CN103364490B - 超声换能器装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测具有限定扫描入口的管‑配件焊缝的超声换能器装置。衍射时差（TOFD）超声发射换能器安装在框架的一端附近。TOFD超声接收换能器安装在框架上并与TOFD超声发射换能器线性地间隔开且对齐。TOFD超声发射换能器和TOFD超声接收换能器都以与管的外部曲率半径相匹配的角度定位。相控阵曲楔形发射/接收换能器安装在框架上并与各TOFD换能器径向地隔开。

Description

超声换能器装置
技术领域
本发明总体上涉及焊缝无损检测，更具体地，涉及具有限定间隙的管-配件焊缝的超声检测。
背景技术
在生产油和天然气的海上钻井工业中，海上钻机和平台上的生产、传送以及各个过程都需要使用各种必须焊接在一起的管和配件。安全规范要求必须检测焊缝以发现并修补焊缝缺陷。
以前，放射线照相术是处理具有限定间隙的管道焊缝的主要检测方法。使用超声检测的可替换方法来无损检测碳素钢制的管-配件连接是优选的。
超声检测的局限是超声换能器必须能够定位在焊缝附近的母材上，以较好地检测整个焊缝。如图1所示，只要管弯头处的曲率半径不是小到不能使换能器合适定位，就可以使用相控阵超声换能器40来检测管44的各直段之间或管的各弯段之间的焊缝42。典型地，需要在焊缝的两侧上各有110mm的扫描入口以充分检测整个焊缝。
如图2和图3所示，生产和处理管道要求：用于阀、控制器、计量器、歧管或弯管等的配件43应包含在管44中。管-配件焊缝42的超声检测具有挑战性，因为在配件处曲率半径较小并且在焊缝的配件侧上扫描入口有限。图2中以区域46示出的一个实例可以使得用以前的换能器布置方式很难或不可能检测到整个焊缝。结果是可能存在如图3所示的盲区48，在此区域中，超声换能器不能够合适地定位以检测焊缝42的整个区域。
从焊缝的管侧对管-配件焊缝进行相控阵超声检测一般不会发现该焊缝的配件侧上的缺陷。由上可知，需要改进的超声换能器装置以检测管-配件焊缝的配件侧。
发明内容
本发明涉及用以检测管-配件焊缝的超声换能器配置。本发明总体上包括安装在框架上的相控阵曲楔形（curved wedge）发射/接收换能器、安装在框架一端附近并线性地且径向地与相控阵换能器间隔开的衍射时差（TOFD）超声发射换能器、安装在框架上并与TOFD超声发射换能器线性间隔开且与之对齐的TOFD超声接收换能器。超声发射换能器和超声接收换能器都以与管的外部曲率半径相匹配的角度定位。
在附于本公开并形成本公开一部分的权利要求中，特别指出了描述本发明的各种新颖性特征。为更好地解释本发明及通过使用本发明所获得的操作优势，请参照形成了本公开的部分的附图和具体实施方式，其中示出了本发明的优选实施例。
附图说明
附图形成本说明书的一部分，并且在所有图中，所示参考标号都表示相似的或相应的部件，在附图中:
图1示出了用以检测管-管焊缝的现有技术。
图2是正视图，其示出了用以检测管-配件焊缝的限定入口区域。
图3是截面图，其示出了管和配件壁、它们之间的焊缝以及当有限制入口时超声检测不能检测到的典型盲区。
图4是本发明的示意图，其示出了各换能器的相对定位情况。
图5示出了来自TOFD发射换能器的超声脉冲的路径。
图6示出了来自相控阵换能器的超声脉冲的路径。
图7示出了本发明的透视图。
具体实施方式
如图7所示，超声换能器布局10总体上包括框架12、相控阵换能器14、发射换能器16和接收换能器18。
框架12可由诸如铝或钢等任何合适的材料制成，并设有用于在检测过程中绕管44移动框架和换能器的轮13。轮13可以是磁性的，以将组件保持在管44上。框架12可设有用于调整各换能器之间间距的装置，如用于接纳换能器底座22的通道20。
优选地，相控阵换能器14是曲楔形发射/接收换能器。在该换能器14和电子发射/接收单元（未示出）之间附连有缆线15，该电子发射/接收单元提供电流以产生超声脉冲然后接收并记录相控阵换能器14感测到的反射脉冲（信号）。相控阵换能器14定位成确保发射和接收超声脉冲的换能器的面处于合适的角度以将超声脉冲发射到焊缝42中。在本领域中，发射/接收换能器是已知的，并被设计成将超声信号或脉冲发射到诸如管等工件和/或焊缝中，以及接收反射信号以记录和分析管的情况或两管之间或者管与配件之间的焊缝情况。所记录、反射的信号被分析以确定管壁和/或焊缝中的缺陷是否存在、位置和深度。
