CN109239184B - 一种管座角焊缝超声相控阵检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管座角焊缝超声相控阵检测方法，包括：采用两轴扫查方式对待检测的管座角焊缝工件按逆时针方向进行断面扫查，获取至少一个当前扫查断面下的扇扫成像图；以支管的中轴线为y轴，且以母管的中轴线和支管的中轴线的交点为坐标原点在当前扫查断面建立直角坐标系，分别构建当前扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线解析方程；根据相贯线解析方程，在每个扇扫成像图上绘制当前扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线，并根据相贯线分析管座角焊缝工件的缺陷情况。本发明通过在扇扫成像图上绘制管座角焊缝工件与当前扫查断面的相贯线，从而能够准确地根据相贯线分析管座角焊缝工件的缺陷情况。

Description

一种管座角焊缝超声相控阵检测方法

技术领域

本发明涉及焊缝无损探伤领域，具体涉及一种管座角焊缝超声相控阵检测方法。

背景技术

管座角焊缝是一种常见结构，在锅炉设备、核电管道、石油管道等领域中均有大量使用。由于该结构容易形成应力集中的情况，如果存在焊接缺陷，在使用过程中就极易发生扩展而导致焊缝开裂失效。因此在使用时，需要对管座角焊缝内部的缺陷进行检测。

在实际的检测过程中，由于管座角焊缝本身的几何结构非常复杂，采用常规超声相控阵检测方法很难准确、有效地对其进行无损检测，无法准确地确定缺陷的位置。而且，支管插入部分的端头容易产生端角反射，会给正常缺陷的检测分析带来干扰，容易导致漏检和误检。因此，对于管座角焊缝的超声相控阵无损检测来说，如何准确地判断缺陷的位置，以及区分哪些是真实缺陷、哪些是端角反射一直是无损检测的一个难点。

发明内容

本发明实施例提供一种管座角焊缝超声相控阵检测方法，以解决现有技术中超声相控阵无损检测方法中无法准确地判断缺陷的位置，以及区分哪些是真实缺陷、哪些是端角反射的问题。

本发明实施例提供一种管座角焊缝超声相控阵检测方法，包括：

采用两轴扫查方式对待检测的管座角焊缝工件按逆时针方向进行断面扫查，获取至少一个当前扫查断面下的扇扫成像图；其中，用于断面扫查的探头的初始位置为母管的中轴线和支管的中轴线所在平面的左侧位置；

以所述支管的中轴线为y轴，且以所述母管的中轴线和所述支管的中轴线的交点为坐标原点在当前扫查断面建立直角坐标系，分别构建当前扫查断面与所述管座角焊缝工件的相贯线解析方程；

根据所述相贯线解析方程，在每个所述扇扫成像图上绘制当前扫查断面与所述管座角焊缝工件的相贯线，并根据所述相贯线分析所述管座角焊缝工件的缺陷情况。

作为本发明的优选方式，采用两轴扫查架和所述探头实现对所述管座角焊缝工件的断面扫查，其中所述两轴扫查架包括旋转轴和水平轴，所述旋转轴的下端连接所述探头，所述旋转轴的上端连接所述水平轴的一端，所述水平轴的另一端连接固定在所述支管上端的导轨并控制所述探头与所述支管外表面之间的距离，所述探头在所述母管外表面上绕所述支管的中轴线旋转。

作为本发明的优选方式，当前扫查断面与所述管座角焊缝工件的相贯线解析方程分别包括当前扫查断面与所述母管外壁、所述母管内壁、所述支管外壁、所述支管内壁、外接焊缝表面和内接焊缝表面的相贯线解析方程。

