CN101923075B - 一种钢管自动超声探伤探头振动补偿方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢管自动超声探伤探头振动补偿方法，基于水膜耦合式钢管无损探伤技术；其特征在于：通过自动监测耦合水膜厚度的变化，以此为依据调整钢管自动超声探伤的报警信号闸门值实现对钢管的缺陷检测。本发明针对探头上下振动影响缺陷检测的情况，提出一种补偿技术，能动态实时补偿由于探头振动引起水膜厚度变化对缺陷检测的不利影响，而且不需增加检测通道的仪器硬件开销。实现了对钢管自动超声探伤时探头振动的缺陷信号进行实时自动补偿和保证缺陷不会漏检。本发明解决了人们一直以来渴望解决的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及钢管自动超声探伤技术，特别提供了一种钢管自动超声探伤探头振动补偿方法。
背景技术
钢管是一种广泛应用的重要的结构材料，在申请号为200810011490.X的中国专利申请文件中已指出，在钢管生产过程中由于各种偶然性不可避免，所以钢管壁上常存在纵向裂纹、横向裂纹、折叠、分层等缺陷。如果钢管有缺陷就会在使用当中破裂引起事故，甚至造成严重后果，可能造成重大经济损失甚至人员伤亡，为此世界上所有生产钢管的厂家都需要有完善的无损检测设备，对钢管进行在线探伤。
中大口径的钢管(Φ70mm以上)，一般采用普通斜探头水膜耦合的方法进行在线探伤。然而，在对钢管进行自动超声探伤的时候，一般是将探头用一定的机械机构压附于钢管外表面，通过调整探头架上的滚轮使探头与钢管之间留有一定的间隙，并充水形成耦合水膜，在钢管自动探伤过程中，常常会出现三种情况影响探伤的可靠性，一种是无水膜，另两种是探头的振动和翘转。第一种情况是水膜的供水系统出现问题，造成即使有了缺陷也不会有信号输出；申请号为200810011490.X的中国专利申请文件就针对这一问题提出了一种耦合监控的技术，即用一个通道同时实现耦合监控、探伤和壁厚测量三种功能的钢管超声探伤方法。另两种情况是：在实际自动探伤过程中，即使耦合正常，还会由于钢管在检测的传动过程中，探头的振动和翘转是不可避免的，也必然会造成水膜厚度的变化，也可能造成声束扩散和探头入射角的变化，从而造成缺陷信号幅值的变化，造成漏检。如图1是正常耦合时探头及水膜，图2所示是探头上下振动造成水膜厚度变化的情况，将会引起声束扩散导致缺陷信号幅值变化，图3所示是探头翘转造成水膜厚度变化及声束入射角变化的情况，将会导致缺陷信号幅值变化，如图4所示是水膜厚度对缺陷信号幅值的影响。对于探头振动引起缺陷检测可靠性劣化的问题，通常的做法是在探头机械机构上加大探头振动的阻尼减小探头振动，然而效果有限，尚未根本解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种技术效果更好的钢管自动超声探伤探头振动补偿方法。
本发明是要针对探头上下振动的情况，提出一种补偿技术，能动态实时补偿由于探头振动引起水膜厚度变化对缺陷检测的不利影响，而且不需增加检测通道的仪器硬件开销。
一种钢管自动超声探伤探头振动补偿方法，基于水膜耦合钢管无损探伤技术；其特征在于：通过自动监测耦合水膜厚度的变化，以此为依据调整钢管自动超声探伤的报警信号闸门值实现对钢管的缺陷检测。
本发明所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法，其特征在于：根据以下基本原理：探头上、下振动造成耦合水膜厚度变化引起声束扩散导致缺陷信号幅值变化，探头翘转造成耦合水膜厚度变化及声束入射角变化导致缺陷信号幅值变化；在上述两种原因作用下的缺陷信号幅值可能接近甚至低于无振动或/和翘转的通常情况下所对应的通常的报警闸门值，所以我们在发生振动或/和翘转时适当降低报警闸门值能很好地检测出实际缺陷的有无。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法具体采用专用检测装置进行耦合水膜厚度变化的实时监测；所述专用检测装置具体结构构成如下：
