CN112697880B - 套装转子叶轮的相控阵超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套装转子叶轮的相控阵超声检测方法，包括如下步骤：将套装转子叶轮分为轮毂位置的第一分区、叶轮圆弧位置的第二分区以及叶根槽位置的第三分区；检测第一分区时，所述楔块的探头斜向角为‑20°，探头倾斜角为‑55°，所述探头阵列设置的斜向角为53°，探头阵列设置的倾斜角为45°。检测第二分区和第三分区时，所述楔块的探头斜向角为‑20°，探头倾斜角为0°，检测第二分区时探头阵列设置的斜向角为60°，探头阵列设置的倾斜角为95°，检测第三分区时探头阵列设置的斜向角为75°，探头阵列设置的倾斜角为40°。本申请的套装转子叶轮的相控阵超声检测方法，设定楔块与探头之间参数的配合，能够有效避免缺陷的漏检。

Description

套装转子叶轮的相控阵超声检测方法

技术领域

本发明属于相控阵超声检测技术领域，具体涉及一种套装转子叶轮的相控阵超声检测方法。

背景技术

对红套叶轮进行检测的最常用方法为常规超声波检测。常规超声检测使用了聚焦或非聚焦探头、脉冲反射或者一发一收的检测方法，一个或者多个探头用于缺陷的检测和定量。通常情况下，采用多个不同角度的探头放在不同的位置用于检测从而保证检测区域的完整覆盖。

常规超声波检测由于其技术的局限性无法做到根据超声信号的波幅就准确的判断裂纹的大小。常规的检测方法一般如下：(1)0°直探头用于轮毂以下区域缺陷的定量；(2)将探头放置在叶轮轮体上检测叶轮轮孔和键槽处的缺陷；(3)将探头组放在叶轮体上采用一发一收的方式进行缺陷的检测和定量；(4)将探头放置在轮毂上来检测缺陷。

上述的现有技术适用于小型火电机组套装转子且检测对象为叶轮的键槽区域，而针对其他的应用场景如大型核电或火电机组套装转子不带键槽叶轮检测、叶轮轮孔区域的过盈配合完好的情况等明显不适用。如针对套装转子叶轮由于探头可放置区域几乎都是弧面结构，采用传统的线阵相控阵探头无法实现叶轮内孔区域的完整覆盖，线阵探头的局限性在于探头的角度只能在一个平面的区域内进行偏转和聚焦，而不能做立体区域的偏转和聚焦。因此采用线阵探头时缺陷能否检出，和缺陷自身的大小、角度有很大的关系，如果入射声束和缺陷平行或接近平行，就会发生漏检。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种改进的套装转子叶轮的相控阵超声检测方法，其检测更加简便，且能够有效避免漏检问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种套装转子叶轮的相控阵超声检测方法，包括如下步骤：

将套装转子叶轮分为轮毂位置的第一分区、叶轮圆弧位置的第二分区以及叶根槽位置的第三分区；

检测第一分区时，将探头沿所述轮毂位置进行环向移动；检测第二分区和第三分区时，所述探头沿所述叶轮圆弧位置进行环向移动，每次环向转动一定角度之后，沿所述叶轮圆弧位置的径向移动，所述径向移动时由靠近所述第一分区的初始位置移动至靠近所述第三分区的位置，之后再返回所述初始位置，进行下一次环向移动。

根据本发明的一些优选实施方面，检测第一分区时，所述楔块的探头斜向角为-20°，探头倾斜角为-55°，所述探头阵列设置的斜向角为53°，探头阵列设置的倾斜角为45°。

根据本发明的一些优选实施方面，检测第二分区和第三分区时，所述楔块的探头斜向角为-20°，探头倾斜角为0°，检测第二分区时探头阵列设置的斜向角为60°，探头阵列设置的倾斜角为95°，检测第三分区时探头阵列设置的斜向角为75°，探头阵列设置的倾斜角为40°。

根据本发明的一些优选实施方面，第一分区的检测单独进行，第二分区和第三分区的检测同时进行；所述第二分区和第三分区的检测采用相同规格的探头和楔块，但是探头和楔块的参数不相同。

根据本发明的一些优选实施方面，检测所采用的探头为面阵相控阵探头，至少包括64个晶片。

根据本发明的一些优选实施方面，检测所述第一分区时，使用的楔块对应的入射角为36°，折射角为55°，楔块类型为横波，即检测第一分区时的楔块能够将纵波转换为横波。

根据本发明的一些优选实施方面，检测所述第一分区时，所述探头阵列设置的初始角度为50°，终止角度为65°，扫查步进数为90，步进值为0.167°，超声波类型为横波。

