CN105319273A - 一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合 - Google Patents
一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合 Download PDFInfo
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Abstract
一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，包括用于扫查枞树型叶根平台的0°纵波相控阵探头、用于扫查枞树型叶根叶身外弧和内弧的横波侧出线相控阵探头、用于扫查枞树型叶根平台和端面的横波顶出线相控阵探头，所述横波侧出线相控阵探头和所述横波顶出线相控阵探头采用集成楔块。本发明通过不同的声波传播方式，采用组合方法对叶根的不同位置、不同深度、不同方向进行扫查，对枞树型叶根的内部齿根检测更加全面，能够涵盖到所有重点检查的部位，且尺寸设计灵活小巧，在不拆卸叶根的情况下，能够进行扫查检测；两侧螺纹孔方便扫查夹具的装夹，以进行叶根内外侧面较深位置的扫查，同时与自动扫查装置配合实现自动扫查。
Description
技术领域
本发明涉及压电超声换能器领域，具体涉及一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合。
背景技术
近年来，电力工业发展迅猛，高参数、大容量、高效率的大型机组已经逐步成为发电的主力机组。在这些大型机组中，汽轮机低压转子末级、次末级叶片的叶根越来越多地采用枞树形型式，在机组启、停机的过程中叶根部位的受力情况复杂，容易在叶根部位产生危害性缺陷，最终导致叶片叶根部位发生断裂，使机组被迫停机，造成重大经济损失。
相控阵技术作为一种最新的超声检测技术，具有检测灵活、快速、可进行复杂形状检测及可靠性强等优点，现在正越来越多地被广泛应用于航空、石化、电力等行业中。与传统的A超探头相比，相控阵探头有多个性质相同的压电晶片或者把晶片切割成多个性质相同的阵元，具有可以控制聚焦深度、偏转角度及波束等特点。
由于汽轮机枞树型叶根的根叶间排列紧密，中间间隙十分狭小，按照常规相控阵检测方式，需要把叶根拆卸下来检测再安装回去，费时费力。想要在不拆卸叶根的情况下实现超声检测，需要设计出尺寸足够小、检测十分灵活的探头，以满足在形状多变的根叶间进行检测，适应叶根不同位置、不同深度、不同方向上的扫查。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，该套相控阵探头总共由三款不同尺寸、形状、参数的探头组成，分别应用于汽轮机枞树型叶根不同部位的超声检测，兼备小巧、检测方便快速、定位准确等优点。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，包括用于扫查枞树型叶根平台的0°纵波相控阵探头、用于扫查枞树型叶根叶身外弧和内弧的横波侧出线相控阵探头、用于扫查枞树型叶根平台和端面的横波顶出线相控阵探头；三种所述探头均包括外壳和芯部，所述芯部设置在所述外壳内；所述横波侧出线相控阵探头和所述横波顶出线相控阵探头的外壳内还设置有集成楔块，且所述芯部设置在所述集成楔块上；三个所述探头均通过连接器端与相控阵检测仪相连。
优选地，所述芯部包括匹配层、压电陶瓷晶片、背衬，所述压电陶瓷晶片设置在所述匹配层上，所述背衬设置在所述压电陶瓷晶片上；所述横波侧出线相控阵探头和所述横波顶出线相控阵探头的匹配层设置在所述集成楔块上。
优选地，所述外壳的两侧设置有用于安装工装夹具的螺纹孔。
优选地，所述0°纵波相控阵探头的压电材料为1-3型复合压电材料，其频率为5MHz，分切为10个独立阵元，其阵元间距为0.5mm，其阵元长度为5mm。
优选地，所述0°纵波相控阵探头的外壳长度为8mm，其宽为10mm，其高为25mm。
优选地，所述横波侧出线相控阵探头的压电材料为1-3型复合压电材料，其频率为5MHz，分切为12个独立阵元，其阵元间距为0.5mm，其阵元长度为6mm。
优选地，所述横波侧出线相控阵探头的外壳长度为25mm，其宽为9mm，其高为9.7mm；所述横波侧出线相控阵探头的集成楔块由聚苯乙烯组成，其入射角度为36°，其横波声速为2337m/s，横波在钢中的折射角为55°。
优选地，所述横波顶出线相控阵探头的压电材料为1-3型复合压电材料，其频率为5MHz，分切为12个独立阵元，其阵元间距为0.5mm，其阵元长度为6mm。
优选地，所述横波顶出线相控阵探头的外壳长度为18mm，宽为9mm，高为19.7mm；所述横波顶出线相控阵探头的集成楔块由聚苯乙烯组成，其入射角度为36°，其横波声速为2337m/s，横波在钢中的折射角为55°。