有机玻璃楔块1、探伤压电晶片2、测厚压电晶片3、可变电阻4、支撑轮7；其中：有机玻璃楔块1主体为厚度均匀的长方体结构，其一端的上部为向下侧面倾斜的斜面结构；测厚压电晶片3固定在有机玻璃楔块1上方外侧，其与有机玻璃楔块1底面平行布置；探伤压电晶片2布置在有机玻璃楔块1上方的斜面结构外侧；可变电阻4布置在连接着探伤压电晶片2和测厚压电晶片3的电路中。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，使用上述的专用检测装置进行操作的具体要求进一步优选是：
在支撑轮7的辅助下，使有机玻璃楔块1下底面与被检钢管6之间保持0.15～0.8mm的间隙以便形成耦合水膜5；
探伤压电晶片2的作用和普通斜探头中的压电陶瓷片的作用相同，它向有机玻璃楔块1发射纵波，经过有机玻璃楔块1与耦合水膜5的界面以及耦合水膜5与被检钢管6的界面的折射进入被检钢管6的管壁；此时已经转换成横波，横波向前传播时如果遇到了缺陷，被缺陷反射之后原路返回回到探伤压电晶片2形成缺陷回波；测厚压电晶片3与有机玻璃楔块1构成了一个有延迟块的直探头，测厚压电晶片3向耦合水膜5及被检钢管6的管壁发射纵波，并接收来自耦合水膜5及被检钢管6内壁和外壁的反射回波；
测厚压电晶片3收到来自有机玻璃楔块1与耦合水膜5界面、耦合水膜5与被检钢管6以及管内壁的多次反射波，于是可以检测得到始脉冲波T、有机玻璃楔块1与耦合水膜5界面波e1、耦合水膜5与被检钢管6界面波e2、以及被检钢管6管壁厚的1次底波B1，2次底波B2，直至n次底波Bn；当有内壁缺陷时会在W2闸门处出现F1回波，当有外壁缺陷时会在W3闸门处出现F3回波，如图7所示。在实际探伤时，可能会有两种情况：一种是水膜较厚，会出现e2回波，另一种情况是水膜较薄，e2回波会淹没在e1回波中。第一种情况可以用一般的超声测厚原理(超声波声程时差法)测量水膜厚度；第二种情况下，由于e1决定于探头的有机玻璃厚度，所以位置是不变的，e1与B1的间距代表了水膜厚度与钢管厚度之和的信息，B1和B2的间距只代表壁厚的信息，所以用e1与B1的间距减去B1和B2的间距就是水膜的厚度信息。
选择Bn次底波其中之一用于监控耦合状况及壁厚是否超限，例如选B2。探伤之前先用人工标准伤调好该通道的增益，调好伤信号报警闸门W2和W3的高度、宽度和位置，使得当被检钢管6有内外壁缺陷时报警闸门W2和W3发出报警信号；然后调节探头上的可变电阻4，使得B2之后的各次底波不影响伤波的报警；
调好通道的第1个闸门W1的高度并设置为失波报警，按允许的壁厚范围调好闸门宽度和位置；
当耦合不良或者探头表面与工件表面之间根本没有耦合剂时，B2消失或者大幅度下跌而低于闸门高度，W1发出报警信号；如果壁厚超限，B2移动到闸门之外，W1也发出报警信号。
当探头有所振动时，探头与钢管之间的水膜厚度必然有所变化，水膜厚度变化就会引起同一个缺陷的信号幅度也跟随变化，两者并非线性关系，而是如图4所示，这条曲线关系可以事先通过实验来确定，再将此变化曲线输入到超声波探伤的检测程序中，超声波探伤的检测程序根据所测得的水膜厚度再自动调整闸门W2和W3的左右位置和上下的高度，从而实现钢管自动超声探伤时对探头振动的缺陷信号进行实时自动补偿和保证缺陷不会漏检。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法，其特征在于：所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，使用所述的专用检测装置进行操作的具体要求是：
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法要求检测系统能识别和计算e1和e2的回波并计算耦合水膜5的厚度，能识别和计算B1和B2的回波并计算被检钢管6管壁厚度，或能识别和计算e1、B1和B2的回波并分别计算耦合水膜5厚度和计算被检钢管6管壁厚度，能根据事先实验确定的缺陷信号随耦合水膜厚度变化的关系曲线自动调整闸门W2和W3的左右位置和上下的高度，以及W1闸门失波报警和W2、W3的进波报警功能。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，还有下述的优选内容要求：
所述的探伤压电晶片2、测厚压电晶片3与超声探伤仪的接线方式为，测厚压电晶片3串联一个可变电阻之后再与探伤压电晶片2并联，整个探头按单探头脉冲回波法的接线方式与探伤仪联接。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，被检钢管6要求具体为壁厚4mm以上、外径Φ70mm以上的中大口径管材。