根据本发明的一些优选实施方面，检测所述第二分区和第三分区时，使用的楔块对应的入射角为9.732°，折射角为25°，楔块类型为纵波，即使用的楔块对纵波不进行转换。

根据本发明的一些优选实施方面，检测所述第二分区时，所述探头阵列设置的初始角度为10°，终止角度为45°，扫查步进数为90，步进值为0.333°，超声波类型为纵波。

根据本发明的一些优选实施方面，检测所述第三分区时，所述探头阵列设置的初始角度为10°，终止角度为40°，扫查步进数为90，步进值为0.333°，超声波类型为纵波。

根据本发明的一些优选实施方面，检测第二分区和第三分区时，探头每次环向移动的角度为25～30°。

根据本发明的一些优选实施方面，检测第二分区和第三分区时，探头每次环向移动的角度为27°。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本申请的套装转子叶轮的相控阵超声检测方法，将套装转子叶轮分为三个检测区域，通过采用面阵相控阵探头，并配合检测时楔块与探头之间参数的配合，能够解决由于叶轮结构造成的被检区域采用传统的常规超声难以检测的问题；控制相控阵探头声束在立体空间的偏转和聚焦，仅需二个检测序列就可完成检测，且利用相控阵超声成像的三维视图，可以实现缺陷位置的直观显示。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例中套装转子叶轮的相控阵超声检测方法中叶轮检测分区的示意图；

图2为本发明优选实施例中套装转子叶轮的相控阵超声检测方法中探头移动轨迹的示意图；

图3为采用本发明优选实施例中套装转子叶轮的相控阵超声检测方法进行第一分区检测的效果图；

图4为采用本发明优选实施例中套装转子叶轮的相控阵超声检测方法进行第二分区检测的效果图；

图5为采用本发明优选实施例中套装转子叶轮的相控阵超声检测方法进行第三分区检测的效果图；

图6为本发明优选实施例中探头的阵列设置倾斜角和斜向角都为0°时的声束覆盖示意图；

图7为本发明优选实施例中探头的阵列设置倾斜角0°、斜向角为45°时的声束覆盖示意图；

图8为本发明优选实施例中探头的阵列设置倾斜角0°、斜向角为90°时的声束覆盖示意图；

图9为本发明优选实施例中探头的阵列设置倾斜角为45°、斜向角0°时的声束覆盖示意图；

图10为本发明优选实施例中探头的阵列设置倾斜角为90°、斜向角0°时的声束覆盖示意图；

图11为本发明优选实施例中楔块的示意图；

图12为本发明优选实施例中楔块的探头斜向角和探头倾斜角为0°时的探头和楔块组合示意图；

图13为本发明优选实施例中楔块的探头斜向角为-20°、探头倾斜角为0°时的探头和楔块组合示意图；

图14为本发明优选实施例中楔块的探头斜向角为-45°、探头倾斜角为0°时的探头和楔块组合示意图；

图15为本发明优选实施例中楔块的探头斜向角为45°、探头倾斜角为0°时的探头和楔块组合示意图；

图16为本发明优选实施例中楔块的探头斜向角为0°、探头倾斜角为-55°时的探头和楔块组合示意图；

图17为本发明优选实施例中楔块的探头斜向角为0°、探头倾斜角为-90°时的探头和楔块组合示意图；

图18为本发明优选实施例中楔块的探头斜向角为-20°、探头倾斜角为-55°时的探头和楔块组合示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

线阵探头的局限性在于探头的角度只能在一个平面的区域内进行偏转和聚焦，而不能做立体区域的偏转和聚焦。如图1和2所示，在对套装转子叶轮进行检测时，由于探头可放置区域几乎都是弧面结构，采用传统的线阵相控阵探头无法实现叶轮内孔区域的完整覆盖，因此采用线阵探头时缺陷能否检出，和缺陷自身的大小、角度有很大的关系，如果入射声束和缺陷平行或接近平行，就会发生漏检。

为了提高缺陷的检出率，本实施例中利用面阵探头来实施弧面区域的检测。面阵探头的优势是通过在聚焦法则中设置斜向角(squintangle)和倾斜角(skewangle)，可以实现立体区域声束的偏转和聚焦。如图6-10所示，其示出了本申请中探头阵列设置参数的倾斜角和斜向角的定义；图12-18示出了本申请楔块参数中的探头倾斜角和探头斜向角的定义。探头倾斜角和探头斜向角的两个角度是指探头在楔块上安放的角度，该角度是楔块加工时就固定好的，无法改变。阵列设置里面倾斜角和斜向角的角度是指探头中超声成像的角度，是可以在仪器里面修改设置调整的。

