CN111351865A - 一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头 - Google Patents

一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头 Download PDF

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刘云
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Abstract

本发明涉及高温紧固螺栓超声检测技术领域，具体公开了一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头。该探头中在圆锥形探头楔块的圆锥面上布置有若干个相控阵探头晶片，每个相控阵探头晶片均通过晶片电缆相连接并汇总至集束同轴电缆组中，套在晶片电缆上的探头壳体安装在圆锥形探头楔块后端，并与集束同轴电缆组封装形成整体结构。该探头可以在螺栓中心孔内实现对中定位，探头声束入射进螺栓内形成固定角度横波声束，同时无需旋转螺栓或旋转探头，避免了机械旋转带来的晃动对超声检测信号干扰，只需通过电子控制探头晶片的激发时序，就可以对螺栓的螺纹孔区和光杆区实现全体积超声检测，同时电子扫描使检测效率大大提高。

Description

一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头
技术领域
本发明属于高温紧固螺栓超声检测技术领域，具体涉及一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头。
背景技术
高温紧固螺栓是保持承压容器及设备密封性的关键部件，目前在电厂的压力容器，汽轮机高﹑低压缸等设备上都大量使用了紧固螺栓。这些紧固螺栓长期工作在高拉升应力，高温高压环境下，在核电厂中使用时还处于放射性环境下，螺栓材料会发生疲劳﹑蠕变等现象，极易产生裂纹等危险性缺陷，从而造成螺栓断裂。按照电厂金属技术监督规程以及无损检测规范要求，必须定期对高温紧固螺栓进行超声检验，以及时发现紧固螺栓中出现的危险性缺陷，保障电厂设备的安全运行。
高温紧固螺栓的超声检验区域包括螺纹区和光杆区，目前，针对高温紧固螺栓的超声检测一般从其中心孔内侧采用频率2～5MHz的45°常规横波探头进行，手动检测时使用接触式探头，自动检测时使用水浸式探头。自动超声检测技术相对手动超声检测技术有诸多优点，如：1)可提高批量检测的工作效率，降低操作人员的劳动强度；2)可减少人因因素造成的缺陷漏检，提高检测结果的可靠性，等等。自动检测时，需要使用特殊的机械装置，使固定在装置上的螺栓做圆周旋转运动，同时通过带螺纹的长杆驱动探头沿螺栓轴线方向运动。由于受到螺栓旋转速度的限制以及探头声束覆盖的要求，这种利用常规探头进行的自动超声检测机械装置需要体积较大的大功率电机以及齿轮或皮带传动结构，因此装置庞大复杂，同时检测速度往往较慢。随着超声脉冲信号控制以及信号处理技术的不断发展，相控阵超声技术以其高速高效的优越性能越来越得到广泛应用。为了小巧化机械转置结构，提高自动超声检测速度和灵活性，有必要设计出一种针对高温紧固螺栓高速高效全体积超声检测的专用相控阵探头，通过电子控制探头晶片的激发时序，实现超声波声束的电子环形扫描来完成紧固螺栓的检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，能够在无需机械旋转紧固螺栓的状态下，从中心孔内侧实施高速全体积覆盖的自动超声检测，使紧固螺栓的自动超声检测更加灵活高效。
本发明的技术方案如下：一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，该探头包括圆锥形探头楔块、相控阵探头晶片以及探头壳体，其中，在圆锥形探头楔块的圆锥面上布置有若干个相控阵探头晶片，每个相控阵探头晶片均通过晶片电缆相连接并汇总至集束同轴电缆组中，套在晶片电缆上的探头壳体安装在圆锥形探头楔块后端，并与集束同轴电缆组封装形成整体结构。
所述的圆锥形楔块的圆锥楔块角度θ可根据探头声束入射到紧固螺栓中的角度横波要求确定，其中，检测时中心孔内冲入水作为耦合剂，根据超声波折射原来，利用公式
Figure RE-GDA0001978034870000021
以及公式θ＝α，可求解出圆锥楔块角度θ值，其中， C水为水介质声速；C螺为螺栓中声速；α为入射声束与中心孔内表面法线夹角；β为螺栓中折射声束与中心孔内表面法线夹角。
所述的探头壳体外壁后端安装有花瓣式对中定位支撑环，用于实现相控阵探头在高温紧固螺栓中支撑和对中；所述的对中定位支撑环为塑料材质。
所述的圆锥形探头晶片上沿圆锥面上呈扇形均匀布置有16片以上的相控阵探头晶片。
所述的相控阵晶片为梯形片状结构，其为复合晶片，频率为2～4MHz。
所述的相控阵探头晶片采用圆周线扫电子时序激发模式对探头晶片进行激发，一次至少激发4个相邻相控阵探头晶片，次序激发相控阵探头晶片的间隔为1。
所述的相控阵探头声束入射到紧固螺栓中的角度横波在35°～55°范围内选择。
所述的电子时序次序激发相控阵探头晶片并沿圆周方向循环，从而产生恒定角度的声束沿着圆周方向进行环形电子扫描。
所述的探头壳体的圆柱形壳体直径D1比紧固螺栓D2中心孔直径小4～ 6mm，探头壳体与紧固螺栓间隙空间为耦合剂水的注入提供通道。
本发明的显著效果在于：本发明所述的用于高温紧固螺栓中心孔内侧自动超声检测的相控阵探头，可以在螺栓中心孔内实现对中定位，探头声束入射进螺栓内形成固定角度横波声束，同时无需旋转螺栓或旋转探头，避免了机械旋转带来的晃动对超声检测信号干扰，只需通过电子控制探头晶片的激发时序，就能使探头产生沿圆周方向的电子扫描声束，探头沿着螺栓轴线方向进行单一的直线运动，就可以对螺栓的螺纹孔区和光杆区实现全体积超声检测，同时电子扫描使检测效率大大提高。
附图说明
图1为本发明所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头结构示意图；
图2为本发明所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头声束示意图；
图3为本发明所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头中晶片布置方式及激发示意图；
图4为本发明所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头检测示意图；
图中：1、圆锥形探头楔块；2、相控阵探头晶片；3、晶片电缆；4、集束同轴电缆组；5、探头壳体；6、对中定位支撑环；7、紧固螺栓。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1～3所示，一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，包括圆锥形探头楔块1、相控阵探头晶片以及探头壳体5，其中，在圆锥形探头楔块1的圆锥面上布置有若干个相控阵探头晶片2，每个相控阵探头晶片2均通过晶片电缆3相连接并汇总至集束同轴电缆组4中，探头壳体5安装在圆锥形探头楔块1后端，并与集束同轴电缆组4封装形成整体结构，在探头壳体5外壁后端安装有花瓣式对中定位支撑环6，用于实现相控阵探头在高温紧固螺栓中支撑和对中，保证相控阵探头在紧固螺栓7中心孔内沿着螺栓轴线方向运动时，相控阵探头轴线中心始终在紧固螺栓7中心孔轴线中心上；对中定位支撑环6 材质为塑料，其在紧固螺栓中心孔内运动时不会划上中心孔表面；圆锥形探头楔块1的圆锥楔块角度θ可根据探头声束入射到紧固螺栓7中的角度横波要求确定，其中，检测时中心孔内冲入水作为耦合剂，根据超声波折射原来，利用公式
Figure RE-GDA0001978034870000041
以及公式θ＝α，可求解出圆锥楔块角度θ值，其中，C水为水介质声速；C螺为螺栓中声速；α为入射声束与中心孔内表面法线夹角；β为螺栓中折射声束与中心孔内表面法线夹角；相控阵探头晶片2为梯形结构，至少16 片以上的相控阵探头晶片2沿着圆锥形探头楔块1呈扇形均匀布置，相控阵探头晶片2材料为复合晶片，频率为2～4MHz，具体尺寸根据圆锥形探头楔块1 的最小直径和最大直径相确定；对相控阵探头晶片2采用圆周线扫电子时序激发模式对探头晶片进行激发，一次至少激发4个相邻相控阵探头晶片2，次序激发相控阵探头晶片2的间隔为1，即第一激发1～4号相控阵探头晶片，第二次激发2～5号相控阵探头晶片，第三次激发3～6号相控阵探头晶片，第四次激发4～7 号相控阵探头晶片……以此类推。电子时序次序激发晶片并沿圆周方向循环，从而产生恒定角度的声束沿着圆周方向进行环形电子扫描。探头壳体5的圆柱形壳体直径D1比紧固螺栓D2中心孔直径小4～6mm，探头壳体5与紧固螺栓间隙空间为耦合剂水的注入提供通道。
如图4所示，本发明所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头沿着紧固螺栓中心孔轴线方向进行单一的直线运动，从一端运动到另一端，即可实现对螺栓的螺纹孔区的光杆区实现全体积超声检测。

