CN104751916B - 一种小管径内壁检查超声‑涡流组合探头 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核电站一回路系统以及其它行业无损检测技术领域，具体涉及一种小管径内壁检查超声‑涡流组合探头。探头支架（1）包括3块或多块瓦片形组合探头块；每块组合探头块上设有探头安装槽（2）用于安装探头，探头安装槽（2）包括长条状超声探头安装槽（3）和圆形的点式涡流探头安装孔（12）；超声探头安装槽（3）内安装有超声探头，用于检测待测贯穿件缺陷的位置和尺寸；点式涡流探头安装孔（12）内安装有涡流探头，用于检测贯穿件表面的缺陷。有益效果：所有探头布置在组合探头块结构上，最低限度占用管道内部空间；所需探头单元均布置在一个探头上，可同时进行超声、涡流信号的采集，大幅提高了检测效率。

Description

一种小管径内壁检查超声-涡流组合探头
技术领域
本发明属于核电站一回路系统以及其它行业无损检测技术领域，具体涉及一种小管径内壁检查超声-涡流组合探头。
背景技术
根据美国机械工程师协会(简称ASME)规范的相关要求，核电机组的反应堆压力容器顶盖贯穿件需要进行在役检查，其检验范围包括贯穿件本体以及与顶盖封头相连的J型焊缝。反应堆压力容器贯穿件的材质一般为Alloy 600或Alloy 690。垂直贯穿反应堆压力容器上封头，并与压力容器封头内壁形成J型焊缝。贯穿件内径一般为60～70mm，壁厚在15～20mm左右。J型焊缝属异种金属焊缝，通常为了提高焊接性能，在J型焊缝坡口处堆有预堆边。
探头是作为核反应堆压力容器贯穿件检验系统的核心元件，是实现检验方法的关键载体，其直接影响或者决定其预防性检查的质量。目前，国内外均采用探头从贯穿件内部接近的检验方式。进入贯穿件内部实施检查的构件不仅只是探头，还包括探头夹持器，探头连接电缆以及水耦合回路。贯穿件内部狭小空间，给探头的布置带来极大限制。截止目前，针对贯穿件检查所采用探头是由数量有限的常规探头单元组成，仅包括双晶0度探头和横波45度探头。随着世界无损检测技术的发展，对于贯穿件内部缺陷尺寸的测量精度也相应提高。而传统类型的探头，对与缺陷自身高度的测量精度又十分有限。因此，亟需研制适用于新型反应堆压力容器顶盖贯穿件等小管径件检测的一种小管径内壁检查超声-涡流组合探头。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术对缺陷高度的测量精度要求有限的技术问题，提供了一种小管径内壁检查超声-涡流组合探头，该探头既能满足检测方法上对缺陷高度的测量精度要求，同时又能克服贯穿件内部狭小空间的限制，以满足反应堆压力容器顶盖贯穿件的检查要求。
实现本发明目的的技术方案为：
一种小管径内壁检查超声-涡流组合探头，探头支架包括3块或多块瓦片形组合探头块；3块或多块组合探头块固定在探头夹持机构上，组合形成圆筒状结构。圆筒状的探头支架外径尺寸与待测贯穿件的内径基本一致，用于保证安装在组合探头块内的探头与待测贯穿件内壁紧密贴合。
每块组合探头块上设有探头安装槽用于安装探头单元，探头安装槽包括长条状超声探头安装槽和点式涡流探头安装孔；超声探头安装槽内安装有超声探头，超声探头通过电缆与超声仪连接，用于检测待测贯穿件内部缺陷的位置和尺寸；点式涡流探头安装孔内安装有涡流探头，涡流探头通过电缆与涡流仪连接，用于检测贯穿件表面的缺陷。每个超声探头由一组晶片构成，通过两个晶片的相向布置，使入射声束可在设定范围交汇，形成有效检测区域。
所述探头安装槽的类型、数量和尺寸根据实际需要的探头的类型、尺寸和数量确定。实际需要的探头的类型、尺寸和数量根据被检部件的结构尺寸以及材质确定。
所述探头支架包括第一组合探头块、第二组合探头块和第三组合探头块；第一组合探头块为柱体结构，其截面为圆环的一部分，沿第一组合探头块轴向开有三个长条形通槽作为超声探头安装槽，分别为探头TOFD-45-Ax安装槽、探头TOFD-60-Ax安装槽和探头L-45-Ax-U、TRL-0-F15和L-45-Ax-D安装槽；探头TOFD-45-Ax安装槽内安装有TOFD-45-Ax探头，探头TOFD-60-Ax安装槽内安装有TOFD-60-Ax探头，探头L-45-Ax-U、TRL-0-F15和L-45-Ax-D安装槽内从上到下依次安装有L-45-Ax-U探头、TRL-0-F15探头和L-45-Ax-D探头。
