CN105784843A - 异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，包括集成楔块、相控阵探头晶片、探头外壳；所述相控阵探头晶片粘接在集成楔块上，所述探头外壳用于安装集成楔块、相控阵探头晶片及探头背材、探头电缆线的焊接；所述探头外壳底面接触长度不大于不规则焊缝的斜台直段长度，并在探头外壳与底面有个与不规则焊缝的斜台相配合的切角。装置总体小巧、探头与工件耦合面小，操作灵活，使用寿命长。能够在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝紧邻较小直段上放置并能够与超声相控阵仪器配合，在满足焊缝扫查覆盖区域及保证焊缝检测有效性基础上，实现电站锅炉压力管道带斜台不规则焊缝超声成像相控阵检测。

Description

异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，尤其涉及一种电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的相控阵成像检测用换能装置，属于无损检测技术领域。

背景技术

火力发电机组中以主蒸汽管道、再热蒸汽管道和主给水管道等为代表的电站锅炉压力管道一直是火电机组的重要金属部件，更是电站金属监督中的重点，这些压力管道一般均具有压力大、温度高等特点，且一般均布置在机组外部，若该类压力管道存在裂纹等危害性缺陷而不能及时发现将导致管道损坏或引发爆裂事故，不但会造成重要设备损坏、机组停运等严重的经济损失，还极有可能导致机组现场维护人员伤亡，引发极其严重的安全事故。焊缝作为上述压力管道的薄弱环节，是金属监督检验的重中之重，在生产制造及安装过程中焊接的焊缝往往容易产生一些气孔、夹渣、未熔合、裂纹等内部焊接缺陷，这些缺陷在高温高压工况运行时及内外部应力作用下往往会扩展为裂纹，进而引发管道开裂失效造成管道爆裂事故。

目前，因为电站锅炉压力管道焊缝检验对机组运行安全性的重要影响，国内相关标准如《锅炉安全技术监察规程》、《锅炉定期检验规则》、DL438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》、DL647-2004《电站锅炉压力容器检验规程》等均提出了对其内部缺陷的检验要求，而焊缝内部缺陷的检测方法主要有射线检测和超声波检测两种，考虑当前电站锅炉压力管道壁厚均较厚以及现场检测实施条件和环境等影响因素，超声波检测更适用于上述焊缝的检测实施，亦是目前上述焊缝内部缺陷检测的主要检测方法。当前，上述焊缝内部缺陷的超声波检测主要是依据NB/T47013、DL/T820等超声波检测标准采用常规脉冲反射法在焊缝两侧利用横波斜探头进行锯齿形扫查，然而，因制造和现场安装原因，超(超)临界机组电站锅炉压力管道中三通、弯头、大小头等管件和直管连接及其相互连接的异形结构对接焊缝外部存在带斜台不规则结构，致使上述焊缝两侧直段区域极小(一般在20mm-40mm范围)，无法满足上述现行检测标准对锯齿形扫查区域的要求，按上述现行检测标准要求使用常规超声脉冲反射法直射波对其检测时会因扫查区域不足产生无法检测到焊缝区域或所检焊缝截面区域检测覆盖范围极小无法满足检测要求的情况。而上述带斜台不规则结构焊缝因结构原因往往会较普通对接焊缝存在更大的应力集中，原有内部缺陷更易扩展为裂纹或产生裂纹缺陷，因此如果因为检验手段的缺失、检验方法的不完备导致上述电站锅炉压力管道中带斜台不规则结构焊缝因其结构问题无法实现内部缺陷的超声波检测进而造成压力管道因内部缺陷未检出而造成失效爆裂，这将严重降低该类焊缝的安全系数，大大增加压力管道的安全隐患，对整个机组的安全运行有着极其严重的影响。