优选地，发射换能器16是衍射时差（TOFD）换能器。该换能器16与相控阵换能器14径向地且线性地间隔开，使得发射换能器16在检测期间位于所述焊缝42的配件侧上并且相控阵换能器14在检测期间位于焊缝42的管侧上。由此，径向间隔意指绕管44的周向间隔，线性间隔意指沿管44的纵向轴线间隔。在换能器16和上述电子发射/接收单元之间附连有缆线17，电子发射/接收单元用以在换能器16中产生超声脉冲。
优选地，接收换能器18是衍射时差（TOFD）换能器。换能器18与发射换能器16线性地间隔，使得在检测期间换能器18位于焊缝42的管侧上。在换能器18和上述电子发射/接收单元之间附连有缆线19，电子发射/接收单元用以接收接收换能器18所感测到的反射超声脉冲。
优选地，TOFD换能器16和18呈楔形，具有易于容置在焊缝42的配件侧上的窄的接触印痕。而且，TOFD发射换能器16和接收换能器18被定位成朝向彼此成一定角度，以有效地发射和感测超声脉冲。
为便于说明，未示出诸如用以耦接各换能器的装置等本领域已知的任何其它设备。
应当理解的是，在一些实例中，在正被检测的焊缝附近可能会继续焊接操作。由该附近的焊接操作产生的电场可能会在换能器工作期间对换能器造成干扰。为消除这种干扰，可以使用诸如聚苯乙烯塑料等不会影响发射或接收超声信号的绝缘材料来包装换能器。所述材料的一个实例是由C-Lec塑料有限公司（C-Lec Plastics,Inc.）制造的塑料。
如图4和图7所示，在工作中，框架12放置在管44上使得相控阵换能器14定位在焊缝42的管侧上的焊缝42附近，发射换能器16定位在焊缝42的配件侧上的焊缝42附近，并且接收换能器18定位在焊缝42的管侧上的焊缝42附近，并且与发射换能器16对齐。为便于说明和解释，来自TOFD发射换能器16和相控阵换能器14的超声脉冲的路径分别在图5和图6中示出。
使换能器14和16产生超声脉冲到焊缝42、配件43和管44中。图6示出了来自相控阵换能器14的超声脉冲通过管壁和焊缝材料的路径。可以看到，超声脉冲从相控阵换能器14进入到管壁，从管44的内壁朝向焊缝42反射并经由焊缝42，以及焊缝42的配件侧上的配件43的外壁，然后朝向相控阵换能器14反射回来。相控阵换能器14接收来自换能器14、经由焊缝42和管44然后从管壁或缺陷处反射回到相控阵换能器14的超声脉冲。
如图5所示，来自TOFD发射换能器16的超声脉冲通过配件43的外壁和焊缝42并在焊缝界面处的管44的壁上反射。TOFD接收换能器18接收来自TOFD发射换能器16、通过焊缝42和管44的超声脉冲。用以将电子信号发射到换能器14和16以产生超声脉冲的电子设备也接收并记录由换能器14和18感测到的反射脉冲。如以下简略描述的，完成本领域已知的结果分析。
框架12和换能器14、16和18如由图4中的双箭头所示绕管旋转，以检测绕管44和配件43的、焊缝42的整个周界（circumference）。当框架12和换能器14、16和18绕管旋转时，超声脉冲的发射和接收以及结果的记录都在继续，以确保检测焊缝的整个周边。
通过缆线15、17和19连接到各换能器的、本领域已知的硬件和软件用以收集、存储并读取测试结果（所发射的超声脉冲和所接收、反射的超声脉冲的时序）以确定可能出现在焊缝中的任何缺陷的存在情况、位置和深度。
可以看到，该发明构思通过使用相控阵换能器14以从焊缝42的管侧发射超声脉冲并检测焊缝42的管侧以及焊缝42的配件侧上的下斜区域。TOFD换能器16和18主要集中于检测焊缝的配件侧（图3所示的盲区48，在此区域，会由于相控阵探针而漏掉斜面上的缺陷）。该操作消除了如图3所示的盲区48，而单个相控阵换能器不能检测到该盲区48，因为在以一定角度延伸到管44并导致有限入口的、配件的该部分处，焊缝42的配件侧上有空间限制。此不同于现有技术，现有技术要求在焊缝两侧都有相控阵换能器以检测整体焊缝。
本发明提供了许多优势。
相比于现有技术在焊缝的配件侧上要求的110mm的扫描入口，本发明在焊缝的配件侧上只需要12mm的扫描入口。
没有使用放射线照相术时的辐射危害。因此，不影响周围活动，并且正接受检测的焊缝附近的工作可以继续，不必停止。
典型地，超声检测只需要放射线照相术检测所需时间的五分之一。
超声检测提供即时结果而放射线照相术检测的结果不是即时的。
