CN105842338A - 一种用于厚壁管全体积检测的超声内扫描成像系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于厚壁管全体积检测的超声内扫描成像系统及方法，本方法以厚壁管扫查器为基础，搭建厚壁管超声检测系统；分别设定激励信号、接收信号相应参数，搭载低频导波探头进行扫查获取内壁大面积缺陷的大概位置与形状，搭载表面波探头扫查后对内壁近表面缺陷的大概位置与形状进行判断；根据导波与表面波扫查结果搭载纵波直探头，分别设定激励信号、接收信号、扫查范围相关参数后进行扫查，将接收到的扫查信号存入计算机；通过观察接收到的扫查信号设置时间窗，并根据扫查范围设置成像参数，对厚壁管进行成像，对厚壁管全体积检测的结果进行直观的表示。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声内扫描成像系统及方法，特别是一种用于厚壁管全体积检测的内扫描成像方法，属于无损检测领域。
背景技术
作为一种传输高温、高压液体及气体的承载工具，厚壁管在电力、石油、化工等领域广泛应用。以火力发电为例，厚壁管是火电机组管道系统的核心部件。为提高火力发电效率，需要提高蒸汽的压力和温度，因此，电站蒸汽管道需采用能承受很高蒸汽压力和温度的厚壁管。然而，厚壁管在从毛坯到成型的过程中，可能会产生缺陷，如疏松、缩孔等。同时，由于长期在高温、高压的环境中运行，因材料产生蠕变、蜕化及应力松弛等原因，厚壁管中易出现的热疲劳损伤、腐蚀和局部减薄等缺陷。在运行过程中，这些缺陷极易扩大并可能导致管体爆裂、泄漏等严重事故。因此，需要开展厚壁管无损检测技术的研究，它对于预防事故、维护生产安全运行具有重要的意义。
目前，国内外学者对厚壁管无损检测方法开展了大量卓有成效的研究。厚壁管常用的无损检测方法有：磁粉检测、渗透检测、射线检测、漏磁检测和超声检测。磁粉检测和渗透检测主要应用于厚壁管的表面检测，射线检测、漏磁检测和超声检测的穿透深度较大，可用于厚壁管的整体检测。但是，射线检测对人体具有危害性，漏磁检测则要求被检管道必须是铁磁性材料。
超声检测技术因具有检测灵活，既能用于结构内部缺陷检测又能用于表面缺陷检测等特点，而备受无损检测工程技术人员的青睐。利用不同的检测模式，国内外学者对厚壁管超声无损检测方法开展了大量卓有成效的研究。例如，在探头入射角小于第一临界角的范围内，赵仁顺将折射纵波斜射到钢管外壁产生的变型横波用于厚壁管内壁纵向裂纹检测(超厚壁钢管内壁缺陷的超声波探伤方法研究，检测技术，2010)，但该方法难以实现厚壁管内壁横向裂纹检测；蔡红生将斜探头产生的周向导波用于厚壁管缺陷检测(申请号：200910227225.X)，该方法效率较高，可以实现周向整个厚度范围厚壁管检测。但该方法难以实现管道中周向裂纹检测；周世元提出一种大口径厚壁管超声组合检测方法(申请号：201410083881.8)，利用纵波检测面积型缺陷，利用横波检测内外壁横向缺陷和外壁纵向缺陷检测，并通过进给装置控制检测系统的进给，实现对厚壁管道的整体检测，但该方法难以实现内壁纵向缺陷检测，且检测结果的可视性差。
发明内容
针对现有超声检测技术难以实现厚壁管道全体积自动、高精度损伤检测问题，本发明提出一种用于厚壁管全体积检测的超声内扫描成像方法，实现对厚壁管道全体积中不同类型缺陷的自动扫描检测与成像。
厚壁管全体积检测的超声内扫描成像方法的原理在于，通过自动扫描移动装置分别带动沿厚壁管轴向和周向激励的超声导波探头、沿管内壁轴向和周向激励的表面波探头及沿厚壁管径向激励的体波探头，实现厚壁管全体积内不同缺陷自动检测成像。即，利用沿厚管道周向传播的周向导波实现整个管道厚度的轴向较大缺陷检测，利用沿厚管道轴向传播的纵向导波实现整个管道厚度的周向较大缺陷检测，利用沿管道内壁周向传播的表面波实现管道内壁轴向微小缺陷检测，利用沿管道内壁轴向传播的表面波实现管道内壁周向微小缺陷检测，利用纵波探头实现厚壁管体及外壁较小缺陷检测。同时，对五种自动扫查方式获得的检测数据进行处理，将缺陷检测结果以三维图形方式显示。