本发明所属的技术领域是无损检测，发明了一种钢管自动超声探伤时防止探头振动引起缺陷漏检的技术，它的特点是能动态实时补偿由于探头振动引起水膜厚度变化对缺陷检测的不利影响，而且不需增加检测通道的开销。解决了人们一直以来渴望解决的技术难题。
此外，本发明既能自动监控水耦合状况，自动测量探头振动引起的水膜厚度并进行缺陷信号的自动补偿，又不增加通道，因此成本的增加微乎其微，可以忽略不计。除此之外，还能同时实现监控钢管壁厚的功能，钢管壁厚过大或过小，仪器能发出报警信号；这样就做到了缺陷探伤、耦合监控、壁厚测量、水膜厚度测量和探头振动时的缺陷信号补偿的五项功能仅用一个通道，从而实现钢管自动超声探伤时的探头振动的缺陷信号实时自动补偿和保证缺陷不会漏检。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为正常耦合时的水膜结构示意图；
图2为探头上下振动造成水膜厚度变化引起声束扩散导致缺陷信号幅值变化示意图；
图3为探头翘转造成水膜厚度变化及声束入射角变化导致缺陷信号幅值变化示意图；
图4为水膜厚度变化引起缺陷信号幅值变化的关系图，这种变化可能导致漏检；
图5为探头结构示意图；
图6为本发明中所述探头检测系统示意图；
图7为检测信号波形时序图。
具体实施方式
附图6中的各附图标记含义如下：有机玻璃楔块1、探伤压电晶片2、测厚压电晶片3、可变电阻4、耦合水膜5、被检钢管6、支撑轮7。
实施例1
一种基于水膜耦合钢管无损探伤技术的钢管自动超声探伤探头振动补偿方法，其通过自动监测耦合水膜厚度的变化，以此为依据调整钢管自动超声探伤的报警信号闸门值实现对钢管的缺陷检测。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法，其根据以下基本原理：探头上、下振动造成耦合水膜厚度变化引起声束扩散导致缺陷信号幅值变化，探头翘转造成耦合水膜厚度变化及声束入射角变化导致缺陷信号幅值变化；在上述两种原因作用下的缺陷信号幅值可能接近甚至低于无振动或/和翘转的通常情况下所对应的通常的报警闸门值，所以我们在发生振动或/和翘转时适当降低报警闸门值能很好地检测出实际缺陷的有无。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法具体采用专用检测装置进行耦合水膜厚度变化的实时监测；所述专用检测装置具体结构构成如下：
有机玻璃楔块1、探伤压电晶片2、测厚压电晶片3、可变电阻4、支撑轮7；其中：有机玻璃楔块1主体为厚度均匀的长方体结构，其一端的上部为向下侧面倾斜的斜面结构；测厚压电晶片3固定在有机玻璃楔块1上方外侧，其与有机玻璃楔块1底面平行布置；探伤压电晶片2布置在有机玻璃楔块1上方的斜面结构外侧；可变电阻4布置在连接着探伤压电晶片2和测厚压电晶片3的电路中。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，在支撑轮7的辅助下，使有机玻璃楔块1下底面与被检钢管6之间保持0.15～0.8mm的间隙以便形成耦合水膜5；
探伤压电晶片2的作用和普通斜探头中的压电陶瓷片的作用相同，它向有机玻璃楔块1发射纵波，经过有机玻璃楔块1与耦合水膜5的界面以及耦合水膜5与被检钢管6的界面的折射进入被检钢管6的管壁；此时已经转换成横波，横波向前传播时如果遇到了缺陷，被缺陷反射之后原路返回回到探伤压电晶片2形成缺陷回波；测厚压电晶片3与有机玻璃楔块1构成了一个有延迟块的直探头，测厚压电晶片3向耦合水膜5及被检钢管6的管壁发射纵波，并接收来自耦合水膜5及被检钢管6内壁和外壁的反射回波；
测厚压电晶片3收到来自有机玻璃楔块1与耦合水膜5界面、耦合水膜5与被检钢管6以及管内壁的多次反射波，于是可以检测得到始脉冲波T、有机玻璃楔块1与耦合水膜5界面波e1、耦合水膜5与被检钢管6界面波e2、以及被检钢管6管壁厚的1次底波B1，2次底波B2，直至n次底波Bn；当有内壁缺陷时会在W2闸门处出现F1回波，当有外壁缺陷时会在W3闸门处出现F3回波，如图7所示。在实际探伤时，可能会有两种情况：一种是水膜较厚，会出现e2回波，另一种情况是水膜较薄，e2回波会淹没在e1回波中。第一种情况可以用一般的超声测厚原理(超声波声程时差法)测量水膜厚度；第二种情况下，由于e1决定于探头的有机玻璃厚度，所以位置是不变的，e1与B1的间距代表了水膜厚度与钢管厚度之和的信息，B1和B2的间距只代表壁厚的信息，所以用e1与B1的间距减去B1和B2的间距就是水膜的厚度信息。
