CN110441403A - 一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置及方法，该装置包括水箱、设置在水箱内水中的多组线阵探头、将线阵探头组固定在水箱内的安装部，每组线阵探头沿管材轴向方向设置，多个探头组沿待测管材圆周方向以相邻探头组的组间夹角β环形阵列，保证每个探头入射声束正对待测管材中轴线；相邻探头组沿待测管材轴向有相对偏移距离a。该发明的优点在于：本发明通过调节组件夹角β和相对偏移距离a，在保证前进螺距为定值P时，即可实现多组线阵探头对不同直径管材的全覆盖扫查，保证周向裂纹检测信号幅值较高的一致性，即提高了自动化超声检测设备的稳定性。

Description

一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置及方法
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种管材周向裂纹水浸超声阵列 检测装置及方法。
背景技术
管材是现代工业的“血管”，在国民经济及国防建设中作用日益突出，被 广泛的应用于石油化工、航空航天、船舶、精密机械等领域。随着管材应用领 域的扩展，长期运行在恶劣工况下，一旦发生失效将对人民生命财产产生重大 威胁。另外，无缝钢管等管材通常通过开坯锻造、轧制、拉拔等多种工序(如 热轧、热拉、冷拔等)制成，在成型过程中可能形成多种缺陷，如内外壁裂纹、 翘皮、划伤、拉伤等缺陷。这些缺陷在实际工况承压状态下可能沿管材径向扩 展，具有严重危害，因此国家标准要求无缝钢管等管材在出厂前必须进行完全 检测。
超声检测方法具有灵敏度高、适用性强、与信息技术结合性强等优势，广泛 应用于无缝钢管、钢棒等部件的无损检测与评价。管材超声自动化探伤过程中， 通常更容易检测轴向缺陷，其检测可靠性和稳定性较好，容易实现大螺距检测， 而对于周向缺陷则存在检测信号一致性差以及检测速度低的难题。而保证探伤 设备对缺陷信号拾取的一致性对检测的可靠性很重要，尤其对于周向裂纹超声 检测，虽然已有较多研究指出周向裂纹缺陷的检测方法，但对不同部位同尺寸缺 陷多次检测产生灵敏度波动较小的方法研究较少。实际生产中，部分厂家对管材 质量控制严苛，要求周向裂纹检测信号灵敏度波动小于2dB，即采用参考样管上 的标准周向刻槽反复测试50次以上，其回波信号幅值波动在2dB以内。这对于 缺陷定量判断有重要作用，但也对超声检测设备的稳定性提出了挑战。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供一种管材周向裂纹水 浸超声阵列检测装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，包括水箱、设置在水箱内水中的 多组线阵探头、将线阵探头组固定在水箱内的安装部，每组线阵探头沿管材轴向 方向设置，多个探头组沿待测管材圆周方向以相邻探头组的组间夹角β环形阵列， 保证每个探头入射声束正对待测管材中轴线；相邻探头组沿待测管材轴向有相 对偏移距离a。
对安装部的限定，所述安装部包括支撑组件、多个安装座，每个探头组对应 安装在安装座上，多个安装座按照设定位置固定在支撑组件上，所述支撑组件通 过与水箱连接使探头组位于水箱内。
对安装部的进一步限定，所述支撑组件包括连接架、上下设置的压板和支撑 架，所述安装座固定在支撑架上，压板压住安装座的上端面，所述压板和支撑架 均设置在连接架上，所述连接架固定在水箱上。
对安装部的进一步限定，所述压板、支撑架与连接架、安装座连接处均可拆 卸。
对探头组的限定，每个探头组内包括镜像对称设置的正向探头子组和反向 探头子组，正向探头子组和反向探头子组中的探头数量相同，正向探头子组和反 向探头子组之间的间距可调。
对探头组的进一步限定，设定探头组的组数为m，每个探头组中正向或反向 入射的探头数量均为n，其中每个探头沿管材轴向有效覆盖范围为d，管材螺旋 前进螺距为定值P满足m·n·d≥110％·P；
对探头组的进一步限定，相邻探头组沿轴向相对偏移距离a依次用 a1、a2...、a(m-1)表示，组间夹角β分别用β1、β2...、β(m-1)表示，偏移距离a和对应 的组间夹角β符合公式：
对装置的限定，还包括多通道超声仪、显示屏，所述多通道超声仪上的通道 与探头信号输出端对应连接，所述多通道超声仪的信号输出端与显示屏连接，所 述多通道超声仪的通道增益可调。
