场长度(有机玻璃/钢界面)为：

N＝Fcosβ/πλcosα-Ltgα/tgβ    ——(式4)

式中：N-钢中近场长度

F-探头晶片尺寸；

λ-钢中横波波长；(λ＝C/f，C＝3230m/s)

L-探头入射点至实际波源(晶片)距离；

α-探头入射角；

β-探头折射角；

由式4可知，当探头晶片尺寸及K值确定后，要减小钢中近场长度N，以避开近场区探伤，只有增加探头入射点至实际波源(晶片)距离，即增大L值。

为此，如图2所示，设计的专用探头L值较常规探头大。

5、设计中提高耦合效果及方便操作的措施

适当增加探头前沿尺寸，并将入射点设计在探头的中部，不仅方便探伤操作，同时有利于提高耦合效果；

在探头有机玻璃楔块中部与工件的接触面上，机加工出略大于工件直径的弧形接触面，使探头与工件实现面接触，显著提高了耦合效果。

6、晶片材料、透声楔、阻尼块材料选择

晶片材料选用国内外超声探头广泛应用的，具有良好的机电耦合系数、压电发射系数、压电接收系数的多晶体压电陶瓷-锆钛酸铅。

透声楔选用有机玻璃，因为有机玻璃在5MHz以下衰减系数适宜，而且对于声陷阱内的多次反射能量有足够的吸收作用；此外，有机玻璃与工件的耦合特性好，易于加工。

阻尼块的选择应从两个方面考虑，一是它的声阻抗必须较大，以便产生较大的阻尼作用；二是要求它有较强的吸声作用，尽可能吸收掉晶片向后发射的声波。为此选择吸收能力更高的高分子聚硫橡胶和钨粉环氧树脂复合层作为阻尼与吸收材料。

Claims (5)

1、一种超声波探伤专用斜探头，包括壳体(1)、阻尼块(2)、压电晶体片(3)、与压电晶体片连接的电源线及电源线接口(4)、透声楔块(5)，其特征在于在有机玻璃楔块上设有弧形工件接触面(6)；探头的入射点与压电晶体片(3)的中心距离不小于8mm。

2、根据权利要求1所述的一种超声波探伤专用斜探头，其特征在于所述的弧形工件接触面(6)的顶点为探头入射点。

3、根据权利要求1或2所述的一种超声波探伤专用斜探头，其特征在于所述的压电晶体片(3)为多晶体压电陶瓷-锆钛酸铅。

4、根据权利要求1或2所述的一种超声波探伤专用斜探头，其特征在于所述的透声楔块(5)为梯形有机玻璃楔块。

5、根据权利要求1或2所述的一种超声波探伤专用斜探头，其特征在于所述的阻尼块(2)为高分子聚硫橡胶和钨粉环氧树脂复合层材料。

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