据了解，国内外对不同特定异形结构件或异形结构件焊缝的超声波检测方法均有研究应用，早期研究成果主要是针对特定异形结构件研制特殊的探头以及配套的检测工艺进行，主要还是采用常规脉冲反射波法进行，但是由于其特制探头和工艺的局限性，仅可用于特定异形构件及焊缝的检测，无法推广应用于电站锅炉压力管道上异形结构焊缝检测上，这类成果主要有钢结构上异形界面钢的检测、海洋结构件管节点异形结构焊缝的检测等；近几年随着压电复合材料、电子集成技术和计算机数字化技术的快速发展，利用数字化和电子集成技术和常规无损检测技术结合而发展起来的现代化新型数字集成无损检测技术日益涌现出来，利用相控阵技术结合特制工装器具来实现异形结构件及焊缝的自动化检测也在国内外大力发展起来，如在铁道轮轨的自动化超声检测、汽轮机叶片叶根的自动化检测等都是该类技术研究成果的实际应用，但因上述电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝是近几年超(超)临界机组发展起来后才大量出现的，并且因三通、弯头、大小头等不同管件尺寸不尽相同，再加上现场加工安装尺寸差别的影响导致各类异形结构焊缝的结构型式和尺寸各不相同，难以对上述异形结构带斜台不规则焊缝按同一结构尺寸进行工艺设计，国内外至今还未见对上述焊缝超声相控阵检测方法的研究。针对上述情况，如果与普通对接焊缝相同采用相控阵仪器配合常规可拆卸式相控阵换能器和楔块对上述带斜台不规则焊缝进行检测，因常规可拆卸式相控阵换能器和楔块组合后尺寸较大同样存在不能放置在上述带斜台不规则焊缝紧邻较小直段上检测的问题，而如放置在斜台上进行检测根据声速模拟结果亦会产生所检焊缝截面区域检测覆盖范围较小无法满足检测要求的情况，同时因为斜台影响还会产生一些变型波束对检测结果造成干扰进而影响检测结果评定，并且较大尺寸的相控阵组合探头在检测过程中会对耦合效果造成不利影响，导致检测时耦合效果较差，难以保证检测结果的准确性。

综上所述，研究设计开发出能够放置在电站锅炉压力管道带斜台不规则焊缝紧邻较小直段上进行检测的相控阵换能器及配套楔块，进而配合相控阵仪器使用充分发挥相控阵多角度扫查优势，对保证上述焊缝内部缺陷超声相控阵检测的有效性和准确性上具有重大意义。

发明内容

发明目的：针对上述电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝检测中的不足，本发明提供一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，提供一种能够在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝紧邻较小直段上放置并能够与超声相控阵仪器配合，在满足焊缝扫查覆盖区域及保证焊缝检测有效性基础上，实现电站锅炉压力管道带斜台不规则焊缝超声成像相控阵检测的换能装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于：包括集成楔块、相控阵探头晶片、探头外壳；所述相控阵探头晶片粘接在集成楔块上，所述探头外壳用于安装集成楔块、相控阵探头晶片及探头背材、探头电缆线的焊接；所述探头外壳底面接触长度不大于不规则焊缝的斜台直段长度，并在探头外壳与底面有个与不规则焊缝的斜台相配合的切角。

作为优选方案，所述集成楔块为一个30-45°的楔块，钢中折射角为横波45-75°，材料为聚苯乙烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为30-85°。

最优选，所述集成楔块为一个39°的楔块，钢中折射角为横波60°，材料为聚苯乙烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为45-75°。

作为优选方案，所述相控阵探头晶片，材质为1-3型压电复合材料，阵元数为12-16个，阵元间距是0.4-0.8mm，阵元长度为10mm，中心频率为2.5-7.5Mhz。

最优选，所述相控阵探头晶片阵元数为12个，阵元间距是0.6mm，中心频率为5Mhz。

作为优选方案，所述探头外壳的材质为不锈钢或铝合金。

所述探头外壳开口端采用胶水灌封以保证探头的防水性。

本发明还提供一种电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的检测方法，基于上述的换能装置，具体包括以下步骤：

