CN108535357B - 一种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法 - Google Patents

一种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法 Download PDF

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Abstract

一种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法，将两个多角度超声探头分别放置在待测管道焊缝的两侧，并沿待测管道的周向进行等距离的线性扫查，获得每道声线的焊缝检测数据；确定缺陷的零点，并通过各个焊缝检测数据分别计算缺陷各个点的垂直距离、水平距离以获得缺陷位置。通过确定缺陷的零点、声线入射角，并依据一次波的直线方程、二次波的直线方程，对缺陷每个点的位置进行独立计算，解决了多角度超声探头各道声线的入射起点、入射角均不相同的问题，只要将所有点集合起来就形成焊缝中缺陷的位置和大小，从而使焊缝缺陷检测率更高、结果更直观，保证法兰和弯头焊缝的质量检测，大大提高了工作效率和缺陷检出能力。

Description

一种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法
技术领域
本发明涉及管道焊缝缺陷位置计算方法，尤其涉及一种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法。
背景技术
根据我国石油化工行业现行法规和标准的要求，对油气管道安装和修复过程中形成的焊缝需要进行无损检测，以保证管道焊接的质量。
超声波检测技术因其操作简便快速，对裂纹、未熔合等危害性缺陷检测灵敏度高的特点，作为主要检验手段在石油化工行业管道焊接工程中得到了广泛应用。石油化工装置中存在大量的异种结构型式管道焊缝，如法兰或弯头与直管之间形成的焊缝，根据国家和行业超声检测标准规定，任何异种结构型式管道焊缝的焊缝质量一般按单面双侧方法进行检测。但因异种结构型式管道焊缝的结构和尺寸限制，超声波探头无法在异种结构型式管道焊缝两侧自由活动，为了满足焊缝全检测要求，单角度超声波探头在法兰侧或弯头侧，需来回移动作锯齿型扫查，这就对所采用的扫查系统提出了更高要求，需具备锯齿型扫查能力，并且由于法兰和弯头结构形状和尺寸限制，法兰和弯头侧的超声波探头可移动空间狭小，这种扫查方式大大增加了操作复杂性，实用性低，另外对于弯头来说，弯头内侧曲率变化大，超声波探头与弯头表面可能存在间隙，导致超声波探头与弯头表面耦合不良。
例如，一种用于管道-法兰角焊缝的超声检测扫查装置（公告号：CN 104297341A），为了避开法兰的结构形状对机构的影响，将扫查装置放置于法兰内部，从其内部进行检测（法兰内部为通孔）。虽然这种方式可以实现单面双侧检测，但在实际应用中确存在以下问题：
a)法兰内孔尺寸较小时无法适用，应用范围有限；
b)受结构形状对扫查系统的影响，锯齿型扫查干涉明显；
c)使用时扫查装置被放置于法兰内部，装配和操作过程不够直观方便；
d)使用时需保证法兰端面不与其他物体接触，使用要求高，不够便捷；
e)检修或保养时需停机并拆除法兰后方能进行，操作成本过高，可操作性较低。
又如，一种双通道弯道焊缝超声波检测扫查器（公布号：CN 104777223 A），其在常规扫查装置的基础上，增加探头架的上下活动行程，减小楔块长度尺寸以保证探头能够与弯头工件的内外弧度紧密贴合。另外，在楔块宽度方向增加4个可调螺钉，目的是减少探头在扫查过程中出现摆动或翻转的情况，避免耦合不良。但从实际应用方面考虑，该扫查架存在以下问题：
a)整体尺寸偏大，仅适用于较大管径的工件（该专利适用的最小管径为Φ219mm）；
b)受结构形状对扫查系统的影响，锯齿型扫查干涉明显；
c)高度过大，现场条件无法满足操作空间要求；
d)探头架容易与工件内弧发生物理上的碰撞、卡住等干涉；
e)工件表面曲率大于理论曲率时，由于受到可调螺钉的限制，楔块将无法与工件表面紧密贴合，造成耦合不良。
因此，作业人员往往只能退而求其次，仅在异种结构型式管道焊缝单侧放置超声波探头按单面单侧方法进行检测，但该方法很难保证焊缝质量检测，且不符合国家标准要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法，这种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法能够提高法兰和弯头焊缝的检测质量，提高了工作效率和缺陷检出能力。采用的技术方案如下：
一种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法，其特征在于：将多角度双侧超声扫查装置的两个多角度超声探头分别放置在待测管道焊缝的两侧，并沿待测管道的周向进行等距离的线性扫查，获得每道声线的焊缝检测数据；确定缺陷的零点，并通过各个焊缝检测数据分别计算缺陷各个点的垂直距离、水平距离以获得缺陷位置，其中，垂直距离以直管管壁的上表面为零点，当缺陷位置处于零点下方时记为正值，当缺陷位置处于零点上方时记为负值，水平距离以多角度超声探头的前沿为零点，当缺陷位置处于多角度超声探头前方时记为正值，当缺陷位置处于多角度超声探头后方时记为负值。
