CN105911145B - 一种换热器管板角焊缝超声相控阵检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种换热器管板角焊缝超声相控阵检测方法和装置。目的是提供的测方法应可实现换热器管板角焊缝纵向和周向自动检测，并且检测方法简单，检测结果精确；该检测装置应结构简单，实用性强。技术方案是：一种换热器管板角焊缝超声波自动检测方法；按如下步骤进行：1)将超声相控阵面阵列探头伸入对应于角焊缝的换热管内并衬垫柔性可压缩楔块；2)对被检部位及柔性可压缩楔块施加水；3)轴向采用扇形扫描。一种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置；包括超声相控阵面阵列探头、包覆在面阵列探头外圆周面的柔性可压缩楔块、用于将面阵列探头固定在探测位置的探头固定装置以及对面阵列探头传递的信号进行处理并形成图像的超声波检测仪。

Description

一种换热器管板角焊缝超声相控阵检测方法和装置
技术领域
本发明涉及一种超声检测方法和装置。具体是换热器管板角焊缝超声相控阵面阵列检测方法和装置。
背景技术
换热器的换热管与管板之间采用焊接或胀接加焊接的形式，焊接接头的质量直接影响换热器的产品质量，尤其是大型石化设备所用的高温、高压式换热器中的角焊缝的质量。由于这种换热器具有上千根换热管，换热管的直径往往较小且排列紧凑，因此对于角焊接的焊接要求很高，这些角焊缝的质量决定了整台换热器的安全性能。但是，目前国内对于换热器角焊缝的检测主要是利用水、气体等进行泄露检测，无法对焊缝内部的夹渣、气孔等缺陷进行检测，而角焊缝的内部缺陷会在高温、高压、强腐蚀等情况下易造成装置泄露，发生事故。所以，在换热器的制造过程中以及运行时需要对角焊缝进行检验，对角焊缝的无损检测就是最重要的检验步骤之一。
换热器管角焊缝的无损检测主要有射线检测、超声检测、磁粉检测和渗透检测。但磁粉检测和渗透检测无法探测出焊缝内部缺陷，常规射线检测灵敏度较低。超声探伤具有操作方便、分辨率高、成本低、适应面广等优点，特别是对角焊缝此类的特殊结构适用性强，具有其它无损检测仪器不能替代的特点。目前国内的部分研究机构采用双晶聚焦探头(内部由两个单探头组成，一个用于发射信号，一个用于接收信号)对换热器管板角焊缝进行超声检测，结合超声检测技术、计算机技术、机械传动技术，使检测自动化、图象化，明显提高了检测速度和精度，如重庆大学谢志江、方祯云研制了管子-管板角焊缝自动超声波检测系统，该系统采用计算机控制扫描机械手扫描管子-管板角焊缝并采集相应的超声回波信号，经过一定的处理后显示和打印图形化结果，系统硬件主要包括机械扫描装置、接口电路、多功能数据采集卡和笔记本计算机，为了检测焊缝内部的缺陷，使用微型双晶聚焦探头伸入管子内壁发射和接收超声波，根据回波特征判定焊缝内部质量。荷兰斯太米卡邦公司开发了的换热器管子-管板角焊缝超声波自动检测成套仪器，其技术思路是采用微型双晶片聚焦探头，伸入管口内向角焊缝区做360°周向扫描检查，探头表面的有机玻璃延迟块为凸弧形，以满足不同曲率换热管的检测要求。但上述几种超声检测自动检测装置采用的双晶聚焦探头检测时轴向扫查和周向扫查均采用机械方式，检测效率明显低于电子方式扫查。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提出一种换热器管板角焊缝超声相控阵面阵列检测方法和装置，该检测方法应可实现换热器管板角焊缝纵向和周向自动检测，并且检测方法简单，检测结果精确；该检测装置应结构简单，实用性强。
本发明提供的技术方案是：