作为本发明的优选方式，当前扫查断面与所述母管外壁的相贯线解析方程如下所示：

(x*sinθ)²+(y*sinα+x*cosθ*cosα)²＝R²，

其中，θ为所述探头绕所述支管的中轴线的旋转角度，α为所述母管与所述支管的焊接角度，R为所述母管外圆的半径。

作为本发明的优选方式，当前扫查断面与所述母管内壁的相贯线解析方程如下所示：

(x*sinθ)²+(y*sinα+x*cosθ*cosα)²＝(R-H)²，

其中，θ为所述探头绕所述支管的中轴线的旋转角度，α为所述母管与所述支管的焊接角度，R为所述母管外圆的半径，H为所述母管的壁厚。

作为本发明的优选方式，当前扫查断面与所述支管外壁的相贯线解析方程如下所示：

x＝r，

其中，r为所述支管外圆的半径。

作为本发明的优选方式，当前扫查断面与所述支管内壁的相贯线解析方程如下所示：

x＝r-h，

其中，r为所述支管外圆的半径，h为所述支管的壁厚。

作为本发明的优选方式，当前扫查断面与所述外接焊缝表面的相贯线解析方程如下所示：

(R_x-x)²+(R_y-y)²＝WOR²，

其中，(R_x，R_y)为外接焊缝的外切圆的中心点坐标，WOR为外接焊缝的焊接弧半径。

作为本发明的优选方式，当前扫查断面与所述内接焊缝表面的相贯线解析方程如下所示：

(r_x-x)²+(r_y-y)²＝WIR²，

其中，(r_x，r_y)为内接焊缝的外切圆的中心点坐标，WIR为内接焊缝的焊接弧半径。

本发明实施例提供的一种管座角焊缝超声相控阵检测方法，通过根据当前扫查断面和母管、支管、焊缝弧面相交的情况，分别建立对应的相贯线解析方程，然后通过这些相贯线解析方程在获取到的每个扇扫成像图上绘制管座角焊缝工件与当前扫查断面的相贯线，从而能够根据相贯线分析管座角焊缝工件的缺陷情况。该检测方法利用了几何计算方式，为准确分析管座角焊缝缺陷提供了有利参考，通过该检测方法可以极大的提高管座角焊缝探伤效率和探伤可靠性，解决以往角焊缝探伤对工程人员经验依赖高且容易出现漏检和误检的实际问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种管座角焊缝超声相控阵检测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的两轴扫查方式示意图；

图3为本发明实施例提供的在当前扫查断面建立的直角坐标系示意图；

图4为本发明实施例提供的当前扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线示意图；

图5为本发明实施例提供的管座角焊缝工件中母管与支管为75°斜插时的0度断面的相贯线示意图；

图6为本发明实施例提供的管座角焊缝工件中母管与支管为75°斜插时的38度断面的相贯线示意图；

图7为本发明实施例提供的管座角焊缝工件中母管与支管为75°斜插时的90度断面的相贯线示意图；

图8为本发明实施例提供的管座角焊缝工件中母管与支管为75°斜插时的180度断面的相贯线示意图。

其中，1、母管，2、支管，3、旋转轴，4、水平轴，5、导轨，6、探头。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

超声相控阵技术，是一种使用不同形状的多阵元换能器产生和接收超声波束，通过控制换能器阵列中各阵元发射(或接收)脉冲的不同延迟时间，改变声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系，实现焦点和声束方向的变化，从而实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦的技术，最后采用机械扫描和电子扫描相结合的方法来实现图像成像。

超声相控阵技术最初主要应用于医疗领域，然而随着电子技术和计算机技术的快速发展，超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测，特别是在核工业及航空工业等领域，实现工件的无损探伤检测。

现有技术中，由于管座角焊缝本身几何结构复杂，采用常规超声相控阵检测方法很难准确、有效地对其进行无损检测，极易导致出现漏检和误检的情况。为有效解决漏检和误检的问题，赵秋洪等提出了一种对各断面进行超声覆盖模拟，将各断面模拟结果整合提取整体检测曲线的方法，焦敬品等提出了一种基于CIVA仿真软件的管座角焊缝超声检测方法，利用数值仿真模块进行数值仿真，得到焊缝缺陷可检区域图形。然而，现有的方法通过模拟或数值仿真的方式得到检测曲线，不利于集成到仪器软件中，因而不便于实时检测过程中进行缺陷分析。同时，这些方法会存在一定的误差，容易导致出现误判的可能，且前期准备的工作量较大，使用不方便。

参照图1所示，本发明实施例公开了一种管座角焊缝超声相控阵检测方法，该方法主要包括以下步骤：

步骤101、采用两轴扫查方式对待检测的管座角焊缝工件按逆时针方向进行断面扫查，获取至少一个当前扫查断面下的扇扫成像图；其中，用于断面扫查的探头的初始位置为母管的中轴线和支管的中轴线所在平面的左侧位置；

步骤102、以支管的中轴线为y轴，且以母管的中轴线和支管的中轴线的交点为原点在当前扫查断面建立直角坐标系，分别构建当前扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线解析方程；

步骤103、根据相贯线解析方程，在每个扇扫成像图上绘制当前扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线，并根据相贯线分析管座角焊缝工件的缺陷情况。

