CN110208380A - 一种超声相控阵检测装置及其用于钢管塔焊缝检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊缝检测技术领域，具体涉及一种适用于在役钢管塔焊缝检测的超声相控阵检测装置及检测方法，该装置包括：活动设置在钢管塔上的卡箍，卡箍包括两个相同弧度的半圆形卡箍体，每个卡箍体的两端部分别固定设置有连接头，连接头上开设有用于穿过紧固螺栓的螺孔；两个卡箍体的相对部位上分别固定设置有固定板，固定板上固定设置有框形支撑架；固定设置在支撑架中部的操作平台，操作平台上设置有检测仪和用于升降相控阵探头的升降台；固定设置在升降平台上的升降机构；活动设置在升降机构上与检测仪电性连接的相控阵探头；相控阵探头包括与钢管塔平行设置的固定块、设置于固定块上与钢管塔相邻的面上的换能器。该检测方法工作效率高。

Description

一种超声相控阵检测装置及其用于钢管塔焊缝检测的方法

技术领域

本发明属于焊缝检测技术领域，具体涉及一种适用于在役钢管塔焊缝检测的超声相控阵检测装置及检测方法。

背景技术

近年来，随着城市建设步伐的加快，城区输变电工程数量增多，但线路走廊日益紧张的情况下,钢管杆以其占地小、不影响土地利用、杆塔设计结构简单、运行寿命长、施工安装便捷、运行维护成本低等优点在输电线路上得到了广泛应用。

输电线路钢管塔与传统的角钢塔相比，焊接构件多，主要有钢管之间K形节点的焊接，钢管与带颈法兰的对接焊，钢管与平板法兰加筋板的T形焊，钢管加强板的焊接以及钢管辅材横担U形槽与U形板、U形槽与插板的焊接等。钢管塔生产中常用的焊接方法有手工电弧焊、二氧化碳气体保护焊和埋弧自动焊。输电线路钢管塔主要采用低合金高强度钢，焊接过程中产生的焊接缺陷主要有焊缝形状尺寸、间隙预留尺寸不符合标准要求，以及咬边、焊瘤、气孔、裂纹、未熔合、未焊透、夹渣等。这些焊接缺陷的存在破坏了焊缝的完整性和受力均匀性，易引起应力集中某一点上的现象，降低焊接接头的力学性能，缩短钢管塔的使用寿命，严重时将引发质量事故。

钢管塔由于长期处于漏天风吹雨淋状态，长期运行过程中难免会产生焊缝质量问题，严重时将发生质量事故，如某供电公司2基钢管塔由于焊缝质量问题在覆冰等恶劣天气情况下发生倒塔事故，造成周边区域停电72小时，其主要原因是：焊接过程失控导致倒塔断裂的焊缝无打底，并且焊道只占焊缝厚度的三分之一，上表面焊接层焊缝强度严重不合格；又如国网某供电公司曾发生钢管塔横担从法兰连接焊缝右侧1cm处断裂事故，经确认为杆塔横担在制作过程中，因焊缝存在未熔合焊接缺陷，导致线路停电事故，幸好未造成重大人身伤亡损失。

为了解决焊缝问题公告号为CN104764807B公开了一种在役输电钢管杆塔焊缝超声波自动检测系统，包括纵向扫查车和轴向扫查车，分别负责纵向焊缝和轴向焊缝的扫查，周向扫查车装载于纵向扫查车上，到达周向焊缝位置时与纵向扫查车分离实现对周向焊缝的独立扫查，能够满足周向焊缝和纵向焊缝的全部覆盖扫擦检测要求，该焊缝检测系统基于超声波检测原理，超声探头需要沿着钢管周向和轴向进行频繁的移动扫描，检测过程复杂，耗时较长。传统的钢管焊缝无损检测方法缺陷不能直观呈现、检验结果受检测人员检验水平制约，影响检测质量与检测效率。此外，超声检测是采用单晶片探头发射声束，在某些情况下也采用双晶片探头或单晶片聚焦探头来减少盲区和提高分辨率。但是不论是哪种情况下，超声场在介质中均是按照一个单一角度的轴线方向传播，单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺欠定性和定量的能力。因此，大部分“有效的”的标准都要求采用多个角度声束的扫查来提高检出率，对于复杂几何外形、大壁厚或者探头扫查空间有限的情况检测很难实现。