一种换热器管板角焊缝超声波自动检测方法；按如下步骤进行：
1)将表面安装着晶片的超声相控阵面阵列探头伸入对应于角焊缝的换热管内，并在面阵列探头与换热管内壁之间衬垫柔性可压缩楔块；
2)对被检部位及柔性可压缩楔块施加作为耦合剂的水；
3)轴向采用扇形扫描，由面阵列探头中平行于轴线的8个晶片为一扫描组按照设定法则进行，沿着面阵列探头的圆周方向排列着同时进行扇形扫描的128个扫描组；
周向采用电子线形扫查，以面阵列探头中环绕于圆周方向的128个晶片为一个扫查单元按照预定规则进行，沿着面阵列探头的母线方向排列着同时进行电子线形扫查的8个扫查单元；
超声波检测仪对位置信息和超声信息进行处理，实时形成A、S、B、C、3D多种扫查图像。
所述扇形扫描的方法是：
设定扇形扫描左右偏转角度和聚焦深度，8个晶片发生的超声波声束相聚在钢工件内的最左端焦点，然后按设定的参数向右沿平行于轴线的方向进行扇形扫查，最终相聚在在最右端焦点，再返回向左沿平行于轴线的方向进行扇形扫查，在左右焦点之间周而复始地进行扇形扫查。
所述周向采用电子线形扫查的方法是：
1)按照相邻连续排列的8个晶片为一个阵元组，将周向依序连续编号的128个晶片分为128阵元组；即1号至8号晶片为第一阵元组，2号至9号晶片为第二阵元组……128号至7号晶片为第一百二十八阵元组；
2)每个阵元中，8个晶片发出的超声波声束经过柔性可压缩楔块，再经过耦合剂进入钢工件相聚在焦点；
3)电子扫射依序从第一阵元组开始，直至第一百二十八阵元组为一个循环；
后一序号阵元组的激发扫射时间均较前一序号阵元组的激发扫射时间提前，提前激发时间τm的计算公式为：
式中：R为圆柱形探头半径，
F凹面新波阵面曲率半径；
θm为第m号阵元中心和探头圆心的连线与阵元组中心线之间的夹角；
d为相邻晶片的距离，m＝1、2、3、4、…128；
C1为超声波在钢材中的传播速度(常数)
c2为超声波在柔性可压缩楔块中的传播速度(常数)
H为楔块厚度，H‘为焊缝外边缘至管子内表面的距离
一种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置；包括表面安装着晶片的超声相控阵面阵列探头、包覆在面阵列探头外圆周面的柔性可压缩楔块、用于将面阵列探头固定在探测位置的探头固定装置以及对面阵列探头传递的信号进行处理并形成图像的超声波检测仪。
所述面阵列探头中的晶片排列成8χ128阵列，其中轴向为8行，周向为128列。
所述柔性可压缩楔块的直径稍大于换热管内径，其中插入端一侧为圆锥面过渡，小端圆锥面处直径小于换热管内径，以方便插入换热管。
所述柔性可压缩楔块为材料为软橡胶，其声速与声阻抗与水接近。
该检测装置还装有把手。
本发明提供的检测方法可有效解决声波衰减过多使回波太弱的问题，一次便完成整个角焊缝的检测，通过信号控制与处理系统控制与处理位置信息和超声信息，从而实现A、S、B、C、3D等多种扫描实时成像，不但检测结果快速可靠，而且检测方法简便。所提供的检测装置结构简单，制作要求不高，实用性强。
附图说明
图1为热器管板角焊缝检测装置示意图。
图2为面阵列探头晶片排布图。
图3为面阵列探头超声轴向扇形扫查示意图(面阵列探头的轴线水平布置于纸面)。
图4为面阵列探头超声周向电子线形扫查示意图(面阵列探头的轴线垂直布置于纸面)。
图5为面阵列探头超声周向电子线形扫查聚焦法则计算示意图。
图6为面阵列探头超声周向电子线形扫查聚焦法则简易计算原理图。
图7为焊接良好的管板角焊缝超声信号示意图。
图8为带缺陷的管板角焊缝超声信号示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