在本发明实施例中，管座角焊缝工件在锅炉设备、核电管道、石油管道等领域中大量使用的一种结构，包括母管和设置在母管上的支管。

在步骤101之前，即采用两轴扫查方式对待检测的管座角焊缝工件进行断面扫查前，需按照要求设置断面扫查所需的两轴扫查架和探头。参照图2所示，该两轴扫查架包括旋转轴3和水平轴4，旋转轴3的下端连接探头6，旋转轴3的上端连接水平轴4的一端，水平轴4的另一端连接固定在支管2上端的导轨5并控制探头6与支管2外表面之间的距离，探头6在母管1外表面上绕支管2的中轴线旋转。

需要说明的是，在整个断面扫查过程中，探头6始终朝向支管2的中轴线，即形成的扫查断面始终经过支管2的中轴线。本发明实施例中，所述的扫查断面是指探头当前位置所在的点和支管的中轴线组成的平面。

在本发明实施例中，使用64阵元或更多阵元的线阵探头进行扫查，并通过超声相控阵仪器得到当前扫查断面的扇扫成像图。

步骤101中，按要求设置好两轴扫查架和探头后，探头从初始位置开始按逆时针方向旋转进行断面扫查。在每一个扫查断面，通过超声相控阵仪器来获取当前扫查断面下的扇扫成像图。其中，探头的初始位置为母管的中轴线和支管的中轴线所在平面的左侧位置，定义此时探头绕支管中轴线的旋转角度为0°。

探头在旋转过程中，探头绕支管的中轴线的旋转角度通过旋转轴进行记录，探头与支管外表面的距离通过水平轴进行记录。

步骤102中，在当前扫查断面下建立直角坐标系，该直角坐标系以支管的中轴线为y轴，且以母管的中轴线和支管的中轴线的交点为坐标原点，建立的直角坐标系参照图3所示。

在该直角坐标系下，依次构建当前扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线解析方程。其中，扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线是指扫查断面分别与母管外壁、母管内壁、支管外壁、支管内壁、外接焊缝表面和内接焊缝表面相交形成的交线。扫查断面与管座角焊缝工件形成的各相贯线具体参照图4所示，图中A线为扫查断面与母管外壁相交形成的交线，B线为扫查断面与母管内壁相交形成的交线，C线为扫查断面与支管外壁相交形成的交线，D线为扫查断面与支管内壁相交形成的交线，E线为扫查断面与外接焊缝表面相交形成的交线，F线为扫查断面与内接焊缝表面相交形成的交线。

因此，当前扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线解析方程分别包括当前扫查断面与母管外壁、母管内壁、支管外壁、支管内壁、外接焊缝表面和内接焊缝表面的相贯线解析方程。

在构建各相贯线解析方程之前，先定义相关参数：

R：母管外圆的半径，H：母管的壁厚；

r：支管外圆的半径，h：支管的壁厚；

WOR：外接焊缝的焊接弧半径，WIR：内接焊缝的焊接弧半径；

θ：探头绕支管的中轴线的旋转角度，α：母管与支管的焊接角度。

本发明实施例中，定义外接焊缝的焊接弧和内接焊缝的焊接弧均为圆弧，分别为外接焊缝的外切圆和内接焊缝的外切圆的一部分，外接焊缝的焊接弧分别和母管外壁、支管外壁相切，内接焊缝的焊接弧分别和母管内壁、支管内壁相切。探头在初始位置时，θ＝0°。