优选地，所述0°纵波相控阵探头采用直出线方式；所述横波侧出线相控阵探头采用侧出线方式，所述横波顶出线相控阵探头采用直出线方式。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是0°纵波相控阵探头的结构示意图；
图2是0°纵波相控阵探头的剖面图；
图3是横波侧出线相控阵探头的结构示意图；
图4是横波侧出线相控阵探头的剖面图；
图5是横波顶出线相控阵探头的结构示意图；
图6是横波顶出线相控阵探头的剖面图；
图7是0°纵波相控阵探头扫查叶根平台时的示意图；
图8是横波侧出线相控阵探头扫查叶根叶身外侧面时的示意图；
图9是横波侧出线相控阵探头扫查叶根叶身内侧面时的示意图；
图10是横波顶出线相控阵探头扫查叶根平台时的示意图。
附图标记：外壳-1；螺纹孔-2；连接器端-3；集成楔块-4；芯部-5；匹配层-6；压电陶瓷晶片-7；背衬-8。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，包括三款不同尺寸、外形和参数的相控阵探头，分别为0°纵波相控阵探头、横波侧出线相控阵探头、横波顶出线相控阵探头，优选地，在此实施例中，横波侧出线相控阵探头采用外壳侧出线方式，横波顶出线相控阵探头采用外壳顶部出线方式。
如图1-2所示，所述0°纵波相控阵探头应用于枞树型叶根平台的扫查。所述0°纵波相控阵探头包括外壳1和芯部5，所述芯部5设置在所述外壳1内。所述芯部5包括匹配层6、压电陶瓷晶片7、背衬8，所述压电陶瓷晶片7设置在所述匹配层6上，所述背衬8设置在所述压电陶瓷晶片7上。所述0°纵波相控阵探头的压电材料为1-3型复合压电材料，其频率为5MHz，分切为10个独立阵元，其阵元间距为0.5mm，其阵元长度为5mm。所述0°纵波相控阵探头的外壳长度为8mm，宽为10mm，高为25mm，所述0°纵波相控阵探头占用空间小，有利于叶根平台面的扫查。所述0°纵波相控阵探头的外壳两侧设置有规格为M2*0.4的螺纹孔2，用于工装夹具的夹持。
如图3-4所示，所述横波侧出线相控阵探头应用于枞树型叶根叶身外弧和内弧的扫查。所述横波侧出线相控阵探头包括外壳1、集成楔块4和芯部5，所述芯部5和所述集成楔块4设置在所述外壳1内，且所述芯部5设置在所述集成楔块4上。所述芯部5包括匹配层6、压电陶瓷晶片7、背衬8，所述匹配层6设置在所述集成楔块4上，所述压电陶瓷晶片7设置在所述匹配层6上，所述背衬8设置在所述压电陶瓷晶片7上。所述横波侧出线相控阵探头的压电材料为1-3型复合压电材料，其频率为5MHz，分切为12个独立阵元，其阵元间距为0.5mm，其阵元长度为6mm。所述横波侧出线相控阵探头外壳内部设计成集成楔块4，使探头的结构达到最小。所述横波侧出线相控阵探头外壳本体长度为25mm，其宽为9mm，其高为9.7mm，更有利于叶根弧面的耦合。所述集成楔块1的入射角度为36°，由聚苯乙烯组成，其横波声速为2337m/s，横波在钢中的折射角为55°。所述横波侧出线相控阵探头采用侧出线方式，有利于穿过狭小的叶根间空隙；所述横波侧出线相控阵探头的外壳两侧设置有规格为M2*0.4的螺纹孔2，用于工装夹具的夹持。
如图5-6所示，所述横波顶出线相控阵探头应用于枞树型叶根平台和端面的扫查。所述横波顶出线相控阵探头包括外壳1、集成楔块4和芯部5，所述芯部5和所述集成楔块4均设置在所述外壳1内，且所述芯部5设置在所述集成楔块4上。所述芯部5包括匹配层6、压电陶瓷晶片7、背衬8，所述匹配层6设置在所述集成楔块4上，所述压电陶瓷晶片7设置在所述匹配层6上，所述背衬8设置在所述压电陶瓷晶片7上。所述横波顶出线相控阵探头的压电材料为1-3型复合压电材料，其频率为5MHz，分切为12个独立阵元，其阵元间距为0.5mm，其阵元长度为6mm。所述横波顶出线相控阵探头外壳内部设计成集成楔块4，使探头的结构达到最小。所述横波顶出线相控阵探头的外壳本体长度为18mm，其宽为9mm，其高为19.7mm。所述集成楔块1的入射角度为36°，其由聚苯乙烯组成，其横波声速为2337m/s，横波在钢中的折射角为55°。所述横波顶出线相控阵探头采用直出线方式，空间占用小，有利于叶根平台面扫查；所述横波顶出线相控阵探头的外壳两侧设置有规格为M2*0.4的螺纹孔2，用于工装夹具的夹持。
在使用本发明进行汽轮机叶片枞树型根部的超声成像检测时，按照以下步骤执行：
如图7所示，选用0°纵波相控阵探头，将所述0°纵波相控阵探头通过连接器端3与相控阵检测仪相连。在叶根的两侧侧肩平台涂刷耦合剂，相控阵检测仪激发纵波，进入扇扫模式，扇形扫查的最佳起始角度为-30°，最佳终止角度为30°；移动相控阵探头，对内外弧靠近两端的区域和外弧面叶根内部区域进行扫查。运用此种扫查能够涵盖到叶根的两侧平台及外弧以下的叶根区域。