换热器的换热管与管板之间通常采用焊接形式(典型的结构参见图1)，换热器的管板7和换热管9之间形成角焊缝8。热器管板角焊缝检测装置示意如图1所示，检测装置包括超声波检测仪4、面阵列探头1、柔性可压缩楔块(以下简称柔性楔块)2、探头固定装置6、探头数据线3、把手5；其中面阵列探头表面安装着形成超声相控阵面阵列的晶片，柔性楔块(优选为软橡胶，其声速与声阻抗与水接近)包覆在阵列探头的外圆周面，探头固定装置(常规装置)用于将阵列探头固定在探测位置。
对换热器管板角焊缝进行超声检测的关键是超声波面阵列探头必须伸入管内检测，由于换热管直径较小，本发明采用的密布晶片的面阵列相控阵列技术，伸入管口内向角焊缝区做一次性360°检查，控制并调节检测焦距，使之能有效检测不同深度位置的缺陷。
换热器管板角焊缝超声相控阵检测方法原理为：针对常规的换热器管板角焊缝规格尺寸，研制密布晶片的面阵列圆柱形相控阵探头，面阵列探头的晶片10排布成8χ128阵列(如图2所示)，其中轴向为8行(每行128个晶片周向360°均匀排布)，周向为128列(每列8个晶片均匀排布)。根据换热管被检材料的声学特性，采用水作为耦合剂。采用超声扫描技术，轴向采用电子扇形扫描，周向采用电子线形扫查。
轴向电子扇形扫描示意如图3所示；设定扇形扫描左右偏转角度和聚焦深度(为超声波检测仪的常规功能)，晶片发出的超声波声束11经过柔性楔块12，柔性楔块的声阻抗与水相近，柔性楔块和钢工件2之间有水作为耦合剂，这样可不考虑耦合剂声阻抗的影响，8个晶片发生的声束相聚在钢工件内的最左端焦点15，然后按设定的参数向右进行扇形扫查14，最终相聚在在最右端焦点13，再返回向左进行扇形扫查14，在左右焦点之间周而复始地进行扇形扫查。
面阵列探头超声周向电子线形扫查示意见图4所示，设计相应的聚焦法则使控制面阵列圆柱形相控阵探头沿周向排列的128个晶片，其中以编号为1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号相邻8个晶片作为一个阵元组，使每个晶片发出的超声波声束11经过柔性楔块2，再经过耦合剂进入钢工件12，8个晶片发生的声束在钢工件相聚在焦点16，然后按相同的聚焦法则激发编号为2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号、9号的第2阵元组的晶片，相聚在相邻的焦点17，这样依次作电子线形扫查，直至完成整个360°一圈。
面阵列探头超声周向电子线形扫查聚焦法则计算原理如图5所示，晶片发出的超声波声束经过柔性楔块和耦合剂水，由于柔性楔块的声阻抗与水相近，这样可不考虑耦合剂声阻抗的影响，只考虑楔块/钢二层介质近场球面波束形成模型，在平面坐标系XOY中，直线r1、r2、…、rm为超声波在钢中的传播路径，直线l1、l2、…、lm为超声波在水耦合剂中的传播路径。设A(x,y)为聚焦点(回波声源)坐标位置，C(xm,ym)为第m号阵元(即晶片)的坐标值，B(x′m,y′m)为入射到第m号阵元的声波折射点坐标。O(x0,y0)为参考点，D(x′0,y′0)为聚焦点到楔块/钢界面的最短距离对应的点，α、β是第m号阵元接收的由钢界面入射到楔块时的入射角与反射角，c1是超声波纵波在钢中的传播速度，c2是超声波在楔块中的传播速度，r0是钢中超声传播的最短距离，l0是楔块中超声传播的最短距离，由此求得第m号阵元的延时时间τm。
由于本发明采取声束不偏转聚焦，故位于参考点两边的相控阵列阵元信号的延时量相等，即：τ1＝τ-1，τ2＝τ-2，…，τm＝τ-m。因此，仅需要计算右边阵元的信号延时量。
以O为参考点，则第m阵元的信号延时量为：
超声波经界面折射，由折射率公式可得：