本发明的优势在于，将周向和轴向传播的超声导波、周向和轴向传播的表面波及纵波自动扫描检测相结合，充分利用了各模式超声波的检测优势，即，超声导波技术的检测范围大、效率高，表面波对表面缺陷的高敏感性，高频纵波的高检测精度等，可以同时实现厚壁管全体积内不同缺陷的自动检测。因此，该方法的检测效率和缺陷识别精度高。同时，检测结果以三维图像形式显示，结果直观。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所采用的系统参见图1，一种用于厚壁管全体积检测的超声内扫描成像系统，该系统包括计算机(1)、超声激励接收仪(2)、电气控制箱(3)、超声波激励接收探头(4)、楔块(5)、厚壁管扫查器(6)、水泵(7)；计算机(1)与电气控制箱(3)之间通过信号线相连，气控制箱(3)与厚壁管扫查器(6)相连；计算机(1)通过厚壁管扫查系统控制模块设定各种参数并控制厚壁管扫查器(6)在厚壁管内运动；计算机(1)与超声激励接收仪(2)之间通过信号线相连，计算机(1)通过厚壁管扫查系统控制模块设定各种参数并控制超声激励接收仪(2)的硬件激励和接收超声波信号，同时对超声波信号进行处理；超声激励接收仪(2)的信号输出接收端信号线与超声波激励接收探头(4)相连；超声波激励接收探头(4)通过楔块(5)搭载在厚壁管扫查器(6)上，超声波激励接收探头(4)接收自身激励反射回来的超声波信号，超声波信号通过超声激励接收仪(2)处理，再将超声波信号送入计算机(1)的厚壁管扫查系统控制模块中进行存储与成像。
水泵(7)通过管道与厚壁管扫查器(6)上的楔块(5)相连；水泵(7)提供的水作为耦合剂，通过楔块(5)上的水流通道后到达楔块(5)与管道的耦合面。
所述超声波激励接收探头(4)安装在楔块(5)的底部，楔块(5)与厚壁管扫查器(6)通过卡头相连接。
所述的超声波激励接收探头(4)包括低频导波探头、表面波探头、纵波直探头。
本发明提出的厚壁管全体积检测的缺陷无损检测方法其具体检测方法步骤如下，
步骤一：通过厚壁管内径R1，楔块宽度p，计算得出楔块接触面弧度α等于α＝(4π/360)×arcsin(p/2R1)，依此设计楔块如附图3；
步骤二：检测系统搭建及参数设置；
(1)以厚壁管扫查系统为基础，搭建检测系统；
(2)信号参数设置：包括激励信号参数：激励电压、激励频率、激励周期、重复频率。接收信号参数：采样频率、采样点数、增益、直流偏置，通过计算机软件控制超声激励接收仪硬件系统将激励信号送入超声波激励接收探头(4)；
(3)搭载低频导波探头进行周向扫查，获取管道内壁轴向大面积缺陷的大致位置；搭载低频导波探头进行轴向扫查，获取管道周向大面积缺陷的大致位置；
(4)搭载表面波探头进行轴向、周向扫查获取管道内壁近表面缺陷大致位置；
(5)运动参数设置：根据导波与表面波探头扫查结果设置包括扫查起始点轴向位置与周向角度、扫查终点轴向位置与周向角度、扫查速度、轴向步进参数；
(6)时间窗参数设定：设定时间窗起始时间、结束时间；
步骤三：开始扫查，通过设定不同的运动参数以及时间窗范围，由厚壁管扫查器(6)搭载纵波直探头采集到厚壁管道不同区域的信号；
步骤四：根据提取截取时间窗内信号的幅值或时间特征；对扫查的厚壁管区域进行缺陷成像。
附图说明
图1检测装置原理图。
图2为超声波激励接收探头与楔块之间的连接关系图。
图3是本发明方法的实施流程图。
图4是楔块设计原则示意图。
图5是管道外壁典型信号。
图6是管道内壁典型信号。
图中：1、计算机，2、超声激励接收仪，3、电气控制箱、4、超声波激励接收探头，5、楔块、6、厚壁管扫查器、7、水泵。
具体实施方式
下面结合附图1-6对本发明中体波检测作进一步说明
步骤一：通过厚壁管内壁弧度以及探头搭载时对厚壁管的信号来设计楔块如附图:4所示：本文检测实验所用钢质厚壁管，管道长630mm，外径420mm，壁厚34mm。选用探头中心频率为5M的超声纵波直探头，其压电片尺寸为24mm×12mm，根据探头加载楔块后厚壁管回波设计楔块厚度为22.5mm，试件接触面设计为弧形，其弧度与管道内壁一致，基于楔块宽度p＝24mm，设计楔块-厚壁管接触面α＝0.016rad。
步骤二：检测系统搭建及参数设置；
(1)以厚壁管扫查系统为基础，根据附图1-2连接检测系统，并搭载表面波探头：
(2)信号参数设置：包括激励信号参数：本次实验选用激励电压100V、激励频率4700kHz、激励周期1、重复频率10Hz。接收信号参数：采样频率50MHz、采样点数2000、增益57dB、直流偏置0V。通过计算机软件控制UT350超声激励接收仪硬件系统将激励信号送入超声波激励接收探头(4)；