具体地，各相贯线解析方程的构建过程如下：

1、构建当前扫查断面与母管外壁的相贯线解析方程

假设当前扫查断面和母管外壁的交线上一点A坐标(x，y)，然后依次按照如下步骤进行：

(1)做辅助线和辅助面

过母管的中轴线和支管的中轴线做平面M，再过母管的中轴线做垂直于平面M的平面N；

在当前扫查断面所在平面过点A做平行于y轴的直线l₀，l₀交x轴于点A′，l₀交平面N于点A″；

在平面M中过坐标原点做垂直于y轴的直线l₁，过点A′做直线l₂垂直于l₁，则l₂和l₁相交于点B′；

在平面M过点B′做直线l₃垂直于l₁，l₃交平面N于点B″；

在平面N过点A″做直线l₄平行于母管的中轴线；

过点A做直线l₅垂直l₄，l₅和l₄相交于点A″′。

(2)证明各辅助线的关系

A′B′//A″B″；

A′A″的长度＝B′B″的长度；

A′B′垂直于平面M，AA′平行于平面M，所以A点和A′点到平面M的距离相等，A′B′的长度|A′B′|是点A到平面M的距离；

AA″′垂直于平面N，AA″′的长度|AA″′|是点A到平面N的距离。

(3)计算点A到母管的中轴线和支管的中轴线所在平面M的距离DX，将点A投影到直角坐标系的X轴上的点A′，则AA′平行于平面M，DX可转化为点A′到平面M的距离。

在平面M中过坐标原点做垂直于支管的中轴线的直线l₁，过点A′做直线l₂垂直于l₁，l₂和l₁相交于点B。

其中，DX＝|A′B′|＝|OA′|*|sinθ|＝|x*sinθ|。 ①

(4)计算点A到经过母管的中轴线且垂直于平面M的平面N的距离：

|OB′|＝|OA′|*cosθ＝x*cosθ，

(5)由于点A在母管的外壁上，所以DX和DY满足以下条件：

DX²+DY²＝R²， ③

(6)将公式①，②代入③中，得到当前扫查断面和母管外壁的相贯线解析方程：

(x*sinθ)²+(y*sinα+x*cosθ*cosα)²＝R²。 ④

2、构建当前扫查断面与母管内壁的相贯线解析方程

该过程与上述构建当前扫查断面与母管外壁的相贯线解析方程的过程相似，在此不再赘述。

参考上述过程，得到当前扫查断面与母管内壁的相贯线解析方程：

(x*sinθ)²+(y*sinα+x*cosθ*cosα)²＝(R-H)²。 ⑤

3、构建当前扫查断面与支管外壁的相贯线解析方程

由于当前扫查断面经过支管的中轴线，可知当前扫查断面和支管外壁的交线为平行于y轴的直线，得到当前扫查断面与支管外壁的相贯线解析方程：

x＝r。 ⑥

4、构建当前扫查断面与支管内壁的相贯线解析方程

该过程与上述构建当前扫查断面与支管外壁的相贯线解析方程的过程相似，在此不再赘述。

参考上述过程，得到当前扫查断面与支管内壁的相贯线解析方程：

x＝r-h。 ⑦

5、构建当前扫查断面与外接焊缝表面的相贯线解析方程

由于外壁焊缝是圆弧的一部分，设其外切圆的中心点坐标为(R_x，R_y)，则得到当前扫查断面与外接焊缝表面的相贯线解析方程：

(R_x-x)²+(R_y-y)²＝WOR²。 ⑧

求解该相贯线解析方程的关键在于计算中心点坐标(R_x，R_y)，其思路是采用有限元分析法，在方程④上分析，从x＝r开始，x依次步进(WOR/100)长度的每一个点P(P_x，P_y)，从点P做WOR为半径的圆和方程④相切，计算此时的(R_x，R_y)。

因为点P在方程④上，已知P_x，代入方程④中，可计算出P_y和此时点P切线的倾斜角k，因为该圆和方程④的曲线相切，所以该圆在点P切线的倾斜角也是k，由此可知，此时

R_x＝P_x+WOR*sin(-k)，

当R_x≥r+WOR时，此时的点P就是该圆和④切点，此时的(R_x，R_y)就是外接焊缝的外切圆的中心点坐标。

6、构建当前扫查断面与内接焊缝表面的相贯线解析方程

该过程与上述构建当前扫查断面与外接焊缝表面的相贯线解析方程的过程相似，在此不再赘述。

参考上述过程，得到当前扫查断面与内接焊缝表面的相贯线解析方程：

(r_x-x)²+(r_y-y)²＝WIR²。 ⑨

其中，(r_x，r_y)为内接焊缝的外切圆的中心点坐标。

步骤103中，根据上述得到的各个相贯线解析方程，在获取到的每个扇扫成像图上绘制当前扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线，然后以这些相贯线为参考，分析该扇扫成像图中管座角焊缝工件的缺陷情况。参照图5～图8所示，图5～图8分别为本发明实施例提供的管座角焊缝工件中母管与支管为75°斜插时的0度断面、38度断面、90度断面和180度断面的相贯线示意图。需要说明的是，为了方便对缺陷的判断，图5～图8中右侧部分还分别对应给出了转换成以探头所在位置为坐标原点的相贯线示意图。

具体地，扇扫成像图中与相贯线重叠或位于相贯线附近且和相贯线走向平行的缺陷信号不是真实缺陷；扇扫成像图中位于内壁相贯线和外壁相贯线之间的缺陷信号是真实缺陷。需要说明的是，前述的内壁相贯线包括当前扫查断面与母管内壁、支管内壁和内接焊缝表面的相贯线，外壁相贯线包括当前扫查断面与母管外壁、支管外壁和外接焊缝表面的相贯线。