第二组合探头块为柱体结构，其截面为圆环的一部分，沿第二组合探头块轴向开有一个纵向长条形通槽作为探头S-45-Ax-U、TRL-0-F40、S-45-Ax-D安装槽，在纵向长条形通槽右侧沿第二组合探头块周向开有上下平行的两个横向长方形通槽，分别为探头TOFD-45-Cir安装槽和探头TOFD-60-Cir安装槽；探头S-45-Ax-U、TRL-0-F40、S-45-Ax-D安装槽内从上到下依次安装有S-45-Ax-U探头、TRL-0-F40探头和S-45-Ax-D探头；探头TOFD-45-Cir安装槽内安装有TOFD-45-Cir探头；探头TOFD-60-Cir安装槽内安装有TOFD-60-Cir探头。
第三组合探头块为柱体结构，其截面为圆环的一部分，沿第三组合探头块周向开有上下平行的两个横向长方形通槽，分别为探头S-45-Cir-L、S-45-Cir-R安装槽和探头L-45-Cir-L、L-45-Cir-R安装槽；在横向长方形通槽下方开有圆形通槽作为点式涡流探头安装孔，通槽内安装有点式涡流探头；探头S-45-Cir-L、S-45-Cir-R安装槽内从左向右依次安装有S-45-Cir-L探头和S-45-Cir-R探头；探头L-45-Cir-L、L-45-Cir-R安装槽内从左向右依次安装有L-45-Cir-L探头和L-45-Cir-R探头。
本发明的有益效果为：本发明的小管径内壁检查超声-涡流组合探头由多块组合探头块结构组成，所有探头单元布置在组合探头块结构上，最低限度的占用管道内部空间，为探头夹持器等其他构件预留了足够的布置空间。所需探头单元均布置在一个探头上，可同时进行超声、涡流信号的采集，大幅提高了检测效率。根据贯穿件的结构尺寸，设计了相应的TOFD探头单元。方法试验结果表明，TOFD探头单元可检出1mm高的模拟裂纹(EDM槽)，并可对2mm以上高度的模拟裂纹进行精确定量，缺陷高度的测量误差小于1mm。有较大的信噪比，满足了检测要求。使用组合式超声波-涡流检测探头的夹持结构，保证了检测探头与受检对象表面贴合良好且压紧力均匀；在安装时收紧探头的动作确保探头不受损伤。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为第一组合探头块的侧视图；
图4为第一组合探头块的剖视图；
图5为第二组合探头块的侧视图；
图6为第二组合探头块轴向沿探头TOFD-45-Cir安装槽位置的剖视图；
图7为第三组合探头块的侧视图；
图8为第三组合探头块沿探头头S-45-Cir-L、S-45-Cir-R安装槽位置的剖视图；
图9为TOFD-45-Ax(45°轴向TOFD探头)晶片布置图；
图10为TOFD-60-Ax(60°轴向TOFD探头)晶片布置图；
图11为TOFD-45-Cir(45°周向TOFD探头)晶片布置图；
图12为TOFD-60-Cir(60°周向TOFD探头)晶片布置图；
图13为TOFD探头实施方式。
图中：1-探头支架；1-1第一组合探头块；1-2第二组合探头块；1-3第三组合探头块；2-探头安装槽；3-超声探头安装槽；4-探头TOFD-45-Ax安装槽；5-探头TOFD-60-Ax安装槽；6-探头L-45-Ax-U、TRL-0-F15和L-45-Ax-D安装槽；7-探头S-45-Ax-U、TRL-0-F40、S-45-Ax-D安装槽；8-探头TOFD-45-Cir安装槽；9-探头TOFD-60-Cir安装槽；10-探头S-45-Cir-L、S-45-Cir-R安装槽；11-探头L-45-Cir-L、L-45-Cir-R安装槽；12-点式涡流探头安装孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
一种小管径内壁检查超声-涡流组合探头，其结构如图1和图2所示，探头支架1包括3块或多块瓦片形组合探头块；3块或多块组合探头块固定在探头夹持机构上，组合形成圆筒状结构。圆筒状的探头支架1外径尺寸与待测贯穿件的内径基本一致，用于保证安装在组合探头块内的探头与待测贯穿件内壁紧密贴合；探头支架1的内径为40mm，用于布置探头支架夹持装置和探头电缆。
每块组合探头块上设有探头安装槽2用于安装探头单元，探头安装槽2包括长条状超声探头安装槽3和点式涡流探头安装孔12；超声探头安装槽3内安装有超声探头，超声探头通过电缆与超声仪连接，用于检测待测贯穿件内部缺陷的位置和尺寸；点式涡流探头安装孔12内安装有涡流探头，涡流探头通过电缆与涡流仪连接，用于检测贯穿件表面的缺陷。每个超声探头由一组晶片构成，通过两个晶片的相向布置，使入射声束可在设定范围交汇，形成有效检测区域，超声探头的实施方式和工作原理如图13所示。