sinα/sinβ＝c1/c2 (2)
超声波在钢中传播的距离AB为：
超声波在楔块中传播的距离BC为：
由于AD、OD、c1、c2已知，当m值确定时，利用计算机建模求解可解得A、B、C、D坐标值，代入式(1)可得第m阵元延时值τm。
记第m阵元接收信号为ym(t)，则超声相控阵列波束形成输出为：
作为上述数学方程的近似，本发明基于超声相控阵原理，设计了换热器管板角焊缝面阵列探头超声周向电子线形扫查简单可行的聚焦法则，如图6所示；当用聚焦探头探测钢工件时，在水中和钢中各有一次聚焦作用，设探头至楔块/钢界面的距离为H，如果聚焦探头声束在钢中的实际焦点至楔块/钢界面的距离为H‘。则聚焦探头所需的在楔块中的焦距F为：
在图6所示的平面坐标系XOY中，相控阵探头通过延时发射，使得原半径为R的圆柱形阵元，形成为曲率半径为F的凹面新波阵面，可以求得第m号阵元的延时时间τm。
式中：R为圆柱形探头半径，
F凹面新波阵面曲率半径，
AC为A、C两点的坐标距离，
θm为第m号阵元中心和探头圆心的连线与阵元组中心线之间的夹角。
同样可以求得第m-1号阵元的延时时间τm-1为：
θm-1为第m-1号阵元中心和探头圆心的连线与阵元组中心线之间的夹角
以上述计算的延时时间作为各阵元提前激发时间，形成聚焦法则激发第-m至m阵元组，形成在钢中焦点为A1’的聚焦声束，完成扫描后以同样的聚焦法则激发第-(m-1)至m+1阵元组,形成在钢中焦点为A2’的聚焦声束，依此类推，直到激发第-(m+1)至m-1阵元组，从而完成整个圆周向的电子线扫描。
超声相控阵检测时，如焊缝中无缺陷，超声波的入射和反射情况如图7所示，探头发生的超声波18经楔块碰到管子内壁，形成界面反射波20和透射波19，界面反射波20返回被探头接收；透射波19在管子中前行，在管子和管板未焊接处(如管子端部和管子焊缝下部分)超声波会碰到管子外壁，形成管子外壁/空气界面反射波21，此反射波会被探头接收，因此在仪器A形显示上有始波22管子内壁反射回波23、管子外壁反射回波24。然而在管子和管板连接部位，由于焊缝和母材的声阻抗几乎相等，超声波会继续前行，不会形成反射回波，因此在仪器A形显示上只有始波22和管子内壁反射回波23，在焊缝下面的未焊接部位有始波22、管子内壁反射回波23和管子外壁反射回波24显示，但在焊接部位只有始波22和管子内壁反射回波23显示。
如焊缝中存在缺陷，超声波的入射和反射情况如图8所示，未焊接部位的超声波的入射和反射与图7相同，但透射波19碰到缺陷27时会形成缺陷反射波25，此反射波会被探头接收，因此在仪器A形显示上存始波22、管子内壁反射回波23和缺陷反射回波26。
下面以管板厚度为30mm、换热管规格为Φ32×3.5、焊缝深度为4mm的换热器管板角焊缝检测，说明本发明的实施方法：
采用8×128高频、晶片、圆周面阵列超声相控阵探头，在圆柱形相控阵探头轴向均匀排布8行晶片，在圆柱形相控阵探头周向360°均匀排布128列晶片，探头公称频率为10MHz，晶片规格为0.4×0.4mm，在检测前制作同规格的换热器管板角焊缝缺陷试样，根据试验确定面阵列超声相控阵超声检测具体工艺参数，如检测灵敏度、左右扇形扫查角度、扇形扫查焦距、电子线扫查主动孔径、电子线扫查焦距等。检测时开通面阵列超声相控阵超声检测仪，按试验确定的工艺参数对仪器进行设定，对待检测的换热器管板角焊缝管子内表面喷水，使管子内表面探头接触面保持润湿状态，手持把手5将面阵列探头1连同柔性楔块2伸入管内，通过调整探头固定装置6保证面阵列探头晶片位置对准管板角焊缝，同时启动超声相控阵仪器的扫描开始，由于轴向采用电子扇形扫描，周向采用电子线形扫查，两者的扫描时间极短，会在仪器屏幕上立即呈现完整的扫描图像。根据分析软件可对图像中的缺陷进行位置测量、缺陷大小测定等。系统记录位置信息和超声信息，并根据需要实时形成A、S、B、C、3D等多种扫查图像，扫描完成后对检测图像进行保存，用适当的方法对焊口进行标记，标记与检测图像记录应有可追溯性，这样一个完整的焊口便完成检测，然后再检测另一个焊口，直至换热器管板角焊缝所有需要检测的焊口完成检测。
