CN110824022A - 曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，属于相控阵超声检测技术领域。试块包括本体和凸台，本体两侧设置有弧面二和弧面三，弧面二与弧面三之间设置有平面一。本体的顶部设置有弧面一，弧面一的两侧置有平面二和平面三，平面一、平面二和平面三相互平行。弧面二和弧面三的半径相等，弧面二、弧面三和凸台上的弧面四同轴设置。弧面二、弧面三和弧面四的轴线位于平面一的中垂面上，弧面一的中心轴线位于中垂面上。过弧面四的轴线并与平面一平行的平面与弧面一相切。本发明采用上述结构的相控阵超声检测角度增益补偿试块，能够解决现有超声试块不能用于相控阵扇形扫描检测曲面纵向焊缝时制作角度增益补偿曲线的问题。

Description

曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法

技术领域

本发明属于相控阵超声检测技术领域，尤其涉及一种曲面纵向焊缝相控阵超声检测角度增益补偿试块及其调试方法。

背景技术

相控阵超声检测技术是目前国内外无损检测技术发展的新方向，新动力、是最先进的检测技术之一。相控阵超声技术是利用电子方式控制相控阵超声探头的声束来实现超声波发射、接收的方法。相控阵超声探头有多个小晶片，即阵元，每个阵元被独立的激发，并施加不同的时间延迟，所有阵元发射的超声波形成一个整体波阵面，能够实现动态聚焦，并能有效地控制发射超声束的形状和方向。它为确定缺陷的形状、大小和方向提供出比单个或多个常规超声波探头系统更大的能力。相控阵超声检测技术具有成像功能，检测结果以图像形式显示，分为A扫描、B扫描、S扫描、E扫描及P扫描等，直观易懂，存储的数据具有动态回放功能，并且还能记录扫查位置。这些功能是常规超声检测技术难以做到的。

相控阵超声检测技术已经在我国开始应用，例如在西气东输管道工程检测管道环焊缝，在安徽六安、安庆火力发电厂及铜陵电厂等检测薄壁管子环焊缝，对汽轮机叶片根部和涡轮圆盘的检测、火车轮轴检测、核电站主泵隔热板的检测以及特种设备容器纵缝和环缝检测等等，有着巨大的应用空间，体现出相控阵超声检测的优越性。

在特种设备压力容器和电站锅炉、油气管道及船舶等行业的安装及检修中存在大量曲面纵向焊缝的检测。曲面纵向焊缝采用常规超声检测应满足两个条件才能进行检测，即：一个是曲率半径为50mm～250mm，另一个是内外径之比大于等于70％。也就是说采用常规超声检测有局限性，而采用相控阵超声检测没有局限性，显示出相控阵技术的优势。相控阵超声检测技术的优势主要体现在采用多种角度检测，即扇形扫描检测和动态聚焦。但是相控阵超声检测最行之有效方法是采用扇形扫描技术。相控阵扇形扫描检测目前最普遍和检测效率最高的方式是采用非平行扫查(即相控阵探头与焊缝中心线保持一定距离平行于焊缝方向移动，且采用编码器记录行走的位置)。采用相控阵扇形扫描检测存在两个问题：一个是扇形扫描扫查过程中角度在一定范围内发生改变，不仅使入射点发生改变，还使晶片有效主动孔径发生改变。另一个是相控阵超声扇形扫描制作距离-波幅曲线时在试块上前后移动，而实际检测时采用非平行扫查。这两个问题决定相控阵超声采用扇形扫描检测必须要制作角度增益补偿曲线。制作角度增益补偿曲线必须采用试块才能制作。目前国内外有关相控阵超声检测标准中对于制作角度增益补偿的试块存在以下不足：

①目前国内外的无损检测标准中，采用相控阵扇形扫描检测制作角度增益补偿曲线的试块都是适应于曲面环向焊缝及平面焊缝的，没有适用于曲面纵向焊缝的试块。例如美国ASME中ASTM E2491、欧盟ISO13588以及国内的DL/T1718、GB/T32563等标准中都没有规定采用相控阵扇形扫描检测曲率半径为50mm～250mm之间纵向焊缝制作角度增益补偿的试块。

②由于曲面纵向焊缝曲率半径为50mm～250mm，如果采用一比一制作角度增益补偿的试块太多，不现实，无法操作。

这严重阻碍了相控阵超声检测技术在曲面纵向焊缝检测中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，解决现有超声试块不能用于相控阵扇形扫描检测曲面纵向焊缝时制作角度增益补偿曲线的问题；本发明还提供了一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块的调试方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，包括本体和凸台，凸台设置于本体的一侧；

