CN105806958A - 一种用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头 - Google Patents

一种用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头 Download PDF

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何海
周礼峰
蔡家藩
丁冬平
邱进杰
张益成
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Research Institute of Nuclear Power Operation
China Nuclear Power Operation Technology Corp Ltd
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Abstract

本发明属于核电站粗晶材质小径管内壁堆焊层的超声检验及其它行业小径管内壁超声检查技术领域，具体涉及一种用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头。包括探头组件和探头内芯；探头组件包括探头本体、探头壳、探头压板、堵头、压缩弹簧；探头本体为圆柱形结构，周向均布有三个与探头壳匹配的槽，探头壳安装于槽中，探头壳通过压缩弹簧自动向外弹出；堵头安装在探头本体内部空腔前端；探头压板通过螺钉固定于探头本体上，用于限制探头壳向外弹出的行程；每个探头壳内至少包括一个探头内芯。为对堆焊层进行有效的检验，采用不同角度的双晶纵波斜探头和双晶纵波直探头从内壁堆焊层进行轴向和周向扫查。

Description

一种用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头
技术领域
本发明属于核电站粗晶材质小径管内壁堆焊层的超声检验及其它行业小径管内壁超声检查技术领域，具体涉及一种用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头。
背景技术
核电站容器上的接管内壁一般都堆焊一层不锈钢耐蚀层，按照美国ASME规范和法国RCCM标准要求需从堆焊层侧进行超声检验，对于大口径接管的内壁堆焊层的空间尺寸一般可以满足超声探头从内壁接近的要求，超声探头可以采用常规尺寸和结构，但对于小径管内壁堆焊层的情况则空间尺寸大大缩小，常规探头无法放置于接管内壁，并且探头还需要多种角度，特别是由于小径管内壁曲率大，双晶纵波探头的超声传播规律与平面工件有很大的不同，会发生声波散射、入射点偏移、折射角度变化大等一系列问题，与常规的双晶纵波探头技术参数有很大的不同，更难控制超声探头的技术参数指标。
针对粗晶材质小径管内壁堆焊层的超声检验，按照检验法规要求，需要检验堆焊层与母材结合面的情况及堆焊层内部质量情况，一般堆焊层厚度为6～8mm，堆焊层又为粗晶材料，常规的探头和检验技术无法满足要求。
对于从接管内壁扫查的超声检验技术，一般是采用自动扫查装置进行，但适合小径管内壁扫查的探头在国内相关行业还未见到相关的应用报道，因此，在利用自动扫查装置的基础上开发专用的超声探头技术是解决问题关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头，以满足上述需求。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头，包括探头组件和探头内芯；探头组件包括探头本体、探头壳、探头压板、堵头、压缩弹簧；探头本体为圆柱形结构，周向均布有三个与探头壳匹配的槽，探头壳安装于槽中，探头壳通过压缩弹簧自动向外弹出；堵头安装在探头本体内部空腔前端；探头压板通过螺钉固定于探头本体上，用于限制探头壳向外弹出的行程；每个探头壳内至少包括一个探头内芯。
所述探头内芯为双晶纵波斜探头结构，由参数完全相同的两个楔块对称并排布置，发射晶片和接收晶片也对称并排布置在楔块上，从各自晶片分别将信号线引至探头插座。
所述楔块屋顶角θ与小径管内壁曲率的变化关系是：曲率越大，自聚焦效应越明显，同一聚焦深度的楔块屋顶角θ的数值越小，并且数值从小的数值往大的数值变化。
对于三种曲率Φ27mm，Φ44mm，Φ56mm的内壁扫查探头，双晶纵波45°斜探头的设计聚焦深度6mm时，相应的楔块屋顶角θ为-0.2°，3.1°，4.1°，曲率越大时反向补偿值越大。
在内壁周向扫查时，双晶纵波35°的折射角在声束晶片方向上能量的分布具有最优效果；周向探头在内壁扫查时探头的入射点与工件曲率中心同心并保持在一直线上。