选择Bn次底波其中之一用于监控耦合状况及壁厚是否超限，例如选B2。探伤之前先用人工标准伤调好该通道的增益，调好伤信号报警闸门W2和W3的高度、宽度和位置，使得当被检钢管6有内外壁缺陷时报警闸门W2和W3发出报警信号；然后调节探头上的可变电阻4，使得B2之后的各次底波不影响伤波的报警；
调好通道的第1个闸门W1的高度并设置为失波报警，按允许的壁厚范围调好闸门宽度和位置；
当耦合不良或者探头表面与工件表面之间根本没有耦合剂时，B2消失或者大幅度下跌而低于闸门高度，W1发出报警信号；如果壁厚超限，B2移动到闸门之外，W1也发出报警信号。
当探头有所振动时，探头与钢管之间的水膜厚度必然有所变化，水膜厚度变化就会引起同一个缺陷的信号幅度也跟随变化，两者并非线性关系，而是如图4所示，这条曲线关系可以事先通过实验来确定，再将此变化曲线输入到超声波探伤的检测程序中，超声波探伤的检测程序根据所测得的水膜厚度再自动调整闸门W2和W3的左右位置和上下的高度，从而实现钢管自动超声探伤时对探头振动的缺陷信号进行实时自动补偿和保证缺陷不会漏检。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，使用所述的专用检测装置进行操作的具体要求是：
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法要求检测系统能识别和计算e1和e2的回波并计算耦合水膜5的厚度，能识别和计算B1和B2的回波并计算被检钢管6管壁厚度，或能识别和计算e1、B1和B2的回波并分别计算耦合水膜5厚度和计算被检钢管6管壁厚度，能根据事先实验确定的缺陷信号随耦合水膜厚度变化的关系曲线自动调整闸门W2和W3的左右位置和上下的高度，以及W1闸门失波报警和W2、W3的进波报警功能。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，还有下述的优选内容要求：所述的探伤压电晶片2、测厚压电晶片3与超声探伤仪的接线方式为，测厚压电晶片3串联一个可变电阻之后再与探伤压电晶片2并联，整个探头按单探头脉冲回波法的接线方式与探伤仪联接。
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，被检钢管6要求具体为壁厚4mm以上、外径Φ70mm以上的中大口径管材。
实施例2
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于：
当耦合水膜5有一定的厚度能将e1和e2回波分开时，设e1和e2回波的声程时间差为t1，水中声速为v1，则耦合水膜5厚度为d1＝t1*v1/2。若探头振动引起耦合水膜5厚度变化时，则可分别计算得出Δt1和Δd1。根据Δt1相应调整W2和W3闸门的左右位置，即闸门跟踪，根据Δd1查缺陷信号随耦合水膜5厚度变化的关系曲线并自动调整闸门W2和W3的高度。
实施例3
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处主要在于：
当耦合水膜5有一定的厚度但不能将e1和e2回波分开时，设e1和B1回波的声程时间差为t1，B1和B2回波的声程时间差为t2，水中声速为v1，钢中纵波声速为v2，则被检钢管6的钢管壁厚d2＝t2*v2/2，则耦合水膜5厚度为d1＝(t1-t2)*v1/2。若探头振动引起耦合水膜5厚度变化时，则可分别计算得出Δ(t1-t2)和Δd1。根据Δ(t1-t2)相应调整W2和W3闸门的左右位置，即闸门跟踪，根据Δd1查缺陷信号随水膜厚度变化的关系曲线并自动调整闸门W2和W3的高度。
Claims (3)