本体两侧设置有弧面二和弧面三，弧面二与弧面三之间设置有平面一，平面一与弧面二和弧面三相连形成本体的底面；

本体的顶部设置有弧面一，弧面一的两侧分别设置有平面二和平面三，弧面一与平面二和平面三相连并形成本体的顶面；凸台的顶面与本体的顶面平齐；平面一、平面二和平面三相互平行；

弧面二和弧面三的半径相等，凸台的侧面上设置有弧面四，弧面二、弧面三和弧面四同轴设置；

弧面二、弧面三和弧面四的轴线位于平面一的中垂面上，并且该轴线位于弧面一内的固定位置；弧面一的中心轴线位于中垂面上，并且该中心轴线在中垂面上的位置是变化的；

过弧面四的轴线并与平面一平行的平面与弧面一相切。

优选的，所述弧面二和弧面三的半径为100mm，弧面四的半径为50mm；平面一的长度为70mm。

优选的，所述弧面一的半径为50-250mm，弧面一横截面的弧长为61-88mm，平面二的长度为62-83mm，平面三的长度为50-61mm。

优选的，所述弧面一的半径为50mm、60mm、72mm、88mm、107.5mm、131mm、160mm、195mm、230mm。

优选的，试块的长度L小于200mm，高度H小于95mm，宽度W不大于60mm，凸台的高度h不大于25mm。

上述曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块的调试方法，包括以下步骤：

S1、根据被检工件的焊缝设定理论检测工艺的扇形角度范围；

S2、采用制作距离-波幅曲线的声束角度，将相控阵探头置于试块弧面一上，使制作距离-波幅曲线声束角度的入射点与轴线位置吻合，找到该角度声束在弧面四或弧面二、弧面三上的最大回波，并将其调整到满屏高度的80％，此波高为基准波高，此时的增益值为基准值0dB；

S3、在试块弧面一上，依次调试扇形角度范围内其他角度的声束在弧面四或弧面二、弧面三上的最大回波，将其调整到满屏高度的80％，将不同角度对应的增益值连接起来形成的曲线，就是角度增益补偿曲线。

本发明专利的试块通过四段不同半径的圆弧和三段不同长度的平面构成碗形凸台形状的试块，解决了采用相控阵超声检测曲面纵向焊缝制作大量角度增益补偿试块的缺点，以及目前国内外相控阵超声标准中没有曲面纵向焊缝制作角度增益补偿试块的不足，本发明专利试块具有以下优点：

①采用相控阵超声扇形扫描检测曲面纵向焊缝时，需要大量一比一的试块。本发明专利仅需要九块具有不同半径的弧面一的试块就可以解决半径为50mm～250mm之间的所有纵向焊缝的角度增益补偿。

②试块上半径为100mm的弧面二、弧面三用于调试低频相控阵探头的角度增益补偿。半径为50mm的弧面四用于调试高频相控阵探头的角度增益补偿。

③本发明专利填补了目前国内外相控阵超声检测标准中没有检测半径为50mm～250mm纵向焊缝制作角度增益补偿的试块的空白。

④本发明专利试块形状新颖独特，结构简单，加工容易。

⑤本发明专利试块体积小、重量轻、携带方便，便于现场实际应用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法实施例的弧面一半径为50mm时的立体结构示意图；

图2为本发明一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法实施例的弧面一半径为50mm时的正视结构示意图；

图3为本发明一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法实施例的弧面一半径为50mm时的俯视结构示意图；

图4为本发明一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法实施例的弧面一半径为50mm时的右视结构示意图；

图5为本发明一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法实施例的弧面一半径为230mm时的立体结构示意图；

图6为本发明一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法实施例的弧面一半径为230mm时的正视结构示意图；

图7为本发明一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法实施例的弧面一半径为230mm时的俯视结构示意图；

图8为本发明一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块及调试方法实施例的弧面一半径为230mm时的右视结构示意图。

附图标记

1、本体；2、凸台；3、弧面一；4、弧面二；5、弧面三；6、平面一；7、弧面四；8、平面二；9、平面三；10、中垂面；11、轴线。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，下列实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。