步骤(1)选用具有成像功能的相控阵便携式检测仪器，相控阵便携式检测仪器的工作频率范围为1-10Mhz，水平误差不大于2％，垂直误差不大于8％；将换能装置与相控阵便携式检测仪器连接，在相控阵便携式检测仪器中输入换能装置规格型号与楔块的参数，调整仪器的聚焦法则和灵敏度、显示范围及闸门；聚焦法则选用扇形扫查，角度为60度，声束的偏转范围为45～75度，调整好检测范围；

步骤(2)在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的斜台直段上涂上耦合剂；

步骤(3)将换能装置放置在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的斜台直段上，调整好换能装置与斜台的位置，尽量将换能装置的前沿靠近焊缝，能够使换能装置更接近焊缝，使异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置可以利用一次波进行检测，灵敏度会更高；调整好换能装置与斜台的距离，保证探头声波可以打到缺陷上并缺陷的回波比较强；声波通过集成楔块进入焊缝进行检测，遇到缺陷声波会有反射的回波，利用换能装置将采集到的反射回波信号转换成电信号，送入到相控阵便携式检测仪器保存并做成像处理，最终生成可以判读缺陷讯息的图像，并生成缺陷讯息报告；

步骤(4)对受检电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝进行质量评定并做好评定记录。

有益效果：本发明提供的一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，能够在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝紧邻较小直段上放置并能够与超声相控阵仪器配合，在满足焊缝扫查覆盖区域及保证焊缝检测有效性基础上，实现电站锅炉压力管道带斜台不规则焊缝超声成像相控阵检测。装置总体小巧、探头与工件耦合面小，操作灵活，使用寿命长。

附图说明

图1为电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的截面图；

图2为本发明异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置的示意图；

图3为本发明检测声波路径图；

图4为压电复合材料相控阵探头晶片参数图；

图5为阵元数对波束指向性的影响变化图；

图6为旁瓣级随阵元数的变化曲线图；

图7为主瓣角宽度随阵元数的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

图1所示，是电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的截面图，焊缝两侧外部存在斜台阶结构，且斜台的直段空间比较小，给检测带来比较大的难度。常规的可拆卸相控阵探头、楔块装配后结构空间比较大、接触面积也比较大，无法放置在斜台上进行检测。

如图2所示，为本发明一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，包括集成楔块1、相控阵探头晶片2、探头外壳3；所述相控阵探头晶片粘接在集成楔块上，所述探头外壳用于安装集成楔块、相控阵探头晶片及探头背材、探头电缆线的焊接；所述探头外壳底面接触长度不大于不规则焊缝的斜台直段长度，并在探头外壳与底面有个与不规则焊缝的斜台相配合的切角。

如图3所示；所述集成楔块为一个30-45°的楔块，钢中折射角为横波45-75°，材料为聚苯乙烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为30-85°。

本实施例中，所述集成楔块为一个39°的楔块，钢中折射角为横波60°，材料为聚苯乙烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为45-75°。

所述相控阵探头晶片，材质为1-3型压电复合材料，阵元数为12-16个，阵元间距是0.4-0.8mm，阵元长度为10mm，中心频率为2.5-7.5Mhz。

所述探头外壳的材质为不锈钢或铝合金。本实施例中，探头外壳采用316不锈钢，316不锈钢能保证探头的耐磨性能，以保证探头的使用寿命。

所述探头外壳开口端用胶水灌封以保证探头的防水性。

本发明具有设计小巧，探头与工件耦合面小，操作灵活。

如图4所示，相控阵探头涉及的主要参数为：阵元数n，阵元间距p，阵元长度E，有效孔径A，中心波长λ。

波束指向性是探头的重要技术指标,其优劣决定了超声波的传播方向和能量集中程度,对检测能力有重要的影响。通过线列参数对相控阵探头波束指向性影响的分析,得到参数与指向性之间的关系,为超声相控线阵探头的设计优化提供了依据,从而提高相控阵检测系统的性能。