所述探头安装槽2的类型、数量和尺寸根据实际需要的探头的类型、尺寸和数量确定。实际需要的探头的类型、尺寸和数量根据被检部件的结构尺寸以及材质确定。
在本实施例中，为了一次性全面检测待测贯穿件内裂痕和划痕的目的，本实施例中的小管径内壁检查超声-涡流组合探头共包含不同类型和型号的15个探头，以实现多角度检测，探头型号、类型、检查对象和声束方向如表1所示。
表1检验探头单元表
在本实施例中，探头支架1包括第一组合探头块1-1、第二组合探头块1-2和第三组合探头块1-3；第一组合探头块1-1为柱体结构，其截面为圆环的一部分，其结构如图3和图4所示，沿第一组合探头块1-1轴向开有三个长条形通槽作为超声探头安装槽3，分别为探头TOFD-45-Ax安装槽4、探头TOFD-60-Ax安装槽5和探头L-45-Ax-U、TRL-0-F15和L-45-Ax-D安装槽6；探头TOFD-45-Ax安装槽4内安装有TOFD-45-Ax探头，探头TOFD-60-Ax安装槽5内安装有TOFD-60-Ax探头，探头L-45-Ax-U、TRL-0-F15和L-45-Ax-D安装槽6内从上到下依次安装有L-45-Ax-U探头、TRL-0-F15探头和L-45-Ax-D探头。
第二组合探头块1-2为柱体结构，其截面为圆环的一部分，其结构如图5和图6所示，沿第二组合探头块1-2轴向开有一个纵向长条形通槽作为探头S-45-Ax-U、TRL-0-F40、S-45-Ax-D安装槽7，在纵向长条形通槽右侧沿第二组合探头块1-2周向开有上下平行的两个横向长方形通槽，分别为探头TOFD-45-Cir安装槽8和探头TOFD-60-Cir安装槽9；探头S-45-Ax-U、TRL-0-F40、S-45-Ax-D安装槽内从上到下依次安装有S-45-Ax-U探头、TRL-0-F40探头和S-45-Ax-D探头；探头TOFD-45-Cir安装槽8内安装有TOFD-45-Cir探头；探头TOFD-60-Cir安装槽9内安装有TOFD-60-Cir探头9。
第三组合探头块1-3为柱体结构，其截面为圆环的一部分，其结构如图7和图8所示，沿第三组合探头块1-3周向开有上下平行的两个横向长方形通槽，分别为探头S-45-Cir-L、S-45-Cir-R安装槽10和探头L-45-Cir-L、L-45-Cir-R安装槽11；在横向长方形通槽下方开有圆形通槽，通槽内安装有点式涡流探头；探头S-45-Cir-L、S-45-Cir-R安装槽10内从左向右依次安装有S-45-Cir-L探头和S-45-Cir-R探头；探头L-45-Cir-L、L-45-Cir-R安装槽11内从左向右依次安装有L-45-Cir-L探头和L-45-Cir-R探头。
本实施例采用TOFD结合传统超声的检测技术，对贯穿件本体及J型焊缝进行体积检查；同时采用涡流检测技术对贯穿件内壁实施表面检查。TOFD(Time of FlightDiffraction)方法通过捕捉缺陷显示的尖端衍射信号来测量缺陷高度，对缺陷测高具有很好的效果，目前在无损检测领域被世界各国广泛采用。本实施例采用的TOFD探头的技术参数如表2所示：45°TOFD探头(轴向)晶片布置见图9，45°TOFD探头(周向)晶片布置见图10，60°TOFD探头(轴向)晶片布置见图11，60°TOFD探头(周向)晶片布置见图12。
表2 TOFD探头单元的技术参数
本实施的小管径内壁检查超声-涡流组合探头在实验试块上取得了很好的检验效果，满足技术要求。实验试块上刻有人工槽(模拟裂纹缺陷)，槽的长度为6mm，宽度为0.2mm。具体检验结果及测量精度见下表3：
表3检验结果及测量精度
本实施的小管径内壁检查超声-涡流组合探头是以测出缺陷端部的位置为基础，通过计算脉冲的传播时间差对缺陷进行定量的方法。TOFD技术不依赖于缺陷产生的信号幅值。在两晶片之间会产生侧向波，在工件底面会形成底部，通过超声仪的扫描电路可记录各波的到达时间。如果工件内部存在缺陷或不连续，则超声仪的显示屏上在侧向波与底波之间会产生缺陷波，如果该缺陷具有面状显示特征，TOFD探头即可捕捉到该面状显示的端点衍射信号。以侧向波信号为基准,缺陷埋藏深度d可由侧向波与衍射脉冲的传播时差tD算出,即：
C-纵波声速；
d-缺陷端点D离表面距离(埋藏深度)；
X-缺陷(衍射体)偏离两探头间距中分平面的距离；