如图1-8所示，一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，包括本体1和凸台2，凸台2设置于本体1的一侧，凸台2与本体1为一体结构。本体1的形状类似于碗形。本体1两侧设置有弧面二4和弧面三5，弧面二4与弧面三5之间设置有平面一6，平面一6与弧面二4和弧面三5相连形成本体1的底面。本体1顶部的中部设置有弧面一3，弧面一3的两侧分别设置有平面二8和平面三9，弧面一3与平面二8和平面三9相连并形成本体1的顶面。凸台2的顶面与本体1的顶面平齐，即凸台2与本体1共用一个顶面。平面一6、平面二8和平面三9为相互平行的三个平面。

弧面二4和弧面三5的半径相等，半径为100mm。弧面二4和弧面三5之间的平面一6的长度为70mm。凸台2的侧面上设置有弧面四7，弧面四7的半径为50mm。弧面二4、弧面三5和弧面四7同轴设置，即弧面二4和弧面三5位于同一个圆柱面上，弧面四7所在的圆柱面与弧面二4和弧面四7所在的圆柱面的轴线11重合。半径为100mm的弧面二4和弧面三5用于调试7.5MHz以下低频相控阵探头的角度增益补偿。半径为50mm的弧面四7用于调试7.5MHZ及以上高频相控阵探头的角度增益补偿。

弧面二4、弧面三5和弧面四7的轴线11位于平面一6的中垂面10上，并且该轴线11位于弧面一3内的位置是固定的。弧面一3的中心轴线(弧面一3所在的圆柱面的轴线)也位于平面一6的中垂面10上，并且该中心轴线在中垂面10上的位置是变化的。过弧面四7的轴线11并与平面一6平行的平面与弧面一3相切。

弧面一3的半径在50-250mm范围内变化，弧面一3横截面的弧长为61-88mm，平面二8的长度为62-83mm，平面三9的长度为50-61mm。弧面一3的半径为50mm、60mm、72mm、88mm、107.5mm、131mm、160mm、195mm、230mm，不同半径的弧面一3对应着一个不同的试块，通过这九个具有不同半径弧面一3的试块就可以解决半径为50mm～250mm之间的所有纵向焊缝的角度增益补偿。

试块的长度L小于200mm，高度H小于95mm，宽度W不大于60mm，凸台2的高度h不大于25mm。

实施例一

检测规格为Φ100mm×12mm的管子纵向焊缝，焊缝坡口形式为V型，坡口角度为30°、钝边高度为1.5mm。采用具有半径为50mm弧面一3的试块，调试角度增益补偿曲线。

检测仪器为ISONIC2009相控阵超声检测仪器，相控阵探头参数：一维16晶片的小径管专用探头，频率为7.5MHz或10MHz、相邻两晶片中心线间距为0.5mm、晶片宽度或阵元宽度为0.4mm、相邻两晶片的间隙为0.1mm、晶片曲率半径为35mm、楔块角度为39°、楔块声速为2337m/s，楔块纵向曲率半径为50mm，一次激发16晶片。

曲面纵向焊缝相控阵超声检测角度增益补偿试块：采用弧面一3半径为50mm的试块，试块的长度为198.35mm，宽度为60mm，高度为93.7mm，平面二8的长度为82.85mm，平面三9的长度为60.1mm，弧面一3的弧长为61.09mm。

调试过程：

规格为Φ100mm×12mm的管子纵向焊缝采用相控阵检测工艺设置按一次波扇形扫描和二次波扇形扫描同时设置进行检测，制作距离-波幅曲线(即DAC曲线)，及对应的角度增益补偿曲线。其制作曲面纵向焊缝相控阵超声检测角度增益补偿曲线步骤如下：

S1、设定理论检测工艺的扇形角度范围为38°～72°；

S2、采用制作距离-波幅曲线的声束角度，即60°的声束，将相控阵探头置于弧面一3上，使60°的声束的入射点与轴线11位置吻合，找到该角度声束在凸台2的弧面四7上的最大回波，将其调整到满屏高度的80％，此波高为基准波高，此时的增益值为基准值0dB；

S3、在弧面一3上，依次调试扇形角度范围内(即38°～72°)其他角度的声束在凸台2的弧面四7上的最大回波，将其调整到满屏高度的80％，将不同角度对应的增益值连接起来形成的曲线，就是角度增益补偿曲线。

实施例二：

检测规格为Φ500mm×30mm的管子纵向焊缝，焊缝坡口形式为V型，坡口角度为23°、钝边高度为2mm。采用具有半径为230mm弧面一3的试块，调试角度增益补偿曲线。

检测仪器为ISONIC2009相控阵超声检测仪器，相控阵探头参数：一维32晶片，频率为5MHz、相邻两晶片中心线间距为0.5mm、晶片宽度或阵元宽度为0.4mm、相邻两晶片的间隙为0.1mm、楔块角度为36°、楔块声速为2337m/s，楔块纵向曲率半径为230mm，一次激发16晶片(即9-24)。

