CN112557513B - 一种新材料螺栓的横波声速测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新材料螺栓的横波声速测量装置及测量方法，测量装置包括可变角度探头结构、超声波探伤仪、CSK‑ⅠA标准试块和待测新材料螺栓。可变角度探头结构能向CSK‑ⅠA标准试块和待测新材料螺栓中发射超声波波束。超声波探伤仪能够检测超声波横波反射波幅。本发明提供的新材料螺栓的横波声速测量方法，牙型角的角度值α作为重要的已知参数来进行螺栓横波声速的测量，不用破坏螺栓，无需用尺子测量镍基合金螺栓的多个尺寸参数，也无需大量计算，通过操作超声波探头和简单计算相结合的方法，就能够快速准确的测量新螺栓材质的横波声速。

Description

一种新材料螺栓的横波声速测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及新材料螺栓的横波声速测量领域，具体涉及一种新材料螺栓的横波声速测量装置及测量方法。
背景技术
随着超超临界发电机组的大力发展，汽轮机主汽门、调节汽门等温度高达600℃以上，常规的低合金耐热螺栓已难以满足要求。目前，国内运行的为数不多的数台超超临界发电机组的主汽门基本采用高温性能较好的镍基合金等新材料螺栓。由于合金元素及微观组织等存在差异，不同牌号的高温镍基合金螺栓的声速也存在着巨大差异。镍基新材料横波声速的未知会带来螺栓超声波横波检测缺陷回波定位的困难。
而一般发电机组用主汽门用螺栓为低合金材质，因为应用时间较长，加之成本较低，可将螺栓破坏，加工成超声波检测用试块，以测量超声波横波声速及探头折射角。但是超超临界发电机组运行时间较短，加之镍基合金螺栓价格极其昂贵，一条约为十万元人民币，不允许对其进行破坏后加工成超声波检测用试块，来测量其超声波横波声速。并且镍基合金螺栓与低合金螺栓超声波横波声速相差甚远，也不能在低合金螺栓上测量好超声波横波声速及探头折射角后，直接用于检测镍基合金螺栓。
目前螺栓在进行超声波检验测量声速以对发现的缺陷回波进行定位时，通常测量某一个螺纹反射回波的传播时间t，以及该探头入射点到螺纹的水平距离a、螺栓直径b，通过勾股定理计算声波速度v(为简化，时间仅按单程计算)：
Figure BDA0002829075380000011
这样计算简便，但不精确，主要是a(即附图中的A点到超声波反射螺纹的水平距离)不易测量准确；且有时候螺帽未拆，无法测得a，这种计算方法就不可行。
公开号为：104931587B的中国专利介绍了一种超超临界发电机组主汽门用镍基合金螺栓超声波横波声速测量方法，其核心技术是将螺纹深度h作为一个重要的固定参数。公开号为：104990983B的中国专利介绍了一种镍基新材料螺栓的横波声速测量方法，其核心技术是将螺纹螺距m作为一个重要的固定参数。两种方法的特点都是均需实测多个数据，且计算量也较为繁杂。因此有必要开发一种新的方法，不用破坏螺栓，通过操作超声波探头和简单计算相结合的方法，快速准确的测量新螺栓材质的横波声速。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的是提供了一种新材料螺栓的横波声速测量装置。
本发明采用以下的技术方案：
一种新材料螺栓的横波声速测量装置，包括可变角度探头结构、超声波探伤仪、CSK-ⅠA标准试块和待测新材料螺栓；
可变角度探头结构能向CSK-ⅠA标准试块和待测新材料螺栓中发射超声波波束；
超声波探伤仪能够检测超声波横波反射波幅。
优选地，可变角度探头结构包括探头紧固块、楔块、第一曲柄、第二曲柄、螺钉和底座，底座的顶面为弧形面，楔块的底面与底座的顶面相契合，楔块能在底座的顶面上滑动，所述第一曲柄连接在楔块上，第二曲柄连接在底座上，第一曲柄和第二曲柄通过螺钉连接在一起；
所述探头紧固块固定在楔块的顶部，探头紧固块上设置有超声波探头；
通过旋转螺钉能够调节楔块和底座结合的松紧程度，从而使楔块能在底座顶面自由滑动，或者固定于某个角度。
优选地，所述底座上刻有角度值，能够精确地确定超声波探头的角度值。
本发明的第二目的是提供了一种新材料螺栓的横波声速测量方法，本方法操作方便、计算简单，能够快速准确的测量新螺栓材质横波声速。
一种新材料螺栓的横波声速测量方法，采用以上所述的一种新材料螺栓的横波声速测量装置，测量方法包括以下步骤：
步骤1：在CSK-ⅠA标准试块上调节可变角度探头结构中超声波探头的角度，使得超声波探头发出的超声波波束在CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值为θ1，同时标定可变角度探头结构的入射点；