公告号为CN 109001224 A的专利文献公开了一种焊缝的检测方法及检测装置。该检测方法包括以下步骤：步骤10，获取包含待测焊缝的焊接件的原始图像，二值化处理所述原始图像，并得到处理后的二值化图像，根据所述二值化图像检测是否存在第一焊接缺陷，如果存在所述第一焊接缺陷，则结束检测，反之，则进入步骤20；步骤20，获取包含所述待测焊缝的焊接件各部位的坐标值，根据所述坐标值计算是否存在第二焊接缺陷，如果存在所述第二焊接缺陷，则结束检测，反之，则判定所述待测焊缝合格。该方法消除了人工因素对检测结果的影响，通过自动化检测提高了焊缝检测的准确率以及提高了检测效率。但是其实用。该检测方法适用于地面能够得着的焊缝的检测，现实中的工件存在的焊缝情况并不一样，获取的原始图像作为标准进行比对会存在误差，所以获取的待检测焊缝的图像也不能保证准确，对检测结果没有保证。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种用于在役钢管塔焊缝检测的超声相控阵检测装置及检测方法，该检测方法能够实现垂直入射焊缝缺陷的方向，所以能够覆盖整个焊缝截面，检测能够实现立体扫查，入射声束与焊缝中的裂纹、未熔合、未焊透等缺陷基本垂直，从而能够实现检测过程操作方便、易于掌握、工作效率高。

一种超声相控阵检测装置，应用于在役钢管塔焊缝的检测，包括：活动设置在钢管塔上的卡箍，所述的卡箍包括两个相同弧度的半圆形卡箍体，每个卡箍体的两端部分别固定设置有连接头，连接头上开设有用于穿过紧固螺栓的螺孔；所述的两个卡箍体的相对部位上分别固定设置有固定板，所述的固定板上固定设置有框形支撑架；固定设置在支撑架中部的操作平台，所述的操作平台上设置有检测仪和用于升降相控阵探头的升降台；固定设置在升降平台上的升降机构；活动设置在升降机构上与检测仪电性连接的相控阵探头；所述的相控阵探头包括与钢管塔平行设置的固定块、设置于固定块上与钢管塔相邻的面上的换能器。

具体的，所述的升降机构包括底座、固定设置在底座上的剪刀式升降机构、固定设置在剪刀式升降机构顶部的支撑板及固定设置在支撑板上的用于夹持相控阵探头的探头夹持架，所述的底座上。

具体的，所述的支撑板上固定设置有摄像装置。

具体的，所述的换能器包括连接面和嵌于连接面上的压电晶片。

具体的，所述剪刀式升降机构包括连接杆和下端与连接杆铰连接的剪刀式伸缩架，所述底座上设置有供连接杆滑动的滑槽，所述的连接杆与升降驱动源的输出轴固定连接。

使用如上所述的检测装置对钢管塔焊缝检测的方法，包括如下步骤：

（一）检测前设备安装准备，首先将卡箍对应卡在待检测焊缝的钢管塔上，后启动升降驱动源，将升降机构上的相控阵探头升降到焊缝所在的水平位置处，此时通过摄像装置拍摄焊缝问题具体所在位置，通过旋转微调一下卡箍的角度使得升降机构上的相控阵探头可以更接近待检测的焊缝位置；