曲面纵向焊缝相控阵超声检测角度增益补偿试块：采用弧面一3半径为230mm的试块，试块的长度为199.8mm，宽度为60mm，高度为93.7mm，平面二8的长度为62.8mm，平面三9的长度为50mm，弧面一3的弧长为87.45mm。

调试过程：

规格为Φ500mm×30mm的管子纵向焊缝采用相控阵检测工艺设置按一次波扇形扫描和二次波扇形扫描同时设置进行检测，制作距离-波幅曲线(即DAC曲线)，及对应的角度增益补偿曲线。其制作曲面纵向焊缝相控阵超声检测角度增益补偿曲线步骤如下：

S1、设定理论检测工艺的扇形角度范围为38°～75°；

S2、采用制作距离-波幅曲线的声束角度，即50°的声束，将相控阵探头置于弧面一3上，使50°的声束的入射点与轴线11位置吻合，找到该角度声束在R100的弧面二4和弧面三5上的最大回波，将其调整到满屏高度的80％，此波高为基准波高，此时的增益值为基准值0dB；

S3、在弧面一3上，依次调试扇形角度范围内(即38°～75°)其他角度的声束在R100的弧面二4和弧面三5上的最大回波，将其调整到满屏高度的80％，将不同角度对应的增益值连接起来形成的曲线，就是角度增益补偿曲线。

本发明采用上述结构的曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，能够解决现有超声试块不能用于相控阵扇形扫描检测曲面纵向焊缝时制作角度增益补偿曲线的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，其特征在于：包括本体(1)和凸台(2)，凸台(2)设置于本体(1)的一侧；

本体(1)两侧设置有弧面二(4)和弧面三(5)，弧面二(4)与弧面三(5)之间设置有平面一(6)，平面一(6)与弧面二(4)和弧面三(5)相连形成本体(1)的底面；

本体(1)的顶部设置有弧面一(3)，弧面一(3)的两侧分别设置有平面二(8)和平面三(9)，弧面一(3)与平面二(8)和平面三(9)相连并形成本体(1)的顶面；凸台(2)的顶面与本体(1)的顶面平齐；平面一(6)、平面二(8)和平面三(9)相互平行；

弧面二(4)和弧面三(5)的半径相等，凸台(2)的侧面上设置有弧面四(7)，弧面二(4)、弧面三(5)和弧面四(7)同轴设置；

弧面二(4)、弧面三(5)和弧面四(7)的轴线(11)位于平面一(6)的中垂面(10)上，并且该轴线(11)位于弧面一(3)内的固定位置；弧面一(3)的中心轴线位于中垂面(10)上，并且该中心轴线在中垂面(10)上的位置是变化的；

过弧面四(7)的轴线(11)并与平面一(6)平行的平面与弧面一(3)相切。

2.根据权利要求1所述的一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，其特征在于：所述弧面二(4)和弧面三(5)的半径为100mm，弧面四(7)的半径为50mm；平面一(6)的长度为70mm。

3.根据权利要求1所述的一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，其特征在于：所述弧面一(3)的半径为50-250mm，弧面一(3)横截面的弧长为61-88mm，平面二(8)的长度为62-83mm，平面三(9)的长度为50-61mm。

4.根据权利要求3所述的一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，其特征在于：所述弧面一(3)的半径为50mm、60mm、72mm、88mm、107.5mm、131mm、160mm、195mm、230mm。

5.根据权利要求1所述的一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块，其特征在于：试块的长度L小于200mm，高度H小于95mm，宽度W不大于60mm，凸台(2)的高度h不大于25mm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种曲面纵向焊缝相控阵检测角度增益补偿试块的调试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据被检工件的焊缝设定理论检测工艺的扇形角度范围；

S2、采用制作距离-波幅曲线的声束角度，将相控阵探头置于试块弧面一(3)上，使制作距离-波幅曲线声束角度的入射点与轴线(11)位置吻合，找到该角度声束在弧面四(7)或弧面二(4)、弧面三(5)上的最大回波，并将其调整到满屏高度的80％，此波高为基准波高，此时的增益值为基准值0dB；

S3、在试块弧面一(3)上，依次调试扇形角度范围内其他角度的声束在弧面四(7)或弧面二(4)、弧面三(5)上的最大回波，将其调整到满屏高度的80％，将不同角度对应的增益值连接起来形成的曲线，就是角度增益补偿曲线。

Images