扇扫成像图中位于内壁相贯线之外的缺陷信号属于二次波导致的缺陷信号，不能用于缺陷评判，需要调节水平轴，在当前扫查断面移动探头的水平位置，进行进一步分析。当内壁相贯线的端角位置在扇扫成像图之外时，若端角位置在扇扫成像图的上方，则需要减小探头和和支管外表面的距离；若端角位置在扇扫成像图的下方，则需要增加探头和支管外表面的距离。

现有的管座角焊缝检测方法中，没有在扇扫成像图中对应的位置绘制出管座角焊缝工件和扫查断面的相贯线，缺乏有效的位置信息参考，主要依赖于检测人员的经验进行缺陷的位置判断和分析，容易漏检和误检。而本发明实施例提供的一种管座角焊缝超声相控阵检测方法，通过几何计算的方式，得到不同断面扫查断面与管座角焊缝工件的相贯线，然后在获取到的每个扇扫成像图上绘制管座角焊缝工件与当前扫查断面的相贯线，从而能够根据相贯线来准确分析管座角焊缝工件的缺陷情况。该检测方法极大的提高管座角焊缝探伤效率和探伤可靠性，解决以往角焊缝探伤对工程人员经验依赖高且容易出现漏检和误检的实际问题。

同时，该过程无需事先仿真，使用方便，计算时间短且可以实时计算，计算精度高，降低了生产成本。

需要说明的是，对于上述方法的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明所必须的。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种管座角焊缝超声相控阵检测方法，其特征在于，包括：

采用两轴扫查方式对待检测的管座角焊缝工件按逆时针方向进行断面扫查，获取至少一个当前扫查断面下的扇扫成像图；其中，采用两轴扫查架和探头实现对所述管座角焊缝工件的断面扫查，所述两轴扫查架包括旋转轴和水平轴，所述旋转轴的下端连接所述探头，所述旋转轴的上端连接所述水平轴的一端，所述水平轴的另一端连接固定在支管上端的导轨并控制所述探头与所述支管外表面之间的距离，所述探头在母管外表面上绕所述支管的中轴线旋转，且所述探头的初始位置为所述母管的中轴线和所述支管的中轴线所在平面的左侧位置；

以所述支管的中轴线为y轴，且以所述母管的中轴线和所述支管的中轴线的交点为坐标原点在当前扫查断面建立直角坐标系，分别构建当前扫查断面与所述管座角焊缝工件的相贯线解析方程；

根据所述相贯线解析方程，在每个所述扇扫成像图上绘制当前扫查断面与所述管座角焊缝工件的相贯线，并根据所述相贯线分析所述管座角焊缝工件的缺陷情况。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当前扫查断面与所述管座角焊缝工件的相贯线解析方程分别包括当前扫查断面与所述母管外壁、所述母管内壁、所述支管外壁、所述支管内壁、外接焊缝表面和内接焊缝表面的相贯线解析方程。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当前扫查断面与所述母管外壁的相贯线解析方程如下所示：

(x*sinθ)²+(y*sinα+x*cosθ*cosα)²＝R²，

其中，θ为所述探头绕所述支管的中轴线的旋转角度，α为所述母管与所述支管的焊接角度，R为所述母管外圆的半径。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当前扫查断面与所述母管内壁的相贯线解析方程如下所示：

(x*sinθ)²+(y*sinα+x*cosθ*cosα)²＝(R-H)²，

其中，θ为所述探头绕所述支管的中轴线的旋转角度，α为所述母管与所述支管的焊接角度，R为所述母管外圆的半径，H为所述母管的壁厚。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当前扫查断面与所述支管外壁的相贯线解析方程如下所示：

x＝r，

其中，r为所述支管外圆的半径。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当前扫查断面与所述支管内壁的相贯线解析方程如下所示：

x＝r-h，

其中，r为所述支管外圆的半径，h为所述支管的壁厚。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当前扫查断面与所述外接焊缝表面的相贯线解析方程如下所示：

(R_x-x)²+(R_y-y)²＝WOR²，

其中，(R_x，R_y)为外接焊缝的外切圆的中心点坐标，WOR为外接焊缝的焊接弧半径。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当前扫查断面与所述内接焊缝表面的相贯线解析方程如下所示：

(r_x-x)²+(r_y-y)²＝WIR²，

其中，(r_x，r_y)为内接焊缝的外切圆的中心点坐标，WIR为内接焊缝的焊接弧半径。

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