（二）、相控阵探头对焊缝进行不同方式的扫查检测，每次相控阵探头向待检测焊缝发射出声波，并接收由待检测焊缝表面返回的声波；

（三）、相控阵探头将接收到的声波信号进行转换，并将转换后的信号发送至检测仪进行处理；

（四）、检测仪对由超声相控阵探头发送的信号进行处理，获得该次声波扫描的图像，并将获得的图像通过显示屏显示；

（五）、通过显示的图像对焊缝进行评估和分析，在得到的焊缝信息图中读取缺陷信息，判断缺陷类型并记录缺陷尺寸；

（六）扫查检测完成，收合并取下检测装置。

具体的，所述的扫查方式的选择原则是：首先选用线性扫查，线性扫查不可用时采用锯齿形扫查。

传统输电线路钢管塔结构一、二级焊缝质量检测一般采用超声波检测方法进行内部缺陷的检验，当超声波检测不能对缺陷做出判断时，应采用射线检测方法。射线检测无法对缺陷进行定位，无法检出平行于射线方向的缺陷，不能确定缺陷位置的深浅；便携性较差，X射线底片不易携带和保存。射线检验时由于检测场所所限，很难实现有效屏蔽，对人员有辐射危害，并且无法实现过程控制；检测周期较长，效率低。常规超声波探头在检测的过程中其参数和楔块角度确定以后即确定了波束角度，导致可能漏检焊缝中走向与波束平行的缺陷，超声探头需要沿着钢管周向和轴向进行频繁的移动扫描，检测过程复杂，耗时较长。传统的钢管焊缝无损检测方法缺陷不能直观呈现、检验结果受检测人员检验水平制约，影响检测质量与检测效率。但是不论是哪种情况下，超声场在介质中均是按照一个单一角度的轴线方向传播，单一角度的扫查限制了超声检测对于不同方向缺欠定性和定量的能力。因此，大部分“有效的”的标准都要求采用多个角度声束的扫查来提高检出率，但是对于复杂几何外形、大壁厚或者探头扫查空间有限的情况检测很难实现。

普通存在的一个共性是：现有技术中的探头检测都是楔形，超声波探头置于钢管表面上时，探头与钢管表面是线接触，耦合效果差，探头中超声波从楔块入射到钢管表面时，超声波声束将发散，而入射到钢管壁时，超声波再次发散，导致超声波指向性差，回波声能减弱，检测灵敏度低。同时，钢管塔的检测都是采用使用前出厂前的检测，将钢管塔平放在地面上通过人员手持探测头进行焊缝的检测，很少有人考虑到钢管塔在长时间使用过程中长期处于漏天风吹雨淋状态，长期运行过程中难免会产生焊缝质量问题，更没有人去对运行中的钢管塔进行焊缝的检测，因为钢管塔运行过程中是带高压电的，检测稍有不当会对人身安全造成危险。

本发明的有益效果是：1.本检测装置包括活动设置在钢管塔上的卡箍，通过卡箍可以将整个检测装置固定在钢管塔上的任意位置任意角度，并通过调整卡箍的松紧度适应不同直径的钢管塔；2.两个卡箍体的相对部位上分别固定设置有固定板，所述的固定板上固定设置有框形支撑架，支撑架中部固定设置有操作平台，所述的操作平台上设置有检测仪和用于升降相控阵探头的升降台，升降平台上固定设置有升降机构，通过升降机构将相控阵探头升降到待检测焊缝的钢管塔焊缝处，并同卡箍一同调整整个装置的位置以满足较近距离的探测焊缝；3.活动设置在升降机构上与检测仪电性连接的相控阵探头以及设置在升降机构上的摄像装置，通过摄像装置的直观反馈的信息可以准确确定焊缝位置，探头中的压电晶片是通过电子的方法进行延时激励，所以它在作线性扫查时比常规探头的机械扫查要快得多，相控阵探头可以随意控制聚焦深度、偏转角度、波束宽度，纵伤检测、横伤检测和斜伤检测不同检测模式之间可灵活变换，无需进行任何机械变换和调整，既减少了探头的磨损，又避免了设备机构的调整，相控阵探头中多晶片的快速顺序激励，其辐射声场相当于单晶片探头的连续机械位移和转向，所以避免了横伤和斜伤的漏检，大大提高了检测的可靠性；4本发明提供的相控阵探头包括与钢管塔平行设置的固定块、设置于固定块上与钢管塔相邻的面上的换能器，与钢管塔平行设置的换能器固定块有利于通过换能器的晶片发射超声波束，对钢管塔焊缝进行检测，根据焊缝的缺陷部位的回波信号，进而获得缺陷部位的位置信息，缺陷部位的回波信号与正常反射波信号位置不同，单独出现，受干扰小，不易出现漏检现象，实现对钢管塔焊缝的无损检测，免去了现有技术中分两次进行检测的繁琐工序。

此外依托于本发明提供的检测装置进行钢管塔焊缝的检测方法能够实现垂直入射焊缝缺陷的方向，所以能够覆盖整个焊缝截面，检测能够实现立体扫查，入射声束与焊缝中的裂纹、未熔合、未焊透等缺陷基本垂直，从而能够实现检测过程操作方便、易于掌握、工作效率高。而常规的超声波探头对焊缝进行检测时，入射方向尽可能垂直于焊缝缺陷的方向，常规焊缝超声波检测时，这一原则无法实现，只能采用斜入射的方式来完成检测。

附图说明

图1是本发明的横截面结构示意图；

图2是升降机构的结构示意图；

图3是相控阵探头结构及扫查原理示意图；

图4中a是相控阵探头实现聚焦的示意图、b是实现波束偏转的示意图。

1 钢管塔、2卡箍、3紧固螺栓、4固定板、5支撑架、6操作平台、7检测仪、8升降台、9底座、10剪刀式升降机构、11支撑板、12探头固定架、13探头、14楔块、15换能器、16摄像装置。