使用上述的管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置的方法，包括以下步骤：
S1、确定单个探头的有效覆盖范围d；在管材水浸超声检测装置中，周向裂 纹检测信号灵敏度波动在设定分贝值以内时，对应探头的覆盖范围作为单个探 头的有效覆盖范围d；
S2、布置探头组；根据待测管材特性和螺旋前进时的螺距P，计算获得探头 组结构，从而获取对应的安装部和安装部在水箱内的安装位置；
S3、标定；通过多次对待测管材标准周向裂纹的扫查，调节多通道超声仪每 个通道的增益，使每个通道对标准缺陷信号幅值变化在在设定分贝值以内。
当替换不同直径的待测管材时，保证替换后的待测管材的螺旋前进的螺距P 与上一检测完毕的管材螺旋前进的螺距P相同，通过步骤S2的计算调整组间夹 角β相对偏移距离a。
本发明的优点在于：
(1)本发明通过调节组件夹角β和相对偏移距离a，在保证前进螺距为定 值P不变时，即可实现多组线阵探头对不同直径管材的全覆盖扫查，保证周向 裂纹检测信号幅值较高的一致性，即提高了自动化超声检测设备的稳定性。周向 裂纹检测信号一致性好，那么对不同深度的裂纹，其超声回波幅值不同，这样可 以提高超声检测系统对不同深度周向裂纹的定量判别能力。多个探头组并行检 测能够增大管材前进螺距，进而提高了检测速度，解决了单个探头对应的探头声 束对螺旋前进的周向裂纹覆盖面积较小的问题。
(2)本发明以探头组为单元固定在支撑组件上，方便设置不同组探头，使 得探头组固定更加方便。
(3)压板和支撑架上下固定安装座，防止安装座移动，保证了在检测过程 中装置的稳定性。
(4)压板、支撑架与连接架、安装座连接处均可拆卸，从而实现调节组件 夹角β和相对偏移距离a。
(5)正向探头子组和反向探头子组两者间距可以根据不同规格管材壁厚 进行调整，从而使用不同壁厚管材，增大该装置检测管材的种类范围。
(6)探头组的布置方式能够实现对待检管材的全覆盖。
(7)通道增益可调，使得每个通道对标准缺陷信号幅值变化在设定分贝值 以内，以消除通道之间及探头之间性能参数的不一致性，完成检测装置的标定。 所述多通道超声仪对周向裂纹接收信号进行放大、滤波处理后，显示在屏幕上。
(8)本发明装置中对应不同规格管材，不需要更换探头，安装调节方便、 操作简单、成本低，易于实现管材高速度高精度周向裂纹自动化检测，具有广阔 的应用前景。
(9)该方法能够保证管材周向裂纹回波信号幅值具有较高的一致性，提高 超声检测系统对不同深度周向裂纹的识别能力，通用性强，易于实现管材的高速 度高精度自动化探伤，对保证管材质量具有重要意义。
附图说明
图1为管材水浸超声斜入射检测周向裂纹原理示意图。
图2为单个探头实验获得周向裂纹对应信号幅值与偏移距离关系图。
图3为管材周向裂纹检测探头组分布示意图。
图4为管材周向裂纹阵列检测探头组布置及参数平面示意图。
图5为管材周向裂纹阵列检测探头布置三维示意图。
图6为周向裂纹阵列检测探头有效覆盖范围扫查区域沿管材周向展开示意 图。
图7为管材周向水浸超声裂纹阵列检测装置示意图。
图8为管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置探头安装架示意图。
图中标注符号的含义如下：
1-水箱 2-探头 201-第一探头组 202-第二探头组
203-第三探头组 204-第四探头组
21-正向探头子组 22-反向探头子组 23-声束
3-安装部 301-支撑架 302-连接架 303-压板 304-安装座
4-多通道超声仪 5-显示屏 6-待测管材 61-周向裂纹
具体实施方式
实施例1
如图5-8所示，一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，包括水箱1、设 置在水箱1内水中的多组线阵探头2、将线阵探头2组固定在水箱1内的安装部 3、多通道超声仪4、显示屏5。所述多通道超声仪4上的通道与探头2信号输 出端对应连接，所述多通道超声仪4的信号输出端与显示屏5连接。
每组线阵探头2沿待测管材6轴向方向设置，多个探头2组沿待测管材6 圆周方向以相邻探头2组的组间夹角β环形阵列，实现局部水浸超声检测，保证 每个探头2入射声束23正对待测管材6中轴线。相邻探头2组沿待测管材6轴 向有相对偏移距离a。所述探头2组中每个探头2水层厚度h和入射角度均相 同，多个探头2组能够实现对管体的全覆盖扫查。
每个探头2组内包括镜像对称设置的正向探头子组21和反向探头子组22， 正向探头子组21和反向探头子组22中的探头2数量相同。
