CN111965261A - 一种周向导波超声换能器加工位置的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种周向导波超声换能器加工位置的计算方法，包括：步骤1，根据规则的人工反射体缺陷的反射情况测得探头的前沿长度h，在保证换能器和管壁良好耦合的基础上，选取加工深度b；步骤2，分两种情况对换能器加工位置进行计算，其中，情况1为已知楔块中入射角的情况，情况2为已知楔块中声速的情况；步骤3，计算加工的圆心角和弧长：对管径进行测量得到管道直径，并得到管道半径r；根据步骤1中b和r计算得到需要加工的圆心角φ及弧长L。本发明能够确保检测过程中对缺陷判定的准确性。

Description

一种周向导波超声换能器加工位置的计算方法

技术领域

本发明属于超声无损检测技术领域，尤其涉及一种周向导波超声换能器加工位置的计算方法。

背景技术

受热面管弯头为钢管弯制的弯头。钢管弯制的弯头,不仅由于弯管工艺引起弯头外侧壁厚减小,内侧壁厚增大,而且常在径向截面内产生椭圆度。椭圆短轴在回转体的径向弯头承压后有变圆趋势,于是在弯头内、外侧的外壁及中性面内壁产生拉应力。在拉应力作用下，弯管中性面内壁极易产生裂纹，严重威胁了电站设备的安全运行。当受热面管内壁产生裂纹后，会导致周围弯管吹损减薄，进而发生漏泄事故，裂纹走向常见于垂直于径向。

常规对弯头部位的壁厚测定采用超声法，由于超声测厚是单点检测，容易产生漏检；在检测中，即使发现了减薄，也很难测量减薄的面积。超声导波能对管道进行长距离检测，是一种低成本、高安全性和更高效率的新技术。对于上述缺陷可采用低频压电激发的导波进行检测，由于受热面管径常见于Φ63.0×4.0mm、Φ54.0×5.0mm、Φ60.0×10.0mm等，因此受热面管曲率较大实际检测过程中超声波换能器和管壁耦合效果较差，由于缺陷灵敏度较低，容易造成对缺陷的漏检。

发明内容

本发明的目的是提供一种周向导波超声换能器加工位置的计算方法，通过增大换能器与管壁的接触面积提升耦合效果，通过精确计算确保检测过程中对缺陷判定的准确性。

本发明提供了一种周向导波超声换能器加工位置的计算方法，包括如下步骤：

步骤1，根据规则的人工反射体缺陷的反射情况测得探头的前沿长度h，在保证换能器和管壁良好耦合的基础上，选取加工深度b；

步骤2，分两种情况对换能器加工位置进行计算，其中，情况1为已知楔块中入射角的情况，情况2为已知楔块中声速的情况；

当为情况1时，将步骤1中h、b的值代入到公式(1)中，计算得到加工位置；

h+a＝h+b*cotα (1)

式中，α为楔块中的折射角；a为实际加工达到最佳耦合效果后入射点向后的偏移量；

当为情况2时，将步骤1中的h、b的代入公式(2)，计算得到加工位置：

式中，a为实际加工达到最佳耦合效果后入射点向后的偏移量；c1为楔块中的声速；c2为钢中声速；β为钢中的折射角；

步骤3，计算加工的圆心角和弧长：

对管径进行测量得到管道直径，并得到管道半径r；

将步骤1中b和r代入公式(3)、(4)，计算得到需要加工的圆心角φ及弧长L；

φ＝2arccos((r-b)/r) (3)

L＝r*2arccos((r-b)/r) (4)。

进一步地，该方法还包括：

根据计算所得的换能器加工位置数据，以及加工的圆心角和弧长数据制作换能器加工示意图，并按照加工示意图进行机械加工。

借由上述方案，通过周向导波超声换能器加工位置的计算方法，能够确保检测过程中对缺陷判定的准确性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1是本发明换能器加工位置计算示意图；

图2是本发明换能器加工角度及弧长计算示意图；

图3是本发明一实施例中换能器加工示意图；

图4是本发明一实施例中晶片尺寸12×8mm换能器加工前后采集数据图像；

图5是本发明另一实施例中换能器加工示意图；

图6是本发明另一实施例中晶片尺寸12×8mm换能器加工前后采集数据图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供了一种周向导波超声换能器加工位置的计算方法，主要采用反推计算，先假设得到加工后的最佳耦合位置，再对需要加工的位置范围进行计算。其中，主要包括两个部分进行计算，首先对换能器需要加工的位置进行计算，其次计算需要加工的弧长及圆心角度。其中，换能器加工位置的计算分为两种情况，第一种是已知楔块中的折射角α；第二种是已知楔块中的声速c1，具体计算过程如下：

1、换能器加工位置的计算

在对换能器表面进行加工时，必须要确保管件中的声速传播方向与未加工之前一致，图1为换能器加工位置计算示意图，a)为加工前，b)为加工后。

图1中h为加工前探头前沿的实际测量值，α为楔块中的折射角，β为钢中的折射角，a为实际加工达到最佳耦合效果后入射点向后的偏移量，b为加工深度，b是在保证超声换能器能够与管壁良好耦合的情况下自由选取的值，计算如下：

1)当已知楔块中的折射角α，选取加工深度为bmm。

由几何关系可知偏移量a＝b*cotα。因此，加工位置h+a计算如式(1)所示。

h+a＝h+b*cotα (1)