具体实施方式

在焊接缺陷中，影响最大的就是焊缝及热影响区中的裂纹缺陷。焊接裂纹是在焊接接头的局部，因焊接应力和其它致脆因素的作用，金属原子间结合力遭到破坏，形成新的界面而产生的缝隙。裂纹的分类方法有很多种，按产生的原因来分可分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹。输电线路钢管塔主要产生的裂纹缺陷是热裂纹和冷裂纹。焊接裂纹降低了焊接接头的强度，减少了焊缝的承载面积，裂纹端部有尖锐的缺口，能引起应力集中现象，受力时使裂纹扩展，直至断裂，所以焊接结构中一般不允许存在这种缺陷，一经发现必须铲去重焊。

参照图1-4所示，本发明提供一种超声相控阵检测装置，应用于在役钢管塔焊缝的检测，其包括：活动设置在钢管塔1上的卡箍2，所述的卡箍2包括两个相同弧度的半圆形卡箍体，每个卡箍体的两端部分别固定设置有连接头，连接头上开设有用于穿过紧固螺栓3的螺孔；所述的两个卡箍体的相对部位上分别固定设置有固定板4，所述的固定板4上固定设置有框形支撑架5；固定设置在支撑架5中部的操作平台6，所述的操作平台6上设置有检测仪7和用于升降相控阵探头13的升降台8；固定设置在升降平台8上的升降机构；活动设置在升降机构上与检测仪电性连接的相控阵探头13；所述的相控阵探头13包括与钢管塔1平行设置的固定块14、设置于固定块14上与钢管塔1相邻的面上的换能器15。

所述的升降机构包括底座9、固定设置在底座9上的剪刀式升降机构10、固定设置在剪刀式升降机构10顶部的支撑板11及固定设置在支撑板11上的用于夹持相控阵探头的探头夹持架12，所述的底座9上，所述的支撑板11上固定设置有摄像装置16，通过摄像装置16直观反馈的信息可以准确确定焊缝位置，所述剪刀式升降机构10包括连接杆和下端与连接杆铰连接的剪刀式伸缩架，所述底座9上设置有供连接杆滑动的滑槽，所述的连接杆与升降驱动源的输出轴固定连接。

所述的换能器15包括连接面和嵌于连接面上的压电晶片，每个压电晶片称为一个单元，按一定的激发规则和时序用电子系统控制各个单元,使压电晶片阵列中各单元发射的超声波叠加成一个新的波阵面，同样,在反射波的接收过程中,按一定接收规则和时序控制单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示。相控阵探头固定不动便能实现超声波扇扫或者线扫，焦点可以调节甚至实现动态聚焦，控阵技术可进行电子扫描，比通常的光栅扫描快一个数量等级，检测结果能够成像记录，用一个相控阵探头，就能涵盖多种应用，不象普通超声探头应用单一有限；探头小巧，可完成多个单探头分次往复扫查才能完成的检测任务。

使用如上所述的检测装置对钢管塔焊缝检测的方法，包括如下步骤：

（一）检测前设备安装准备，首先将卡箍2对应卡在待检测焊缝的钢管塔上，后启动升降驱动源，将升降机构上的相控阵探头13升降到焊缝所在的水平位置处，此时通过摄像装置16拍摄焊缝问题具体所在位置，通过旋转微调一下卡箍2的角度使得升降机构上的相控阵探头13可以更接近待检测的焊缝位置；