步骤2：保持步骤1中可变角度探头结构中超声波探头的角度不变，在待测新材料螺栓上前后移动可变角度探头结构的位置，使用可变角度探头结构测量待测新材料螺栓，利用超声波探伤仪测量待测新材料螺栓中螺纹处的超声波横波反射波幅，使得超声波横波反射波幅达到最大；
步骤3：保持步骤2中可变角度探头结构的位置不变，在待测新材料螺栓上调整超声波探头的角度，利用超声波探伤仪测量待测新材料螺栓中螺纹处的超声波横波反射波幅，使得超声波横波反射波幅再次达到最大；
步骤4：多次重复步骤2和步骤3，得到超声波探头发出的超声波波束与螺纹的牙型角的边垂直时在待测新材料螺栓中的折射角度值θ2，θ2与θ1相等；
步骤5：锁定超声波探头的角度，在步骤1标定的入射点重新测得CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值θ′1；
步骤6：根据斯涅耳定理，计算出超声波在待测新材料螺栓中的横波声速。
优选地，步骤1中的θ1等于(90°-α/2)，其中，α为待测新材料螺栓中的螺纹的牙型角的角度值。
优选地，保持步骤1中可变角度探头结构中超声波探头的角度不变是指：
超声波探头发出的超声波波束在CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值为θ1时的超声波探头的角度不变。
优选地，保持步骤2中可变角度探头结构的位置不变是指：
超声波横波反射波幅达到最大时的可变角度探头结构的位置不变。
优选地，步骤2和步骤3中的螺纹处的超声波横波反射波幅为待测新材料螺栓的第2个螺纹处的超声波横波反射波幅。
优选地，所述第2个螺纹为待测新材料螺栓自上向上的第2个螺纹。
优选地，步骤6具体包括：
根据公式：
Figure BDA0002829075380000031
其中，Cs1为CSK-ⅠA标准试块的横波声速；
Cs2为待测新材料螺栓的横波声速。
本发明具有的有益效果是：
本发明提供的新材料螺栓的横波声速测量装置及测量方法，不用破坏螺栓，不需要测量太多的数据，通过操作超声波探头和简单计算相结合的方法，就能够快速准确的测量新螺栓材质的横波声速。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为可变角度探头结构的示意图。
图2为实施例3的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种新材料螺栓的横波声速测量装置，包括可变角度探头结构、超声波探伤仪、CSK-ⅠA标准试块和待测新材料螺栓。
可变角度探头结构能向CSK-ⅠA标准试块和待测新材料螺栓中发射超声波波束。
超声波探伤仪能够检测超声波横波反射波幅。
超声波探伤仪的型号为CTS-1008。
如图1，可变角度探头结构包括探头紧固块1、楔块2、第一曲柄3、第二曲柄4、螺钉5和底座6，底座6的顶面为弧形面，楔块2的底面与底座6的顶面相契合，楔块能在底座的顶面上滑动。
第一曲柄3连接在楔块上，第二曲柄4连接在底座上，第一曲柄3和第二曲柄4通过螺钉5连接在一起。
探头紧固块1固定在楔块2的顶部，探头紧固块上设置有超声波探头。
通过旋转螺钉能够调节楔块和底座结合的松紧程度，从而使楔块能在底座顶面自由滑动，或者固定于某个角度。
底座上刻有角度值，以便于在操作时能够精确地确定超声波探头的角度值。
上述可变角度探头结构可详见公告号为CN 201662564 U的中国专利。
当然也可以选择其他的可变角度探头，例如汕头超声生产的可变角度探头，也允许用户调节晶片的入射角度。可调节范围从0度到90度，随着晶片入射角度的改变，在被检测的工件中产生相应折射角的纵波、横波或者表面波。
实施例2
螺栓的几何形状应符合设计文件、制造标准、工程手册的要求。其主要参数有大径d、小径d1、中径d2、螺距P和牙型角的角度值α等。对于特定螺栓，上述所有的参数都是固定值，可以从设计图纸、依据标准规范或者实测得到确切数值。
在说明测量方法前，首先说明一个螺栓的重要参数。
将螺栓中螺纹的牙型角的角度值α作为一个重要的已知固定参数。
螺栓的螺纹牙型角角度值α是一个重要的制造参数，在相关标准规程、设计图纸都做了明确的规定。本发明把牙型角的角度值α作为重要的已知参数来进行螺栓横波声速的测量。
一种新材料螺栓的横波声速测量方法，采用如实施例1述的一种新材料螺栓的横波声速测量装置，测量方法包括以下步骤：