如图8-9所示，选用横波侧出线相控阵探头，将所述横波侧出线相控阵探头通过连接器端3与相控阵检测仪连接。在叶根的叶身内侧、外侧涂刷耦合剂，相控阵检测仪激发横波，进入扇扫模式，扇扫角度为40°至70°；从叶身底部与第一齿根的交汇弧面开始，沿叶身弧面完成一次扫查。运用此种扫查能够涵盖到内外侧叶身以下的叶根区域。
如图10所示，选用横波顶出线相控阵探头，将所述横波顶出线相控阵探头通过连接器端3与相控阵检测仪连接。在叶根的两侧侧肩平台涂刷耦合剂，相控阵检测仪激发横波，进入扇扫模式，扇扫角度为40°至70°。移动相控阵探头，对内弧叶根区域进行扫查。
在本发明中，通过三款相控阵的组合扫查，能够对叶根内部进行全面检测，超声波通过集成楔块折射到叶根里面，相控阵检测仪将采集到的反射声波信号转换成电信号，发现缺陷后，声波沿原路径返回；通过扇扫聚焦法则，可以清楚发现缺陷的大小。通过在相控阵探头两侧的所述螺纹孔2上装配的扫查夹具，在实现在不拆卸叶根的情况下，将相控阵探头伸进狭小的叶身间隙进行扫查，同时与自动扫查装置配合实现自动扫查。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，包括用于扫查枞树型叶根平台的0°纵波相控阵探头、用于扫查枞树型叶根叶身外弧和内弧的横波侧出线相控阵探头、用于扫查枞树型叶根平台和端面的横波顶出线相控阵探头；三种所述探头均包括外壳和芯部，所述芯部设置在所述外壳内；所述横波侧出线相控阵探头和所述横波顶出线相控阵探头的外壳内还设置有集成楔块，且所述芯部设置在所述集成楔块上；三种所述探头均通过连接器端与相控阵检测仪相连。
2.根据权利要求1所述的一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，所述芯部包括匹配层、压电陶瓷晶片、背衬，所述压电陶瓷晶片设置在所述匹配层上，所述背衬设置在所述压电陶瓷晶片上；所述横波侧出线相控阵探头和所述横波顶出线相控阵探头的匹配层设置在所述集成楔块上。
3.根据权利要求1所述的一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，所述外壳的两侧设置有用于安装工装夹具的螺纹孔。
4.根据权利要求1所述的一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，所述0°纵波相控阵探头的压电材料为1-3型复合压电材料，其频率为5MHz，分切为10个独立阵元，其阵元间距为0.5mm，其阵元长度为5mm。
5.根据权利要求1所述的一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，所述0°纵波相控阵探头的外壳长度为8mm，其宽为10mm，其高为25mm。
6.根据权利要求1所述的一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，所述横波侧出线相控阵探头的压电材料为1-3型复合压电材料，其频率为5MHz，分切为12个独立阵元，其阵元间距为0.5mm，其阵元长度为6mm。
7.根据权利要求1所述的一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，所述横波侧出线相控阵探头的外壳长度为25mm，其宽为9mm，其高为9.7mm；所述横波侧出线相控阵探头的集成楔块由聚苯乙烯组成，其入射角度为36°，其横波声速为2337m/s，横波在钢中的折射角为55°。
8.根据权利要求1所述的一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，所述横波顶出线相控阵探头的压电材料为1-3型复合压电材料，其频率为5MHz，分切为12个独立阵元，其阵元间距为0.5mm，其阵元长度为6mm。
9.根据权利要求1所述的一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，所述横波顶出线相控阵探头的外壳长度为18mm，其宽为9mm，其高为19.7mm；所述横波顶出线相控阵探头的集成楔块由聚苯乙烯组成，其入射角度为36°，其横波声速为2337m/s，横波在钢中的折射角为55°。
10.根据权利要求1所述的一套无损检测枞树型叶根的集成楔块相控阵探头组合，其特征是，所述0°纵波相控阵探头采用直出线方式；所述横波侧出线相控阵探头采用侧出线方式，所述横波顶出线相控阵探头采用直出线方式。
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