斜向角：以探头的长度方向(图中的X轴)为转动轴，探头的长度方向(图中的X轴)以及工件深度方向(图中的Z轴)为转动面转动的角度。

倾斜角：以工件深度方向(图中的Z轴)为转动轴，探头的长度方向(图中的X轴)以及工件深度方向(图中的Z轴)为转动面动的角度。

如图1-18所示，本实施例中的套装转子叶轮的相控阵超声检测方法，包括如下步骤：

1)将套装转子叶轮分为轮毂位置的第一分区、叶轮圆弧位置的第二分区以及叶根槽位置的第三分区。第一分区的检测单独进行，第二分区和第三分区的检测同时进行。

2)检测第一分区时，将探头沿轮毂位置进行环向移动。

如表1所示，本实施例中检测第一分区、第二分区和第三分区时使用的探头为面阵相控阵探头，包括64个晶片。

表1套装转子叶轮检测用探头参数

如表2和3所示，检测第一分区时，使用的楔块对应的入射角为36°，折射角为55°，楔块类型为横波，即检测第一分区时的楔块能够将纵波转换为横波，楔块的探头斜向角为-20°，探头倾斜角为-55°；探头阵列设置的斜向角为53°，探头阵列设置的倾斜角为45°，初始角度为50°，终止角度为65°，扫查步进数为90，步进值为0.167°，超声波类型为横波。

表2检测第一分区时的楔块参数

楔块材料	聚苯乙烯
		前沿长度	50mm
后沿长度	50mm
		宽度	100mm
高度	100mm
		入射角	36°
折射角	55°
		探头斜向角	-20°
探头倾斜角	-55°
		楔块类型	横波

表3检测第一分区时的探头阵列设置

3)检测第二分区和第三分区时，探头沿叶轮圆弧位置进行环向移动，每次环向转动一定角度之后，沿叶轮圆弧位置的径向移动，径向移动时由靠近第一分区的初始位置移动至靠近第三分区的位置，之后再返回初始位置，进行下一次环向移动。

如表4所示，检测第二分区和第三分区时，使用的楔块对应的入射角为9.732°，折射角为25°，楔块类型为纵波，即使用的楔块对纵波不进行转换，楔块的探头斜向角为-20°，探头倾斜角为0°。

表4检测第二分区和第三分区时的楔块参数

楔块材料	聚苯乙烯
		前沿长度	50mm
后沿长度	30mm
		宽度	80mm
高度	50mm
		入射角	9.732°
折射角	25°
		探头斜向角	-20°
探头倾斜角	0°
		楔块类型	纵波

如表5所示，检测第二分区时探头阵列设置的斜向角为60°，探头阵列设置的倾斜角为95°，初始角度为10°，终止角度为45°，扫查步进数为90，步进值为0.333°，超声波类型为纵波。

表5检测第二分区时的探头阵列设置

如表6所示，检测第三分区时探头阵列设置的斜向角为75°，探头阵列设置的倾斜角为40°，初始角度为10°，终止角度为40°，扫查步进数为90，步进值为0.333°，超声波类型为纵波。

表6检测第三分区时的阵列设置

成像方式	扇形扫查
		X轴孔径	8个晶片
Y轴孔径	8个晶片
		激发组中的第一晶片	晶片1
初始角度	10°
		终止角度	40°
扫查步进数	90
		步进值	0.333°
斜向角	75°
		倾斜角	40°
超声波类型	纵波

检测时需考虑扇形扫查的角度步进问题，扇形扫查每次的覆盖区域面积较大，扇扫的角度步进过大，会造成两个步进之间覆盖的区域过大导致缺陷的漏检。具体的，检测过程中需要加载3个不同的阵列设置，分别检测图1所示的第一分区1(轮毂位置)、第二分区2(叶轮圆弧以下)和第三分区3(叶根槽以下)，通过三个分区的检测完成整个被检区域的扫查。检测时，探头移动轨迹如图2所示，第一分区1检测时将探头搭配楔块放置在叶轮轮毂位置，按图2中的轨迹2的方向环向转动，完成整个轮毂区域的检测，第一分区1的检测定义为检测序列1；第二分区2和第三分区3检测时探头沿图2中的轨迹1实现移动采集，然后沿虚线退回起始位置，沿着图2中的轨迹2环向移动一定角度(约27°)，继续按图2中的轨迹1扫查，这样一直持续下去通过分角度的多次检测直至检测完整个检测区域，第二分区2和第三分区3的检测构成检测序列2。第二分区2和第三分区3的检测使用相同规格的探头和楔块、以及不同的参数设置，利用相控阵仪器的分组检测功能，实现在同一次扫查时探头同时使用不同的阵列设置，使第二分区2和第三分区3的扫查同时实施。