所述楔块有两个方向的角度，这两个角度对探头的参数影响与轴向探头相同，在聚焦深度6mm时，楔块屋顶角θ按照双晶0°纵波探头的聚焦参数设计，晶片中心的间距同双晶0°纵波探头的聚焦参数一致。
本发明所取得的有益效果为：
为对堆焊层进行有效的检验，采用不同角度的双晶纵波斜探头和双晶纵波直探头从内壁堆焊层进行轴向和周向扫查。针对小径管的内壁检查，从设计原理上进行了创新，掌握了此类探头的特殊声传播路径规律，通过理论计算和实际应用，验证了探头的设计，达到了预期的使用效果。小径管内壁堆焊层探头技术参数与正常探头的技术参数变化规律一致，符合双晶探头的性能特点，可应用于相类似的工件结构中。
附图说明
图1为探头组件结构示意图；
图2为探头组件C-C剖视图；
图3为平面双晶纵波探头楔块参数示意图；
图4为轴向探头设计示意图；
图5为周向探头设计示意图；
图中：1、探头本体；2、探头壳；3、探头压板；4、堵头；5、压缩弹簧。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明所述探头包括探头组件和探头内芯；探头组件包括探头本体1、探头壳2、探头压板3、堵头4、压缩弹簧5，探头本体1为圆柱形结构，周向均布有三个与探头壳2匹配的槽，探头壳2安装于槽中，探头壳2通过压缩弹簧5自动向外弹出，保证探头与工件接触良好。探头本体1内部空腔用于探头信号电缆和耦合剂供给水路的走线，堵头4安装在探头本体1内部空腔前端。探头压板3通过螺钉固定于探头本体1上，用于限制探头壳2向外弹出的行程；每个探头壳2内至少包括一个探头内芯，如图3所示。探头壳2内的探头内芯可分别设计成为不同角度，增加了应用的灵活性。
如图3所示，探头内芯为双晶纵波斜探头结构，由参数完全相同的两个楔块对称并排布置，发射晶片和接收晶片也对称并排布置在楔块上，从各自晶片分别将信号线引至探头插座。楔块有两个方向的角度，一个角度是斜射声束投影到水平面时与楔块平面之间的夹角，这个角度就是楔块入射角，楔块入射角决定在工件中的声束折射角度。另一个角度是垂直斜射声束在水平面的投影与楔块平面之间的夹角。这个角度就是楔块屋顶角θ，楔块屋顶角θ决定声束在工件中的交叉范围，也就是通常说定义的“聚焦范围”。这两个角度是设计双晶纵波斜探头的关键参数。
如图4所示，在内壁扫查的双晶纵波斜探头与平面双晶纵波斜探头的区别是接触面为凸弧面结构，这种结构与平面双晶纵波斜探头的最重要的变化在于声束的自聚焦现象。在楔块屋顶角θ为0°(理论上声束不聚焦)时，实际声束会发生聚焦，因此必须将楔块屋顶角θ值反向变化以抵消自聚焦对理论设计焦距的影响。同时影响焦距的因素还有晶片中心间距，一般晶片中心间距越远，声束的自聚焦越明显，理论聚焦深度变浅，实际中反向补偿楔块屋顶角θ的程度就越大。
小径管内壁曲率也影响实际声束的自聚焦程度，曲率与楔块屋顶角θ的变化关系是：曲率越大，自聚焦效应越明显，同一聚焦深度的楔块屋顶角θ的数值越小，并且数值从小的数值往大的数值变化，这是与平面双晶纵波斜探头的最大区别。
以三种曲率Φ27mm，Φ44mm，Φ56mm的内壁扫查探头为例(见表1)，对于双晶纵波45°斜探头的设计聚焦深度6mm时，相应的楔块屋顶角θ为-0.2°，3.1°，4.1°，可以看出，曲率越大时反向补偿值越大。另外对于双晶纵波70°斜探头也有此规律。
表1：探头楔块屋顶角θ参数变化规律表
在内壁周向扫查时，双晶纵波斜探头的入射角是以晶片中心向晶片声束方向两侧连续变化，这样导致有多个折射角度在工件中传播，因此需要控制探头
在声束传播方向上的晶片尺寸以减少影响。
另外，选择合适的折射角可以将其他角度的能量减少避免声束干扰，双晶纵波35°的折射角在声束晶片方向上能量的分布具有最优效果。
周向探头在内壁扫查时探头的入射点要与工件曲率中心同心并保持在一直线上，探头入射点位置是控制周向探头角度的重要参数。
周向探头的聚焦同平面探头的聚焦类型相同，按照平面探头的聚焦范围参数选择。
按照周向探头的设计要点，探头的结构见附图5。以双晶纵波35°斜探头为例，楔块也有两个方向的角度，这两个角度对探头的参数影响与轴向探头相同，在聚焦深度6mm时楔块屋顶角θ按照双晶0°纵波探头的聚焦参数设计即可。晶片中心的间距也同双晶0°纵波探头的聚焦参数一致。
针对不同尺寸的小径管内壁扫查，可以设计不同的探头内芯再形成探头组件，扫查时只需更换探头组件即可进行下一个工件的检查。采用专用的扫查器与探头组件匹配从小径管接管内壁进行自动检验，扫查器依靠人工控制其运动。控制系统能编制扫查器的运行轨迹，并通过多个编码器实时记录扫查器各运动轴的运动位移。检验系统借助扫查器及其控制系统完成对受检区域的信号采集。