所述安装部3包括支撑组件、多个安装座304，每个探头2组对应安装在安 装座304上，多个安装座304按照设定位置固定在支撑组件上，所述支撑组件 通过与水箱1连接使探头2组位于水箱1内。所述支撑组件包括连接架302、上 下设置的压板303和支撑架301，所述安装座304固定在支撑架301上，压板 303压住安装座304的上端面，所述压板303和支撑架301均设置在连接架302 上，所述连接架302固定在水箱1上。所述压板303、支撑架301与连接架302、 安装座304连接处均可拆卸。在该实施例中，通过替换支撑架301来调节相对 偏移距离a和组间夹角β，从而测量不同直径的待测管材6。支撑架301上设定 位置设置有固定相应安装座304的销轴。
在该实施例中，设定探头2组的组数为4，分别为第一探头组201、第二探 头组202、第三探头组203、第四探头组204，每个探头2组中正向或反向入射 的探头2数量均为8个，其中每个探头2沿待测管材6轴向有效覆盖范围为d， 待测管材6螺旋前进螺距为定值P满足m·n·d≥110％·P；则实现探头2有效覆 盖区域对待测管材6表面的全覆盖且重叠率不低于10％。
相邻探头2组沿轴向相对偏移距离a依次用a1、a2...、a(m-1)表示，组间夹角 β分别用β1、β2...、β(m-1)表示，偏移距离a和对应的组间夹角β符合公式：
根据上述公式，可以检测不同直径的待测管材6。对于不同壁厚的待测管 材6，通过调节正向探头子组21和反向探头子组22之间的距离。所述多通道 超声仪4的通道增益可调，用以消除通道之间及探头2之间性能参数的不一致 性。
实施例2
使用实施例1所述的待测管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置的方法，包 括以下步骤：
S1、确定单个探头2的有效覆盖范围；在待测管材6水浸超声检测装置中， 周向裂纹61检测信号灵敏度波动在设定分贝值以内时，对应探头2的覆盖范围 作为单个探头2的有效覆盖范围d；在该步骤中，根据图1的原理，获得图2中 的单个探头2检测周向裂纹61对应信号幅值与偏移距离关系曲线，从该曲线获 知，若设定分贝值为2dB时，图中C’点对应回波幅值最大处，回波幅值衰减2dB 对应的偏移距离点分别为A’和B’点，其有效覆盖范围可以在横坐标轴上计算 得到。图中所示为一种探头2对应的有效覆盖范围，对于不同的设定分贝值，其 有效覆盖范围不相同,而具有不同尺寸晶片的探头2，其对应的有效覆盖范围也不同，需要进一步实验获得。本方案以2dB为例。
S2、布置探头2组；根据待测管材6特性和螺旋前进时的螺距P，计算获得 探头2组结构，从而获取对应的安装部3和安装部3在水箱1内的安装位置， 如图3-8所示。在图4中，设定待测管材6螺旋前进螺距为定值P，采用多组线 阵探头2沿待测管材6圆周方向并行排列，且在待测管材6轴线方向间隔布置， 根据单个探头2有效覆盖范围和螺距计算每个探头2组沿轴向相对偏移距离。 以四组线阵探头2为例，需要探头2组数量为m，每组探头2中正向分布和反 向入射的探头2数量均为n，其中每个探头2沿待测管材6轴向有效覆盖范围为 d，每组探头2中正向和反向入射探头2间距为c，b1为每组探头2中两个探头 2壳之间中心距。
S3、标定；通过多次对待测管材6标准周向裂纹61的扫查，使每个探头2 均接收到标准周向刻槽信号最大值，调节多通道超声仪4每个通道的增益，使 每个通道对标准缺陷信号幅值变化在在设定分贝值以内，以消除通道之间及探 头2之间性能参数的不一致性，完成检测装置的标定。
图6和图7分别为周向裂纹61阵列检测探头2布置三维示意图及其有效覆 盖范围扫查区域展开示意图，其中S表示管头或管尾。通过调整每个探头2组 沿待测管材6周向的夹角以及沿轴向的相对偏移距离，即可实现多组线阵探头2 有效覆盖范围叠加，形成对不同直径待测管材6的全覆盖扫查，保证周向裂纹 61检测信号幅值较高的一致性。
当替换不同直径的待测管材6时，保证替换后的待测管材6的螺旋前进的 螺距P与上一检测完毕的待测管材6螺旋前进的螺距P相同，通过步骤S2的计 算调整组间夹角β相对偏移距离a。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本 发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本 发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，其特征在于，包括水箱(1)、设置在水箱(1)内水中的多组线阵探头(2)、将线阵探头组固定在水箱(1)内的安装部(3)，每组线阵探头(2)沿待测管材(6)轴向方向设置，多个探头组沿待测管材(6)圆周方向以相邻探头组的组间夹角β环形阵列，保证每个探头(2)入射声束(23)正对待测管材(6)中轴线；相邻探头组沿待测管材(6)轴向有相对偏移距离a。