图5为阵元数对波束指向性的影响.随着阵元数n变化,指向性的变化图。由图5可以看出,随着n的增大,主瓣角宽度变窄,旁瓣降低。旁瓣级的声强(db)为：

由公式(1)可知旁瓣级的大小只与n有关。图6为旁瓣级随n的变化曲线,当n从0增大时,旁瓣级急剧减小；当n>16并继续增大时,旁瓣级趋于-13.5db的极限值。可见,n对旁瓣级的抑制作用非常明显,当设计超声相控阵探头对旁瓣级有严格要求时,应首先考虑增加阵元数n。

主瓣与横坐标相交两点之间的距离θ_m可以定义为主瓣角宽度。它是衡量主瓣锐利程度的指标，主瓣角宽度θ_m：

${\mathrm{\θ}}_m={\sin }^{-1}\[{\mathrm{sin\θ}}_s+\frac{\mathrm{\λ}}{np}\]-{\sin }^{-1}\[{\mathrm{sin\θ}}_s-\frac{\mathrm{\λ}}{np}\]---\left(2\right)$

p/λ取0.5,偏转角取θ_s＝30°,将主瓣角宽度θ_m作为n的函数,即阵元数n对主瓣角宽度的影响曲线。如图7所示，随着n的增大,主瓣角宽度减小的趋势十分明显。

综上可知,增加阵元数n不但可以减小主瓣角宽度,还可以降低旁瓣,所以,应尽可能地增加阵元数。在p和E不变的情况下,增加阵元数也就相当于增加了探头的孔径A。但是增加阵元数,相应的信号通道增加,提高了设备的复杂性和降低了实时性,且当阵元数n>32时,阵元数的增加对主瓣角宽度和旁瓣级都影响不大。由于本发明相控阵探头为接触面积小、小巧，综合可知，阵元数优选12-16，12-16阵元也可以保整有良好的波束指向性。

阵元间距对指向性的影响，阵元间距是相控阵探头参数设计的重点之一,它对相控阵探头指向性能的影响较大。由于探头的频率固定时,声波在特定的介质中传播的波长λ是一定的,所以把p/λ作为一个整体变量在研究阵元间距对指向性的影响时很方便。当阵元间距很小时,主瓣很宽；随着间距的增大,主瓣越来越锐利,但当其超过某个临界值时,指向性图上就会出现栅瓣,这在实际设计中是不允许的；若间距继续增大,虽然主瓣会变得更加锋利,但是栅瓣也越来越多。旁瓣级随着阵元间距的变大变化不大,这说明阵元间距对旁瓣影响不大。同时考虑到晶片加工的难度，本发明相控阵探头晶片阵元间距p取值0.4mm-0.8mm。

阵元长度对指向性的影响，阵元宽度对栅瓣位置没有影响,且对主瓣角宽度和旁瓣影响不大。旁瓣有所降低,但最大旁瓣高度基本不变。随着阵元长度变大,主瓣高度降低,又因为最大旁瓣高度不变,相当于旁瓣级升高。所以,在满足其它要求的情况下,应尽量选择宽度小的阵元。本发明相控阵探头晶片阵元长度E取值10mm。

为了本次设计的相控阵有较好的波束指向性，同时结合工件外形，为了探头能做更小巧，本实施例中，相控阵探头晶片规格为：阵元数为12个、阵元间距是0.6mm，阵元长度为10mm，中心频率为5Mhz。

根据相控阵探头设计要求，阵元长度E,阵元间距p，必须满足E/p>10，所以本发明晶片参数满足相控阵探头设计要求。

本实施例中，异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，为一个60度横波集成楔块，一个5MHz的压电复合材料相控阵探头晶片，探头阵元数为12个，阵元间距是0.6mm，阵元长度为10mm，探头晶片采用1-3型压电复合材料。探头的主角度为60度，声束的偏转范围为45-75度；异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置的设计是根据电站锅炉压力管道异形结构不规则斜阶的形状及不规则斜阶焊缝的位置关系专门设计的，使探头的长度不大于规则斜阶的形状的长度，探头底面的接触面长度为17mm，探头外壳与底面的切角为45度(如图2所示)，以保证探头的外形与不规则斜台阶的形状不干涉。能够使探头更接近焊缝，使探头可以利用一次波进行检测。