Claims (6)

1.一种用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头，其特征在于：包括探头组件和探头内芯；探头组件包括探头本体(1)、探头壳(2)、探头压板(3)、堵头(4)、压缩弹簧(5)；探头本体(1)为圆柱形结构，周向均布有三个与探头壳(2)匹配的槽，探头壳(2)安装于槽中，探头壳(2)通过压缩弹簧(5)自动向外弹出；堵头(4)安装在探头本体(1)内部空腔前端；探头压板(3)通过螺钉固定于探头本体(1)上，用于限制探头壳(2)向外弹出的行程；每个探头壳(2)内至少包括一个探头内芯。
2.根据权利要求1所述的用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头，其特征在于：所述探头内芯为双晶纵波斜探头结构，由参数完全相同的两个楔块对称并排布置，发射晶片和接收晶片也对称并排布置在楔块上，从各自晶片分别将信号线引至探头插座。
3.根据权利要求2所述的用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头，其特征在于：所述楔块屋顶角θ与小径管内壁曲率的变化关系是：曲率越大，自聚焦效应越明显，同一聚焦深度的楔块屋顶角θ的数值越小，并且数值从小的数值往大的数值变化。
4.根据权利要求3所述的用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头，其特征在于：对于三种曲率Φ27mm，Φ44mm，Φ56mm的内壁扫查探头，双晶纵波45°斜探头的设计聚焦深度6mm时，相应的楔块屋顶角θ为-0.2°，3.1°，4.1°，曲率越大时反向补偿值越大。
5.根据权利要求2所述的用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头，其特征在于：在内壁周向扫查时，双晶纵波35°的折射角在声束晶片方向上能量的分布具有最优效果；周向探头在内壁扫查时探头的入射点与工件曲率中心同心并保持在一直线上。
6.根据权利要求5所述的用于粗晶材质大曲率工件检查的超声双晶纵波斜探头，其特征在于：所述楔块有两个方向的角度，这两个角度对探头的参数影响与轴向探头相同，在聚焦深度6mm时，楔块屋顶角θ按照双晶0°纵波探头的聚焦参数设计，晶片中心的间距同双晶0°纵波探头的聚焦参数一致。
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