（二）、相控阵探头13对焊缝进行不同方式的扫查检测，每次相控阵探头13向待检测焊缝发射出声波，并接收由待检测焊缝表面返回的声波；

（三）、相控阵探头13将接收到的声波信号进行转换，并将转换后的信号发送至检测仪7进行处理；

（四）、检测仪对由超声相控阵探头13发送的信号进行处理，获得该次声波扫描的图像，并将获得的图像通过显示屏显示；

（五）、通过显示的图像对焊缝进行评估和分析，在得到的焊缝信息图中读取缺陷信息，判断缺陷类型并记录缺陷尺寸；

（六）扫查检测完成，收合并取下检测装置。

相控阵技术的主要特点是多晶片探头中各晶片的激励（振幅和延时）均由计算机控制。压电晶片受激励后能产生超声聚焦波束，声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的，能以镜面反射方式检出不同方位的缺陷。这些缺陷可能随机分布在远离声束轴线的位置上。在信号激励过程中，检测仪将触发信号传送至相控阵控制器，后者将信号变换成特定的高压电脉冲，脉冲宽度预先设定，而时间延迟由聚焦律界定。每个晶片只接收一个电脉冲，所产生的超声波束有一定角度，并聚焦在一定深度（见图4）。该声束遇到缺陷即反射回来，接收回波信号后，相控阵控制器按接收聚焦律变换时间，并将这些信号汇合一起，形成一个脉冲信号，传送至检测仪。为产生相位上有相长干涉的声束，用有微小时差的电脉冲分别激励探头各单元（压电晶片）。来自焊缝中某一焦点（如缺陷等）的回波，以可计算的时差返回各换能器单元，在信号汇合前，各换能器单元上的接收回波信号均有时差，信号汇合后形成的A-扫描图形，显示了焊缝中某一焦点的回波特性，也显示了焊缝中其它各点不同衰减的回波特性。每个单元上的延时值取决于相控阵探头上压电晶片的“窗口”尺寸、波型、折射角和聚焦深度。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种超声相控阵检测装置，应用于在役钢管塔焊缝的检测，其特征在于，包括：

活动设置在钢管塔（1）上的卡箍（2），所述的卡箍（2）包括两个相同弧度的半圆形卡箍体，每个卡箍体的两端部分别固定设置有连接头，连接头上开设有用于穿过紧固螺栓（3）的螺孔；所述的两个卡箍体的相对部位上分别固定设置有固定板（4），所述的固定板（4）上固定设置有框形支撑架（5）；

固定设置在支撑架（5）中部的操作平台（6），所述的操作平台（6）上设置有检测仪（7）和用于升降相控阵探头（13）的升降台（8）；

固定设置在升降平台（8）上的升降机构；活动设置在升降机构上与检测仪电性连接的相控阵探头（13）；所述的相控阵探头（13）包括与钢管塔（1）平行设置的固定块（14）、设置于固定块（14）上与钢管塔（1）相邻的面上的换能器（15）。

2.根据权利要求1所述超声相控阵检测装置，其特征在于，所述的升降机构包括底座（9）、固定设置在底座（9）上的剪刀式升降机构（10）、固定设置在剪刀式升降机构（10）顶部的支撑板（11）及固定设置在支撑板（11）上的用于夹持相控阵探头的探头夹持架（12）。

3.根据权利要求2所述超声相控阵检测装置，其特征在于，所述的支撑板（11）上固定设置有摄像装置（16）。

4.根据权利要求1所述超声相控阵检测装置，其特征在于，所述的换能器（15）包括连接面和嵌于连接面上的压电晶片。

5.根据权利要求1所述超声相控阵检测装置，其特征在于，所述剪刀式升降机构（10）包括连接杆和下端与连接杆铰连接的剪刀式伸缩架，所述底座（9）上设置有供连接杆滑动的滑槽，所述的连接杆与升降驱动源的输出轴固定连接。

6.使用如上任意权利要求所述的检测装置对钢管塔焊缝检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（一）、检测前设备安装准备，首先将卡箍（2）对应卡在待检测焊缝的钢管塔上，后启动升降驱动源，将升降机构上的相控阵探头（13）升降到焊缝所在的水平位置处，此时通过摄像装置（16）拍摄焊缝问题具体所在位置，通过旋转微调一下卡箍（2）的角度使得升降机构上的相控阵探头（13）可以更接近待检测的焊缝位置；

（二）、相控阵探头（13）对焊缝进行不同方式的扫查检测，每次相控阵探头13向待检测焊缝发射出声波，并接收由待检测焊缝表面返回的声波；

（三）、相控阵探头（13）将接收到的声波信号进行转换，并将转换后的信号发送至检测仪（7）进行处理；

（四）、检测仪对由超声相控阵探头（13）发送的信号进行处理，获得该次声波扫描的图像，并将获得的图像通过显示屏显示；

（五）、通过显示的图像对焊缝进行评估和分析，在得到的焊缝信息图中读取缺陷信息，判断缺陷类型并记录缺陷尺寸；

（六）扫查检测完成，收合并取下检测装置。

7.根据权利要求6所述钢管塔焊缝检测方法，其特征在于，所述的扫查方式的选择原则是：首先选用线性扫查，线性扫查不可用时采用锯齿形扫查。