作为本发明的优选方案，所述缺陷位置的计算具体为：以法兰/弯管上表面中点作为二维坐标系的原点，根据法兰/弯管的参数和多角度超声探头的位置确定声线入射起点，再根据声线入射角度得到一次波的直线方程；根据反射定律得出二次波的直线方程；根据已知的缺陷声程以及一次波的直线方程、二次波的直线方程可得到缺陷点的坐标位置，坐标的y值即为所述的垂直距离，再由坐标的x值加上多角度超声探头前沿的坐标位置得出所述的水平距离。
上述缺陷声程为一个代表长度的常数，可根据实验直接测出。
作为本发明进一步的优选方案，所述声线入射起点、一次波的直线方程、二次波的直线方程按工件为法兰、弯管两种情况分别计算；
在工件为法兰的情况下：
声线入射起点为一次波起点位置，以法兰的焊缝中心点为原点，其具体位置为：
P1(p1x, p1y)=(rl, -
Figure 673443DEST_PATH_IMAGE001
)；
一次波终点位置为：P2(p2x, p2y) = (p1x+ sin(ang1)*(S+rh), -S)；
一次波所在直线的斜率为： k = tan(ang1)；
一次波所在直线的截距为： b = p1y – k *p1x；
一次波的直线方程为： y = k*x + b ；
根据折射定律和一次的波直线方程得出二次波的直线方程为： y = k2*x +b2；
上述各参数中：rl为入射点距离法兰焊缝中心的水平距离；rh为入射点距离待测管道水平表面的垂直距离 ；Hf为 法兰高度 ；A为 待测管道外径 ；Cf为 法兰厚度 ；H1为法颈长度 ；k2为 -k ；b2为 p2y-k2*p2x ；ang1为 一次波声线与垂直方向的夹角 ；S为缺陷声程，根据实验直接测出；
在工件为弯头的情况下：
声线入射起点为一次波起点位置，以弯头的焊缝中心点为原点，其具体位置为：
P1(p1x, p1y) = (-rl, rh)；
一次波所在直线的斜率k = tan(ang1)；
一次波所在直线的截距b = p1y – k *p1x；
一次波的直线方程为：y = k*x + b ；
弯管底面圆弧所在圆
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
一次波直线与圆弧交点水平位置：
Figure 590583DEST_PATH_IMAGE003
；
上述xx取较大值，如果 xx < 0 则一次波终点在圆弧上；
一次波终点的位置为：P2(p2x, p2y) = (xx, k*xx+b)；
根据上述一次波终点的位置和一次波的直线方程可得出二次波的直线方程为：
y= -k*x + p2y-k2*p2x ；
上述各参数中：rl为入射点距离弯管焊缝中心的水平距离；rh为入射点距离待测管道水平表面的垂直距离；T为 待测管道的厚度 ；C为 焊缝根部间隙 ； k2为 -k ；b2为p2y-k2*p2x ；ang1为一次波声线与垂直方向的夹角；ur为弯管表面半径， ur = Hw / sin(45) – D / 2；S为缺陷声程，根据实验直接测出。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
这种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法在等距离线性扫查基础上，通过确定缺陷的零点、声线入射角，并依据一次波的直线方程、二次波的直线方程，对缺陷每个点的位置进行独立计算，解决了多角度超声探头各道声线的入射起点、入射角均不相同的问题，只要将所有点集合起来就形成焊缝中缺陷的位置和大小，从而使焊缝缺陷检测率更高、结果更直观，保证法兰和弯头焊缝的质量检测，大大提高了工作效率和缺陷检出能力。
附图说明
图1是法兰焊缝的单面双侧多角度超声检测的示意图；
图2是弯头焊缝的单面双侧多角度超声检测的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。
这种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法，将多角度双侧超声扫查装置的两个多角度超声探头分别放置在待测管道焊缝的两侧，并沿待测管道的周向进行等距离的线性扫查，获得每道声线的焊缝检测数据；确定缺陷的零点，并通过各个焊缝检测数据分别计算缺陷各个点的垂直距离、水平距离以获得缺陷位置，其中，垂直距离以直管管壁的上表面为零点，当缺陷位置处于零点下方时记为正值，当缺陷位置处于零点上方时记为负值，水平距离以多角度超声探头的前沿为零点，当缺陷位置处于多角度超声探头前方时记为正值，当缺陷位置处于多角度超声探头后方时记为负值。