2.根据权利要求1所述的一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，其特征在于，所述安装部(3)包括支撑组件、多个安装座(304)，每个探头组对应安装在安装座(304)上，多个安装座(304)按照设定位置固定在支撑组件上，所述支撑组件通过与水箱(1)连接使探头组位于水箱(1)内。
3.根据权利要求2所述的一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，其特征在于，所述支撑组件包括连接架(302)、上下设置的压板(303)和支撑架(301)，所述安装座(304)固定在支撑架(301)上，压板(303)压住安装座(304)的上端面，所述压板(303)和支撑架(301)均设置在连接架(302)上，所述连接架(302)固定在水箱(1)上。
4.根据权利要求3所述的一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，其特征在于，所述压板(303)、支撑架(301)与连接架(302)、安装座(304)连接处均可拆卸。
5.根据权利要求1所述的一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，其特征在于，每个探头组内包括镜像对称设置的正向探头子组(21)和反向探头子组(22)，正向探头子组(21)和反向探头子组(22)中的探头(2)数量相同，正向探头子组(21)和反向探头子组(22)之间的间距可调。
6.根据权利要求5所述的一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，其特征在于，设定探头组的组数为m，每个探头组中正向或反向入射的探头(2)数量均为n，其中每个探头(2)沿待测管材(6)轴向有效覆盖范围为d，待测管材(6)螺旋前进螺距为定值P满足m·n·d≥110％·P。
7.根据权利要求5所述的一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，其特征在于，相邻探头组沿轴向相对偏移距离a依次用a1、a2...、a(m-1)表示，组间夹角β分别用β1、β2...、β(m-1)表示，偏移距离a和对应的组间夹角β符合公式：
8.根据权利要求1所述的一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置，其特征在于，还包括多通道超声仪(4)、显示屏(5)，所述多通道超声仪(4)上的通道与探头(2)信号输出端对应连接，所述多通道超声仪(4)的信号输出端与显示屏(5)连接，所述多通道超声仪(4)的通道增益可调。
9.使用权利要求1-8任意一项所述的一种管材周向裂纹水浸超声阵列检测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定单个探头(2)的有效覆盖范围d；在待测管材(6)水浸超声检测装置中，周向裂纹(61)检测信号灵敏度波动在设定分贝值以内时，对应探头(2)的覆盖范围作为单个探头(2)的有效覆盖范围d；
S2、布置探头组；根据待测管材(6)特性和螺旋前进时的螺距P，计算获得探头组结构，从而获取对应的安装部(3)和安装部(3)在水箱(1)内的安装位置；
S3、标定；通过多次对待测管材(6)标准周向裂纹(61)的扫查，调节多通道超声仪(4)每个通道的增益，使每个通道对标准缺陷信号幅值变化在在设定分贝值以内。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当替换不同直径的待测管材(6)时，保证替换后的待测管材(6)的螺旋前进的螺距P与上一检测完毕的待测管材(6)螺旋前进的螺距P相同，通过步骤S2的计算调整组间夹角β和相对偏移距离a。
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