上述的27°是指探头沿着叶轮上的扫查面转动的角度，与表5和表6中的0.333°是两个不同的概念，两者没有直接联系。0.333°是成像的角度步进，也就是表5中(40°-30°)/90°得到的数值，和探头移动没有直接关系，但是和缺陷检出有关，如果大于这个数值，缺陷可能漏检。

采用上述的套装转子叶轮的相控阵超声检测方法的检测效果图如图3-5所示。

图11为楔块的结构示意图，图11中，L1为前沿长度，L2为后沿长度，L3为宽度，L4为高度，I为入射角，R为折射角。

由于检测的套装转子叶轮结构非常复杂，参数相差一点，内部的缺陷就漏检了。所以本申请将套装转子叶轮分为三个检测区域，通过采用面阵相控阵探头，并配合检测时楔块与探头之间参数的配合，能够解决由于叶轮结构造成的被检区域采用传统的常规超声难以检测的问题；控制相控阵探头声束在立体空间的偏转和聚焦，仅需二个检测序列就可完成检测，且利用相控阵超声成像的三维视图，可以实现缺陷位置的直观显示。

相对于现有技术，本申请的套装转子叶轮的相控阵超声检测方法具有如下优势：能够实现大型核电或火电机组套装转子叶轮轮孔区过盈配合完好情况的快速检测；利用面阵探头实现相控阵超声立体成像显示，解决了由于叶轮结构造成的被检区域采用传统的常规超声难以检测的问题；和现有技术相比，本专利使用的技术在信噪比、缺陷检出率、检测速度等方面相比现有技术有明显提升；与现有的套装转子叶轮检测方案相比，本专利控制相控阵探头声束在立体空间的偏转和聚焦，仅需二个检测序列就可完成检测，现有检测方案需要4个；利用相控阵超声成像的三维视图，可以实现缺陷位置的直观显示，现有技术仅能传统的A扫描信号显示。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种套装转子叶轮的相控阵超声检测方法，其特征在于，包括如下步骤：将套装转子叶轮分为轮毂位置的第一分区、叶轮圆弧位置的第二分区以及叶根槽位置的第三分区；

检测第一分区时，将探头沿所述轮毂位置进行环向移动；检测第二分区和第三分区时，所述探头沿所述叶轮圆弧位置进行环向移动，每次环向转动一定角度之后，沿所述叶轮圆弧位置的径向移动，所述径向移动时由靠近所述第一分区的初始位置移动至靠近所述第三分区的位置，之后再返回所述初始位置，进行下一次环向移动；

检测第一分区时，楔块的探头斜向角为-20°，探头倾斜角为-55°，探头阵列设置的斜向角为53°，探头阵列设置的倾斜角为45°；

检测第二分区和第三分区时，楔块的探头斜向角为-20°，探头倾斜角为0°，检测第二分区时探头阵列设置的斜向角为60°，探头阵列设置的倾斜角为95°，检测第三分区时探头阵列设置的斜向角为75°，探头阵列设置的倾斜角为40°。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述第一分区的检测单独进行，所述第二分区和第三分区的检测同时进行。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：检测所采用的探头为面阵相控阵探头，至少包括64个晶片。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：检测所述第一分区时，使用的楔块对应的入射角为36°，折射角为55°。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：检测所述第一分区时，所述探头阵列设置的初始角度为50°，终止角度为65°，扫查步进数为90，步进值为0.167°，超声波类型为横波。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：检测所述第二分区和第三分区时，使用的楔块对应的入射角为9.732°，折射角为25°。

7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：检测所述第二分区时，所述探头阵列设置的初始角度为10°，终止角度为45°，扫查步进数为90，步进值为0.333°，超声波类型为纵波。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：检测所述第三分区时，所述探头阵列设置的初始角度为10°，终止角度为40°，扫查步进数为90，步进值为0.333°，超声波类型为纵波。

9.根据权利要求1-8任意一项所述的检测方法，其特征在于：检测所述第二分区和第三分区时，探头每次环向移动的角度为25～30°。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于：检测所述第二分区和第三分区时，探头每次环向移动的角度为27°。