步骤1：在CSK-ⅠA标准试块上调节可变角度探头结构中超声波探头的角度，使得超声波探头发出的超声波波束在CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值为θ1，θ1等于(90°-α/2)，同时标定可变角度探头结构的入射点。
α为待测新材料螺栓中的螺纹的牙型角的角度值。
步骤2：保持步骤1中可变角度探头结构中超声波探头的角度不变，即保持超声波探头发出的超声波波束在CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值为θ1时的超声波探头的角度不变。
在待测新材料螺栓上前后移动可变角度探头结构的位置，使用可变角度探头结构测量待测新材料螺栓，利用超声波探伤仪测量待测新材料螺栓中螺纹处的超声波横波反射波幅，使得超声波横波反射波幅达到最大。
螺纹处的超声波横波反射波幅为待测新材料螺栓的第2个螺纹处的超声波横波反射波幅。
第2个螺纹为待测新材料螺栓自上向上的第2个螺纹。(因为第1个螺纹通常为加工螺纹时的退刀槽，深度较浅，产生的反射波波幅较低，因此选用第2个螺纹。)
此时，由于螺栓材料发生变化，超声波在待测新材料螺栓中的声速发生变化，则超声波在待测新材料螺栓里的折射角度也发生变化，超声波波束与螺纹的牙型角的边不垂直。
步骤3：保持步骤2中可变角度探头结构的位置不变，即保持超声波横波反射波幅达到最大时的可变角度探头结构的位置不变。
在待测新材料螺栓上调整超声波探头的角度，利用超声波探伤仪测量待测新材料螺栓中螺纹处的超声波横波反射波幅，使得超声波横波反射波幅再次达到最大。
螺纹处的超声波横波反射波幅为待测新材料螺栓的第2个螺纹处的超声波横波反射波幅。
步骤4：多次重复步骤2和步骤3，采用逐次逼近的操作方法，使超声波横波反射波幅逼近可采集的最高值，此时可认定超声波探头发出的超声波波束与螺纹的牙型角的边垂直，得到超声波探头发出的超声波波束与螺纹的牙型角的边垂直时在待测新材料螺栓中的折射角度值θ2，θ2与θ1相等。
上述操作的原理为：
依据超声反射定律，当反射体与超声波波束垂直时回波声强最高。
因此，保持超声波仪器发射能量恒定，通过重复操作超声波探头位置和探头发射角度，逐次逼近超声波最高回波，此时可确定螺纹反射体与超声波波束垂直。由于螺纹反射体可知，由此可以测量出超声波声速在待测新材料螺栓中的折射角度。
步骤5：锁定超声波探头的角度，在步骤1标定的入射点重新测得CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值θ′1；
步骤6：根据斯涅耳定理，计算出超声波在待测新材料螺栓中的横波声速。
具体为：
根据公式：
Figure BDA0002829075380000061
其中，Cs1为CSK-ⅠA标准试块的横波声速；
Cs2为待测新材料螺栓的横波声速；
最后可求得Cs2。
实施例3
结合图2，选用某1000WM超超临界发电机组的中压主汽门用镍基合金螺栓7，规格为M72×730mm，螺纹的牙型角的角度值α为60°。选用CTS-1008超声波探伤仪，选用可变角度探头，探头频率为2.5MHz，探头晶片尺寸为13mm×13mm。
步骤1：在CSK-ⅠA标准试块上调节可变角度探头结构中超声波探头8的角度，使得超声波探头发出的超声波波束在CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值为θ1，θ1等于(90°-α/2)，同时标定可变角度探头结构的入射点。
θ1＝60°
步骤2：保持超声波探头发出的超声波波束在CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值为60°时的超声波探头的角度不变。
在镍基合金螺栓上前后移动可变角度探头结构的位置，使用可变角度探头结构测量镍基合金螺栓，利用超声波探伤仪测量镍基合金螺栓中第2个螺纹9处的超声波横波反射波幅，使得超声波横波反射波幅达到最大。
步骤3：保持超声波横波反射波幅达到最大时的可变角度探头结构的位置不变。
在镍基合金螺栓上调整超声波探头的角度，利用超声波探伤仪测量镍基合金螺栓中第2个螺纹处的超声波横波反射波幅，使得超声波横波反射波幅再次达到最大。
步骤4：重复步骤2和步骤3过程3次，采用逐次逼近的操作方法，使超声波横波反射波幅逼近可采集的最高值，此时可认定超声波探头发出的超声波波束与螺纹的牙型角的边垂直，即图2中超声波波束AB与螺纹线O2C垂直，得到超声波探头发出的超声波波束与螺纹的牙型角的边垂直时在镍基合金螺栓中的折射角度值θ2，θ2＝60°。