上述缺陷位置的计算具体为：以法兰/弯管上表面中点作为二维坐标系的原点，根据法兰/弯管的参数和多角度超声探头的位置确定声线入射起点，再根据声线入射角度得到一次波的直线方程；根据反射定律得出二次波的直线方程；根据已知的缺陷声程以及一次波的直线方程、二次波的直线方程可得到缺陷点的坐标位置，坐标的y值即为所述的垂直距离，再由坐标的x值加上多角度超声探头前沿的坐标位置得出所述的水平距离。
上述声线入射起点、一次波的直线方程、二次波的直线方程按工件为法兰、弯管两种情况分别计算；
如图1所示，在工件为法兰的情况下：
声线入射起点为一次波起点位置，以法兰的焊缝中心点为原点，其具体位置为：
P1(p1x, p1y) = (rl, -
Figure 901479DEST_PATH_IMAGE001
)；
一次波终点位置为：P2(p2x, p2y) = (p1x+ sin(ang1)*(S+rh), -S)；
一次波所在直线的斜率为： k = tan(ang1)；
一次波所在直线的截距为： b = p1y – k *p1x；
一次波的直线方程为： y = k*x + b ；
根据折射定律和一次的波直线方程得出二次波的直线方程为： y = k2*x +b2；
上述各参数中：rl为入射点距离法兰焊缝中心的水平距离；rh为入射点距离待测管道水平表面的垂直距离；Hf为 法兰高度 ；A为 待测管道外径 ；Cf为 法兰厚度 ；H1为法颈长度 ；k2为 -k ；b2为 p2y-k2*p2x ；ang1为 一次波声线与垂直方向的夹角 ；S为缺陷声程，根据实验直接测出；
如图2所示，在工件为弯头的情况下：
声线入射起点为一次波起点位置，以弯头的焊缝中心点为原点，其具体位置为：
P1(p1x, p1y) = (-rl, rh)；
一次波所在直线的斜率 k = tan(ang1)；
一次波所在直线的截距 b = p1y – k *p1x；
一次波的直线方程为： y = k*x + b ；
弯管底面圆弧所在圆
Figure 296688DEST_PATH_IMAGE002
；
一次波直线与圆弧交点水平位置：
Figure 111061DEST_PATH_IMAGE003
；
上述xx取较大值，如果 xx < 0 则一次波终点在圆弧上；
一次波终点的位置为：P2(p2x, p2y) = (xx, k*xx+b)；
根据上述一次波终点的位置和一次波的直线方程可得出二次波的直线方程为：
y= -k*x + p2y-k2*p2x ；
上述各参数中：rl为入射点距离弯管焊缝中心的水平距离；rh为入射点距离待测管道水平表面的垂直距离；T为 待测管道的厚度 ；C为 焊缝根部间隙；k2为-k；b2为p2y-k2*p2x；ang1为一次波声线与垂直方向的夹角；ur为弯管表面半径，ur=Hw/sin(45)–D/2；S为缺陷声程，根据实验直接测出。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其各部分名称等可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于超声检测焊缝缺陷的缺陷位置计算方法，其特征在于：将多角度双侧超声扫查装置的两个多角度超声探头分别放置在待测管道焊缝的两侧，并沿待测管道的周向进行等距离的线性扫查，获得每道声线的焊缝检测数据；确定缺陷的零点，并通过各个焊缝检测数据分别计算缺陷各个点的垂直距离、水平距离以获得缺陷位置，其中，垂直距离以直管管壁的上表面为零点，当缺陷位置处于零点下方时记为正值，当缺陷位置处于零点上方时记为负值，水平距离以多角度超声探头的前沿为零点，当缺陷位置处于多角度超声探头前方时记为正值，当缺陷位置处于多角度超声探头后方时记为负值；缺陷位置的计算具体为：以法兰上表面中点作为二维坐标系的原点，根据法兰的参数和多角度超声探头的位置确定声线入射起点，再根据声线入射角度得到一次波的直线方程；根据反射定律得出二次波的直线方程；根据已知的缺陷声程以及一次波的直线方程、二次波的直线方程可得到缺陷点的坐标位置，坐标的y值即为所述的垂直距离，再由坐标的x值加上多角度超声探头前沿的坐标位置得出所述的水平距离；声线入射起点、一次波的直线方程、二次波的直线方程按工件为法兰的情况计算如下：
声线入射起点为一次波起点位置，以法兰的焊缝中心点为原点，其具体位置为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
一次波终点位置为：P2(p2x,p2y)=(p1x+sin(ang1)*(S+rh),-S)；
一次波所在直线的斜率为：k=tan(ang1)；
一次波所在直线的截距为：b=p1y–k*p1x；
一次波的直线方程为：y=k*x+b；
根据折射定律和一次波的直线方程得出二次波的直线方程为：y=k2*x+b2；
上述各参数中：rl为入射点距离法兰焊缝中心的水平距离；rh为入射点距离待测管道水平表面的垂直距离；Hf为法兰高度；A为待测管道外径；Cf为法兰厚度；H1为法颈长度；k2为-k；b2为p2y-k2*p2x；ang1为一次波声线与垂直方向的夹角；C为焊缝根部间隙，S为缺陷声程，根据实验直接测出。
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