本发明提供的电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的相控阵成像检测用换能装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤(1)选用具有成像功能的相控阵便携式检测仪器，相控阵便携式检测仪器的工作频率范围为1-10Mhz，水平误差不大于2％，垂直误差不大于8％；将换能装置与相控阵便携式检测仪器连接，在相控阵便携式检测仪器中输入换能装置规格型号与楔块的参数，调整仪器的聚焦法则和灵敏度、显示范围及闸门，使检测效果达到最佳；聚焦法则选用扇形扫查，角度为60度，声束的偏转范围为45～75度，调整好检测范围；

步骤(2)在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的斜台直段上涂上耦合剂；

步骤(3)如图3所示，将异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置放置在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的斜台直段上，调整好换能装置与斜台的位置，尽量将换能装置的前沿靠近焊缝，能够使换能装置更接近焊缝，使异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置可以利用一次波进行检测，灵敏度会更高；调整好换能装置与斜台的距离，保证探头声波可以打到缺陷上并缺陷的回波比较强；声波通过集成楔块进入焊缝进行检测，遇到缺陷声波会有反射的回波，利用换能装置将采集到的反射回波信号转换成电信号，送入到相控阵便携式检测仪器保存并做成像处理，最终生成可以判读缺陷讯息的图像，并生成缺陷讯息报告；

步骤(4)对受检电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝进行质量评定并做好评定记录。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于：包括集成楔块、相控阵探头晶片、探头外壳；所述相控阵探头晶片粘接在集成楔块上，所述探头外壳用于安装集成楔块、相控阵探头晶片及探头背材、探头电缆线的焊接；所述探头外壳底面接触长度不大于不规则焊缝的斜台直段长度，并在探头外壳与底面有个与不规则焊缝的斜台相配合的切角。

2.根据权利要求1所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于：所述集成楔块为一个30-45°的楔块，钢中折射角为横波45-75°，材料为聚苯乙烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为30-85°。

3.根据权利要求2所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于：所述集成楔块为一个39°的楔块，钢中折射角为横波60°，材料为聚苯乙烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为45-75°。

4.根据权利要求1所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于：所述相控阵探头晶片，材质为1-3型压电复合材料，阵元数为12-16个，阵元间距是0.4-0.8mm，阵元长度为10mm，中心频率为2.5-7.5Mhz。

5.根据权利要求4所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于：所述相控阵探头晶片阵元数为12个，阵元间距是0.6mm，中心频率为5Mhz。

6.根据权利要求1所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于：所述探头外壳的材质为不锈钢或铝合金。

7.根据权利要求1所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于：所述探头外壳开口端采用胶水灌封以保证探头的防水性。

8.一种电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的检测方法，基于权利要求1-7任一项所述的换能装置，具体包括以下步骤：

步骤(1)选用具有成像功能的相控阵便携式检测仪器，相控阵便携式检测仪器的工作频率范围为1-10Mhz，水平误差不大于2%，垂直误差不大于8%；将换能装置与相控阵便携式检测仪器连接，在相控阵便携式检测仪器中输入换能装置规格型号与楔块的参数，调整仪器的聚焦法则和灵敏度、显示范围及闸门；聚焦法则选用扇形扫查，角度为60度，声束的偏转范围为45～75度，调整好检测范围；

步骤(2)在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的斜台直段上涂上耦合剂；

步骤(3)将换能装置放置在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的斜台直段上，调整好换能装置与斜台的位置，尽量将换能装置的前沿靠近焊缝，能够使换能装置更接近焊缝，使异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置可以利用一次波进行检测，灵敏度会更高；调整好换能装置与斜台的距离，保证探头声波可以打到缺陷上并缺陷的回波比较强；声波通过集成楔块进入焊缝进行检测，遇到缺陷声波会有反射的回波，利用换能装置将采集到的反射回波信号转换成电信号，送入到相控阵便携式检测仪器保存并做成像处理，最终生成可以判读缺陷讯息的图像，并生成缺陷讯息报告；

步骤(4)对受检电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝进行质量评定并做好评定记录。