Claims (9)

1.一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，其特征在于：该探头包括圆锥形探头楔块(1)、相控阵探头晶片以及探头壳体(5)，其中，在圆锥形探头楔块(1)的圆锥面上布置有若干个相控阵探头晶片(2)，每个相控阵探头晶片(2)均通过晶片电缆(3)相连接并汇总至集束同轴电缆组(4)中，套在晶片电缆(3)上的探头壳体(5)安装在圆锥形探头楔块(1)后端，并与集束同轴电缆组(4)封装形成整体结构。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，其特征在于：所述的圆锥形楔块(1)的圆锥楔块角度θ可根据探头声束入射到紧固螺栓7中的角度横波要求确定，其中，检测时中心孔内冲入水作为耦合剂，根据超声波折射原来，利用公式
Figure RE-FDA0001978034860000011
以及公式θ＝α，可求解出圆锥楔块角度θ值，其中，C水为水介质声速；C螺为螺栓中声速；α为入射声束与中心孔内表面法线夹角；β为螺栓中折射声束与中心孔内表面法线夹角。
3.根据权利要求1所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，其特征在于：所述的探头壳体(5)外壁后端安装有花瓣式对中定位支撑环(6)，用于实现相控阵探头在高温紧固螺栓中支撑和对中；所述的对中定位支撑环(6)为塑料材质。
4.根据权利要求1所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，其特征在于：所述的圆锥形探头晶片(2)上沿圆锥面上呈扇形均匀布置有16片以上的相控阵探头晶片(2)。
5.根据权利要求1或4所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，其特征在于：所述的相控阵晶片(2)为梯形片状结构，其为复合晶片，频率为2～4MHz。
6.根据权利要求4所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，其特征在于：所述的相控阵探头晶片(2)采用圆周线扫电子时序激发模式对探头晶片进行激发，一次至少激发4个相邻相控阵探头晶片(2)，次序激发相控阵探头晶片(2)的间隔为1。
7.根据权利要求2所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，其特征在于：所述的相控阵探头声束入射到紧固螺栓(7)中的角度横波在35°～55°范围内选择。
8.根据权利要求6所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，其特征在于：所述的电子时序次序激发相控阵探头晶片(2)并沿圆周方向循环，从而产生恒定角度的声束沿着圆周方向进行环形电子扫描。
9.根据权利要求1所述的一种用于高温紧固螺栓中心孔内侧超声检测的相控阵探头，其特征在于：所述的探头壳体(5)的圆柱形壳体直径D1比紧固螺栓D2中心孔直径小4～6mm，探头壳体(5)与紧固螺栓(7)间隙空间为耦合剂水的注入提供通道。
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