1.一种钢管自动超声探伤探头振动补偿方法，基于水膜耦合钢管无损探伤技术；其特征在于：被检钢管（6）要求具体为壁厚4mm以上、外径Φ70mm以上的中大口径管材；通过自动监测耦合水膜厚度的变化，以此为依据调整钢管自动超声探伤的报警信号闸门值实现对钢管的缺陷检测；其根据以下基本原理：探头上、下振动造成耦合水膜厚度变化引起声束扩散导致缺陷信号幅值变化，探头翘转造成耦合水膜厚度变化及声束入射角变化导致缺陷信号幅值变化；在上面两种原因作用下的缺陷信号幅值可能接近甚至低于无振动或/和无翘转的通常情况下所对应的通常的报警闸门值，所以我们在发生振动或/和翘转时适当降低报警闸门值能很好地检测出实际缺陷的有无；所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法具体采用专用检测装置进行耦合水膜厚度变化的实时监测；所述专用检测装置具体结构构成如下：
有机玻璃楔块（1）、探伤压电晶片（2）、测厚压电晶片（3）、可变电阻（4）、支撑轮（7）；其中：有机玻璃楔块（1）主体为厚度均匀的长方体结构，其一端的上部为向下侧面倾斜的斜面结构；测厚压电晶片（3）固定在有机玻璃楔块（1）上方外侧，其与有机玻璃楔块（1）底面平行布置；探伤压电晶片（2）布置在有机玻璃楔块（1）上方的斜面结构外侧；可变电阻（4）布置在连接着探伤压电晶片（2）和测厚压电晶片（3）的电路中；
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，使用上述的专用检测装置进行操作的具体要求是：
在支撑轮（7）的辅助下，使有机玻璃楔块（1）下底面与被检钢管（6）之间保持0.15～0.8mm的间隙以便形成耦合水膜（5）；
探伤压电晶片（2）向有机玻璃楔块（1）发射纵波，经过有机玻璃楔块（1）与耦合水膜（5）界面以及耦合水膜（5）与被检钢管（6）界面的折射进入被检钢管（6）的管壁；此时已经转换成横波，横波向前传播时如果遇到了缺陷，被缺陷反射之后原路返回回到探伤压电晶片（2）形成缺陷回波；测厚压电晶片（3）与有机玻璃楔块（1）构成了一个有延迟块的直探头，测厚压电晶片（3）向耦合水膜（5）及被检钢管（6）的管壁发射纵波，并接收来自耦合水膜（5）及被检钢管（6）内壁和外壁的反射回波；
测厚压电晶片（3）收到来自有机玻璃楔块（1）与耦合水膜（5）界面、耦合水膜（5）与被检钢管（6）以及管内壁的多次反射波，于是可以检测得到始脉冲波T、有机玻璃楔块（1）与耦合水膜（5）界面波e1、耦合水膜（5）与被检钢管（6）界面波e2、以及被检钢管（6）管壁厚的1次底波B1，2次底波B2，直至n次底波Bn；当有内壁缺陷时会在W2闸门处出现F1回波，当有外壁缺陷时会在W3闸门处出现F3回波；
选择n次底波其中之一用于监控耦合状况及壁厚是否超限，调好通道的增益，调好伤信号报警闸门W2和W3的高度、宽度和位置,使得当被检钢管（6）有内外壁缺陷时报警闸门W2和W3发出报警信号；然后调节探头上的可变电阻（4），使得B2之后的各次底波不影响伤波的报警；
调好通道的第1个闸门W1的高度并设置为失波报警，按允许的壁厚范围调好闸门宽度和位置；
当耦合不良或者探头表面与工件表面之间根本没有耦合剂时，B2消失或者大幅度下跌而低于闸门高度，W1发出报警信号；如果壁厚超限，B2移动到闸门之外，W1也发出报警信号。
2.按照权利要求1所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法，其特征在于：所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，使用所述的专用检测装置进行操作的具体要求是：
所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法要求检测系统能识别和计算e1和e2的回波并计算耦合水膜（5）的厚度，能识别和计算B1和B2的回波并计算被检钢管（6）管壁厚度，或能识别和计算e1、B1和B2的回波并分别计算耦合水膜（5）厚度和计算被检钢管（6）管壁厚度，能根据事先实验确定的缺陷信号随耦合水膜厚度变化的关系曲线自动调整闸门W2和W3的左右位置和上下的高度，以及W1闸门失波报警和W2、W3的进波报警功能。
3.按照权利要求2所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法，其特征在于：所述钢管自动超声探伤探头振动补偿方法中，
所述的探伤压电晶片（2）、测厚压电晶片（3）与超声探伤仪的接线方式为，测厚压电晶片（3）串联一个可变电阻之后再与探伤压电晶片（3）并联，整个探头按单探头脉冲回波法的接线方式与探伤仪联接。
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