步骤5：锁定超声波探头的角度，在步骤1标定的入射点重新测得CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值θ′1，θ′1＝70.9°
步骤6：根据公式：
Figure BDA0002829075380000071
其中，Cs1为CSK-ⅠA标准试块的横波声速；
Cs2为镍基合金螺栓的横波声速；
Cs1已知为3230m/s。
则最后可求得Cs2＝2960m/s。
本发明无需用尺子测量镍基合金螺栓的多个尺寸参数，也无需大量计算，而是创新的通过操作超声波探头和简单计算相结合的方法，快速准确的测量新螺栓材质的横波声速。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种新材料螺栓的横波声速测量方法,采用一种新材料螺栓的横波声速测量装置，其特征在于，该测量装置包括可变角度探头结构、超声波探伤仪、CSK-ⅠA标准试块和待测新材料螺栓；
可变角度探头结构能向CSK-ⅠA标准试块和待测新材料螺栓中发射超声波波束；
超声波探伤仪能够检测超声波横波反射波幅；
所述的一种新材料螺栓的横波声速测量方法，包括以下步骤：
步骤1：在CSK-ⅠA标准试块上调节可变角度探头结构中超声波探头的角度，使得超声波探头发出的超声波波束在CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值为θ1，同时标定可变角度探头结构的入射点；
步骤2：保持步骤1中可变角度探头结构中超声波探头的角度不变，在待测新材料螺栓上前后移动可变角度探头结构的位置，使用可变角度探头结构测量待测新材料螺栓，利用超声波探伤仪测量待测新材料螺栓中螺纹处的超声波横波反射波幅，使得超声波横波反射波幅达到最大；
步骤3：保持步骤2中可变角度探头结构的位置不变，在待测新材料螺栓上调整超声波探头的角度，利用超声波探伤仪测量待测新材料螺栓中螺纹处的超声波横波反射波幅，使得超声波横波反射波幅再次达到最大；
步骤4：多次重复步骤2和步骤3，得到超声波探头发出的超声波波束与螺纹的牙型角的边垂直时在待测新材料螺栓中的折射角度值θ2，θ2与θ1相等；
步骤5：锁定超声波探头的角度，在步骤1标定的入射点重新测得CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值θ′1；
步骤6：根据斯涅耳定理，计算出超声波在待测新材料螺栓中的横波声速。
2.根据权利要求1所述的一种新材料螺栓的横波声速测量方法，其特征在于，可变角度探头结构包括探头紧固块、楔块、第一曲柄、第二曲柄、螺钉和底座，底座的顶面为弧形面，楔块的底面与底座的顶面相契合，楔块能在底座的顶面上滑动，所述第一曲柄连接在楔块上，第二曲柄连接在底座上，第一曲柄和第二曲柄通过螺钉连接在一起；
所述探头紧固块固定在楔块的顶部，探头紧固块上设置有超声波探头；
通过旋转螺钉能够调节楔块和底座结合的松紧程度，从而使楔块能在底座顶面自由滑动，或者固定于某个角度。
3.根据权利要求2所述的一种新材料螺栓的横波声速测量方法，其特征在于，所述底座上刻有角度值，能够精确地确定超声波探头的角度值。
4.根据权利要求1所述的一种新材料螺栓的横波声速测量方法，其特征在于，步骤1中的θ1等于(90°-α/2)，其中，α为待测新材料螺栓中的螺纹的牙型角的角度值。
5.根据权利要求1所述的一种新材料螺栓的横波声速测量方法，其特征在于，保持步骤1中可变角度探头结构中超声波探头的角度不变是指：
超声波探头发出的超声波波束在CSK-ⅠA标准试块上的折射角度值为θ1时的超声波探头的角度不变。
6.根据权利要求1所述的一种新材料螺栓的横波声速测量方法，其特征在于，保持步骤2中可变角度探头结构的位置不变是指：
超声波横波反射波幅达到最大时的可变角度探头结构的位置不变。
7.根据权利要求1所述的一种新材料螺栓的横波声速测量方法，其特征在于，步骤2和步骤3中的螺纹处的超声波横波反射波幅为待测新材料螺栓的第2个螺纹处的超声波横波反射波幅。
8.根据权利要求7所述的一种新材料螺栓的横波声速测量方法，其特征在于，所述第2个螺纹为待测新材料螺栓自上向上的第2个螺纹。
9.根据权利要求1所述的一种新材料螺栓的横波声速测量方法，其特征在于，步骤6具体包括：
根据公式：
Figure FDA0003824341300000021
其中，Cs1为CSK-ⅠA标准试块的横波声速；
Cs2为待测新材料螺栓的横波声速。
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