因此，可知在不改变原有聚焦法则的基础上，在h+a处加工bmm即可保证换能器与管壁耦合良好。

2)当已知楔块中的声速c1，选取加工深度为bmm。

钢中声速c2可通过实际测得，根据折射定律可知：

推导可知：

因此，加工位置h+a计算如式(2)所示

因此，实际检测过程中对探头加工时，在确定检测的管径后确定加工的厚度为bmm时，通过计算后可在h+a处进行加工。

2)换能器加工角度及弧长的计算

图2为换能器加工角度及弧长计算示意图，观察图中的几何关系可知，φ/2＝arccos((r-b)/r)。

因此，加工探头的圆心角如式(3)所示。

φ＝2arccos((r-b)/r) (3)

根据弧长公式计算弧长L如式(4)所示。

L＝r*2arccos((r-b)/r) (4)

其中r为管道半径，b为实际加工深度。

该计算方法的具体步骤如下：

1)计算前先根据规则的人工反射体缺陷的反射情况测得探头的前沿长度h，为了保证换能器和管壁良好的耦合选取合适的加工深度b。

2)计算过程中对于加工位置的计算分为两种情况。情况1为已知楔块中的入射角α、情况2为已知楔块中的声速。

3)情况1当已知楔块中的角度α时，将1)中的h、b的值代入到公式(1)中，计算得到加工位置。

4)情况2当已知楔块中的声速时，可在人工反射体中实测出钢中的折射角β、钢中的声速C2。将1)中的h、b的代入公式(2)，计算得到加工位置。

5)计算完加工位置后再计算加工的圆心角和弧长，先对管径进行测量得到管径值。将1)中b和实测管径值代入公式(3)、(4)计算得到需要加工的圆心角及弧长。

下面通过具体实例对本发明作进一步详细说明.

采用晶片尺寸为12×8mm的导波换能器、直径为51mm管道进行试验。

1)情况1已知楔块中的入射角α

①首先在人工反射体上，根据距离声程测定探头前沿数值取三次平均值，测定值约h为11.8mm。

②采用游标卡尺测量管道外径取三次平均值，实测管径平均值d为51.00mm，根据管径选择加工深度为1mm。

③查找换能器资料楔块中的入射角α为40°。

④将α＝40°、b＝1mm代入公式(1)计算可知加工位置为12.99mm处。

⑤将测得的管道直径d＝51.00mm和实际加工深度b＝1mm代入公式(3)、(4)计算可得到加工弧长及圆心角，加工圆心角为32.30°，加工弧长为7.16mm。

⑥根据公式计算所得数据，画出换能器需要加工示意图如图3所示，按照该图示进行机械加工。

⑦加工前和根据上述方法加工后的换能器采集数据图像对比如图4所示，其中，a)为加工前的图像，b)为加工后的图像。

可知加工后换能器与管壁的耦合效果得到了较大的提升，缺陷波幅明显提高，因此采用此方法可提高周向导波换能器与管壁的耦合状态。

2)情况2已知楔块中的声速C1为2700m/s。

①首先在人工反射体中测出钢中的折射角β为45°、钢中的声速C2为3200m/s。

②在人工反射体中测得探头前沿h为11.8mm，游标卡尺测得管道直径取三次平均值为51.03mm，根据管径选择加工深度b＝1mm。

③将上述数据h＝11.8mm、C1＝2700m/s、C2＝3200m/s代入公式(2)计算得到加工位置为12.96mm。

④将测得的管道直径d＝51.03mm和实际加工深度b＝1mm代入公式(3)、(4)计算可得到加工弧长及圆心角，加工圆心角为32.19°，加工弧长为7.17mm。

⑤根据计算所得数据，画出换能器需要加工示意图,如图5所示，按照该图示进行机械加工。

图6为晶片尺寸12×8mm探头加工前后采集数据图像，其中，a)为加工前的图像，b)为加工后的图像，观察可知，在采用该方法进行计算加工后，探头与管壁得到了最佳的耦合效果，波幅具有明显的提升。

该周向导波超声换能器加工位置的计算方法，通过增大换能器与管壁的接触面积提升了耦合效果，通过精确计算确保了检测过程中对缺陷判定的准确性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种周向导波超声换能器加工位置的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据规则的人工反射体缺陷的反射情况测得探头的前沿长度h，在保证换能器和管壁良好耦合的基础上，选取加工深度b；

步骤2，分两种情况对换能器加工位置进行计算，其中，情况1为已知楔块中入射角的情况，情况2为已知楔块中声速的情况；

当为情况1时，将步骤1中h、b的值代入到公式(1)中，计算得到加工位置；

h+a＝h+b*cotα (1)

式中，α为楔块中的折射角；a为实际加工达到最佳耦合效果后入射点向后的偏移量；

当为情况2时，将步骤1中的h、b的代入公式(2)，计算得到加工位置：

式中，a为实际加工达到最佳耦合效果后入射点向后的偏移量；c1为楔块中的声速；c2为钢中声速；β为钢中的折射角；

步骤3，计算加工的圆心角和弧长：

对管径进行测量得到管道直径，并得到管道半径r；

将步骤1中b和r代入公式(3)、(4)，计算得到需要加工的圆心角φ及弧长L；

φ＝2arccos((r-b)/r) (3)

L＝r*2arccos((r-b)/r) (4)。

2.根据权利要求1所述的周向导波超声换能器加工位置的计算方法，其特征在于，还包括：

根据计算所得的换能器加工位置数据，以及加工的圆心角和弧长数据制作换能器加工示意图，并按照加工示意图进行机械加工。

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