(3)扫查模式选择精扫，将纵波直探头搭载于楔块上，
(4)运动参数设置：包括扫查起始点轴向位置与周向角度、扫查终点轴向位置与周向角度、扫查速度、轴向步进，根据表面波粗扫结果选择轴向扫查范围从180cm到240cm，扫查角度范围从90°到120°，并设置直线扫查速度为30mm/s，周向扫查速度为5°/s，直线步进为3mm。
(5)时间窗参数设定：根据得到的A扫图如附图5设置时间窗范围；本次实验设定时间窗起始时间为0.023ms、结束时间为0.026ms；
步骤三：扫查结束后根据提取截取时间窗内信号的幅值或时间特征；选择幅值成像后对扫查的厚壁管外壁进行缺陷成像；获取扫查区域的外壁缺陷成像效果图。
步骤四：重复步骤二，根据A扫波形外壁缺陷回波位置重新设定时间窗；起始时间为0.0306ms，终点为0.0339ms，扫查结束后根据提取截取时间窗内信号的幅值或时间特征；选择幅值成像对扫查的厚壁管内壁进行缺陷成像；获取扫查区域的外壁缺陷成像效果图。
Claims (4)
1.一种用于厚壁管全体积检测的超声内扫描成像系统，其特征在于：该系统包括计算机(1)、超声激励接收仪(2)、电气控制箱(3)、超声波激励接收探头(4)、楔块(5)、厚壁管扫查器(6)、水泵(7)；计算机(1)与电气控制箱(3)之间通过信号线相连，气控制箱(3)与厚壁管扫查器(6)相连；计算机(1)通过厚壁管扫查系统控制模块设定各种参数并控制厚壁管扫查器(6)在厚壁管内运动；计算机(1)与超声激励接收仪(2)之间通过信号线相连，计算机(1)通过厚壁管扫查系统控制模块设定各种参数并控制超声激励接收仪(2)的硬件激励和接收超声波信号，同时对超声波信号进行处理；超声激励接收仪(2)的信号输出接收端信号线与超声波激励接收探头(4)相连；超声波激励接收探头(4)通过楔块(5)搭载在厚壁管扫查器(6)上，超声波激励接收探头(4)接收自身激励反射回来的超声波信号，超声波信号通过超声激励接收仪(2)处理，再将超声波信号送入计算机(1)的厚壁管扫查系统控制模块中进行存储与成像；
水泵(7)通过管道与厚壁管扫查器(6)上的楔块(5)相连；水泵(7)提供的水作为耦合剂，通过楔块(5)上的水流通道后到达楔块(5)与管道的耦合面。
2.根据权利要求1所述的一种用于厚壁管全体积检测的超声内扫描成像系统，其特征在于：所述超声波激励接收探头(4)安装在楔块(5)的底部，楔块(5)与厚壁管扫查器(6)通过卡头相连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于厚壁管全体积检测的超声内扫描成像系统，其特征在于：所述的超声波激励接收探头(4)包括低频导波探头、表面波探头、纵波直探头。
4.利用权利要求1所述的系统的一种用于厚壁管全体积检测的超声内扫描成像方法，其特征在于：本方法其具体步骤如下，
步骤一：通过厚壁管内径R1，楔块宽度p，计算得出楔块接触面弧度α等于α＝(4π/360)×arcsin(p/2R1)；
步骤二：检测系统搭建及参数设置；
(1)以厚壁管扫查系统为基础，搭建检测系统；
(2)信号参数设置：包括激励信号参数：激励电压、激励频率、激励周期、重复频率；接收信号参数：采样频率、采样点数、增益、直流偏置，通过计算机软件控制超声激励接收仪硬件系统将激励信号送入超声波激励接收探头(4)；
(3)搭载低频导波探头进行周向扫查，获取管道内壁轴向大面积缺陷的大致位置；搭载低频导波探头进行轴向扫查，获取管道周向大面积缺陷的大致位置
(4)搭载表面波探头进行轴向、周向扫查获取管道内壁近表面缺陷大致位置；
(5)运动参数设置：根据导波与表面波探头扫查结果设置包括扫查起始点轴向位置与周向角度、扫查终点轴向位置与周向角度、扫查速度、轴向步进参数；
(6)时间窗参数设定：设定时间窗起始时间、结束时间；
步骤三：开始扫查，通过设定不同的运动参数以及时间窗范围，由厚壁管扫查器(6)搭载纵波探直头采集到厚壁管道不同区域的信号；
步骤四：根据提取截取时间窗内信号的幅值或时间特征；对扫查的厚壁管区域进行缺陷成像。
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