S-两探头中心间距的一半。
在分别求出面状缺陷上下两端点的深度位置d上和d下后，就很容易测出缺陷自身高度：
h＝d上-d下。
此外，对于周向布置在曲面部件上的TOFD探头，侧向波声速不再是纵波声速，而是爬波声速，因此，需对侧向波的声速进行修正，修正公式为：
CL-侧向波声速；Cl-纵波声速；
Kl＝2π/λ,λ-纵波波长；α-曲率半径。
本实施例的小管径内壁检查超声-涡流组合探头最重要的创新点在于在有限的空间内通过将不同类型、不同型号的探头集合为一体，实现小管径待测件管壁裂痕和表面划痕的一次性检测。本实施例中超声探头安装槽3和点式涡流探头安装孔12的位置可以根据实际需要进行调整，不限于本实施例中的描述。在检测精度不同的情况下，探头数量也可以根据实际需要进行调整。
上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种小管径内壁检查超声-涡流组合探头，其特征在于：探头支架(1)包括3块或多块瓦片形组合探头块；3块或多块组合探头块固定在探头夹持机构上，组合形成圆筒状结构；圆筒状的探头支架(1)外径尺寸与待测贯穿件的内径基本一致，用于保证安装在组合探头块内的探头与待测贯穿件内壁紧密贴合；
每块组合探头块上设有探头安装槽(2)用于安装探头，探头安装槽(2)包括长条状超声探头安装槽(3)和圆形的点式涡流探头安装孔(12)；超声探头安装槽(3)内安装有超声探头，超声探头通过电缆与超声仪连接，用于检测待测贯穿件内部缺陷的位置和尺寸；点式涡流探头安装孔(12)内安装有涡流探头，涡流探头通过电缆与涡流仪连接，用于检测贯穿件表面的缺陷。
2.如权利要求1所述的一种小管径内壁检查超声-涡流组合探头，其特征在于：所述探头安装槽(2)的类型、数量和尺寸根据实际需要的探头的类型、尺寸和数量确定。
3.如权利要求1所述的一种小管径内壁检查超声-涡流组合探头，其特征在于：所述的探头支架(1)包括3块瓦片形组合探头块；所述探头支架(1)包括第一组合探头块(1-1)、第二组合探头块(1-2)和第三组合探头块(1-3)；第一组合探头块(1-1)为柱体结构，其截面为圆环的一部分，沿第一组合探头块(1-1)轴向开有三个长条形通槽作为超声探头安装槽(3)，分别为探头TOFD-45-Ax安装槽(4)、探头TOFD-60-Ax安装槽(5)和探头L-45-Ax-U、TRL-0-F15和L-45-Ax-D安装槽(6)；探头TOFD-45-Ax安装槽(4)内安装有TOFD-45-Ax探头，探头TOFD-60-Ax安装槽(5)内安装有TOFD-60-Ax探头，探头L-45-Ax-U、TRL-0-F15和L-45-Ax-D安装槽(6)内从上到下依次安装有L-45-Ax-U探头、TRL-0-F15探头和L-45-Ax-D探头；
第二组合探头块(1-2)为柱体结构，其截面为圆环的一部分，沿第二组合探头块(1-2)轴向开有一个纵向长条形通槽作为探头S-45-Ax-U、TRL-0-F40、S-45-Ax-D安装槽(7)，在纵向长条形通槽右侧沿第二组合探头块(1-2)周向开有上下平行的两个横向长方形通槽，分别为探头TOFD-45-Cir安装槽(8)和探头TOFD-60-Cir安装槽(9)；探头S-45-Ax-U、TRL-0-F40、S-45-Ax-D安装槽(7)内从上到下依次安装有S-45-Ax-U探头、TRL-0-F40探头和S-45-Ax-D探头；探头TOFD-45-Cir安装槽(8)内安装有TOFD-45-Cir探头；探头TOFD-60-Cir安装槽(9)内安装有TOFD-60-Cir探头(9)；
第三组合探头块(1-3)为柱体结构，其截面为圆环的一部分，沿第三组合探头块(1-3)周向开有上下平行的两个横向长方形通槽，分别为探头S-45-Cir-L、S-45-Cir-R安装槽(10)和探头L-45-Cir-L、L-45-Cir-R安装槽(11)；在横向长方形通槽下方开有圆形通槽作为点式涡流探头安装孔(12)，通槽内安装有点式涡流探头；探头S-45-Cir-L、S-45-Cir-R安装槽(10)内从左向右依次安装有S-45-Cir-L探头和S-45-Cir-R探头；探头L-45-Cir-L、L-45-Cir-R安装槽(11)内从左向右依次安装有L-45-Cir-L探头和L-45-Cir-R探头。
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