检测数据可以在光盘或硬盘上存档。
超声检测不需要耗材。
检测比以前检测管-配件焊缝所使用的方法更灵敏，并能够检测出所有类型的缺陷。
可以测得缺陷的高度、宽度和深度。
使用本发明可以检测焊缝的整个周边，包括配件处的限制入口区域。
虽然以上已示出并描述了本发明的具体实施例和/或细节以说明本发明原理的应用，应当理解的是，在不偏离原理的情况下，本发明可以体现为权利要求中更充分描述的内容，或者体现为本领域普通技术人员已知的其它内容（包括任何的以及全部的等同物）。

Claims (12)

1.一种用于检测管焊缝的超声换能器装置，包括：
a.框架；
b.第一换能器，所述第一换能器是安装在所述框架上的相控阵曲楔形超声发射/接收换能器；
c.第二换能器，所述第二换能器是安装在所述框架的一端附近并与所述第一换能器线性地且径向地间隔开的超声发射换能器；
d.第三换能器，所述第三换能器是安装在所述框架上并与所述第二换能器线性地间隔开且对齐的超声接收换能器，所述第三换能器呈楔形并具有窄端和与所述窄端相对的宽端，其中所述第三换能器与所述第二换能器朝向彼此成一定角度。
2.如权利要求1所述的超声换能器装置，其特征在于，所述第二和第三换能器都是衍射时差换能器。
3.如权利要求1所述的超声换能器装置，其特征在于，所述第一换能器具有与所述管的外部曲率相匹配的曲面。
4.一种用于检测管焊缝的超声换能器装置，包括：
a.框架；
b.第一换能器，所述第一换能器是安装在所述框架上的相控阵曲楔形超声发射/接收换能器，所述第一换能器具有与所述管的外部曲率相匹配的曲面；
c.第二换能器，所述第二换能器是安装在所述框架上并与所述第一换能器线性地且径向地间隔开的楔形超声衍射时差发射换能器，所述第二换能器呈楔形并具有窄端和与所述窄端相对的宽端；
d.第三换能器，所述第三换能器是安装在所述框架上并与所述第二换能器线性地间隔开且对齐的楔形超声衍射时差接收换能器，所述第三换能器呈楔形并具有窄端和与所述窄端相对的宽端，其中所述第三换能器与所述第二换能器朝向彼此成一定角度；以及
e.所述第二和第三换能器都以与所述管的外部曲率半径相匹配的角度定位。
5.一种用于检测管-配件焊缝的配件侧的方法，包括以下步骤：
a.将相控阵曲楔形超声发射/接收换能器定位在所述焊缝的管侧上的所述焊缝的附近；
b.将窄楔形超声发射换能器定位在所述焊缝的配件侧上并且与所述相控阵曲楔形超声发射/接收换能器径向间隔开；
c.将窄楔形超声接收换能器定位在所述焊缝的管侧上并与所述窄楔形超声发射换能器对齐，所述窄楔形超声接收换能器呈楔形并具有窄端和与所述窄端相对的宽端，其中所述窄楔形超声接收换能器与所述窄楔形超声发射换能器朝向彼此成一定角度；
d.致动所述相控阵曲楔形超声发射/接收换能器和所述窄楔形超声发射换能器以将超声脉冲发射到所述管和焊缝材料中；
e.通过所述相控阵曲楔形超声发射/接收换能器接收由所述相控阵曲楔形超声发射/接收换能器所发射的反射超声信号，通过所述窄楔形超声接收换能器接收由所述窄楔形超声发射换能器所发射的反射超声信号；以及
f.存储并处理所述反射超声信号以确定焊缝中缺陷的存在情况及位置。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述窄楔形超声发射换能器和所述窄楔形超声接收换能器是衍射时差换能器。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述相控阵曲楔形超声发射/接收换能器具有与所述管的外部曲率相匹配的曲面。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述超声发射衍射时差换能器和所述超声接收衍射时差换能器都以与所述管的外部曲率半径相匹配的角度定位。
9.如权利要求1所述的超声换能器装置，其特征在于，所述第二换能器呈楔形并具有窄端和与所述窄端相对的宽端。
10.如权利要求1所述的超声换能器装置，其特征在于，还包括联接至所述框架的轮。
11.如权利要求1所述的超声换能器装置，其特征在于，所述轮是磁性的。
12.如权利要求1所述的超声换能器装置，其特征在于，所述第二和第三换能器都以与所述管的外部曲率半径相匹配的角度定位。
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