本发明针对换热器管板角焊缝设计了专用的相控阵面阵列探头能快速、精确地实现换热器管板角焊缝的超声检测，实时形成A、S、B、C、3D等多种扫查图像，具有广阔的推广应用前景。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种换热器管板角焊缝超声波自动检测方法，按如下步骤进行：
1)将表面安装着晶片的超声相控阵面阵列探头(1)伸入对应于角焊缝的换热管(9)内，并在面阵列探头与换热管内壁之间衬垫柔性可压缩楔块(2)；
2)对被检部位及柔性可压缩楔块施加作为耦合剂的水；
3)轴向采用扇形扫描，由面阵列探头中平行于轴线的8个晶片为一扫描组按照设定法则进行，沿着面阵列探头的圆周方向排列着同时进行扇形扫描的128个扫描组；
周向采用电子线形扫查，以面阵列探头中环绕于圆周方向的128个晶片为一个扫查单元按照预定规则进行，沿着面阵列探头的母线方向排列着同时进行电子线形扫查的8个扫查单元；
超声波检测仪对位置信息和超声信息进行处理，实时形成A、S、B、C、3D多种扫查图像；
所述扇形扫描的方法是：
设定扇形扫描左右偏转角度和聚焦深度，8个晶片发生的超声波声束相聚在钢工件内的最左端焦点(15)，然后按设定的参数向右沿平行于轴线的方向进行扇形扫查(14)，最终相聚在在最右端焦点(13)，再返回向左沿平行于轴线的方向进行扇形扫查，在左右焦点之间周而复始地进行扇形扫查；
所述周向采用电子线形扫查的方法是：
1)按照相邻连续排列的8个晶片为一个阵元组，将周向依序连续编号的128个晶片分为128阵元组；即1号至8号晶片为第一阵元组，2号至9号晶片为第二阵元组……128号至7号晶片为第一百二十八阵元组；
2)每个阵元中，8个晶片发出的超声波声束经过柔性可压缩楔块，再经过耦合剂进入钢工件相聚在焦点；
3)电子扫射依序从第一阵元组开始，直至第一百二十八阵元组为一个循环；
后一序号阵元组的激发扫射时间均较前一序号阵元组的激发扫射时间提前，提前激发时间τm的计算公式为：
式中：R为圆柱形探头半径，
F为凹面新波阵面曲率半径；
θm为第m号阵元中心和探头圆心的连线与阵元组中心线之间的夹角；
c2为超声波在柔性可压缩楔块中的传播速度；
d为相邻晶片的距离，m＝1、2、3、4、…128。
2.一种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置；包括表面安装着晶片(10)的超声相控阵面阵列探头(1)、包覆在面阵列探头外圆周面的柔性可压缩楔块(2)、用于将面阵列探头固定在探测位置的探头固定装置(6)以及对面阵列探头传递的信号进行处理并形成图像的超声波检测仪(4)；
所述面阵列探头中的晶片排列成8×128阵列，其中轴向为8行，周向为128列；
所述柔性可压缩楔块的直径稍大于换热管内径，其中插入端一侧为圆锥面过渡，小端圆锥面处直径小于换热管内径，以方便插入换热管；
所述柔性可压缩楔块材料为声速与声阻抗与水接近的软橡胶。
3.根据权利要求2所述的换热器管板角焊缝超声波自动检测装置，其特征在于：该检测装置还装有把手(5)。
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