CN114577900A - 一种管道用插入式电磁超声导波相控阵探头及检测系统 - Google Patents

一种管道用插入式电磁超声导波相控阵探头及检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种管道用插入式电磁超声导波相控阵探头及检测系统，用于小直径金属弯管缺陷的长距离、大范围检测。探头整体结构呈长圆柱形，是由环向收发线圈阵列、环形磁体、环形导磁芯、轴向紧固件、对中锥形块和信号连接线组成；其配套检测系统由探头、多通道高压串脉冲激励模块、多通道前置放大模块、多通道时序控制模块、多通道信号采集卡和控制计算机组成。检测时将探头由弯管开口端部插入，探头无需与管壁接触，通过电磁感应实现超声导波的激发和接收，通过多通道阵列延时触发和延时叠加实现导波信号的增强。本发明探头及检测系统可显著增强超声导波信号强度，同时降低其他模态和频散的干扰，大幅度提高在弯管内的检测距离和缺陷检测能力。

Description

一种管道用插入式电磁超声导波相控阵探头及检测系统
技术领域
本发明涉及管道缺陷检测技术领域，具体涉及一种管道用插入式电磁超声导波相控阵探头、其配套的电磁超声导波相控阵检测系统及检测方法，可用于具有复杂弯曲结构和排布密集的金属质小径弯管的长距离、大范围内的缺陷检测。
背景技术
如蒸汽发生器换热管等金属质小径弯管是核电站的核心部件之一，其长期工作于恶劣环境中，承受高温气体和蒸汽侵蚀、热应力和强辐射等作用，易出现裂纹和腐蚀缺陷。由于其排布密集，管路走向复杂，存在大量的弯曲段和螺旋管段，目前尚无高效可行的针对体积型缺陷的可定位无损检测手段。超声导波检测技术作为新兴的无损检测技术，利用超声导波可沿管道轴向长距离传播的特点，通过探头的单点检测即可实现对于长距离范围内管道的全域检测。超声导波技术不但具有检测效率高、检测范围大等优点，还可完成对弯管的检测，具有较强的几何适应性。
目前管道导波常用压电式的接触式探头，需在试件表面施加耦合剂，需要保证探头和试件表面的有效耦合，对检测对象表面要求较高，且安装布置步骤较为复杂。电磁超声探头为非接触式，使用时无需耦合剂、对试件表面要求低、安装布置方便，实现自动化检测的设备复杂度和操作难度较低。基于电磁超声探头的超声导波检测方法，对于复杂管路内的缺陷检测具有较好的应用前景。但电磁超声探头存在检测信噪比低的缺点，且超声导波在长距离弯管中传播的衰减和频散引起的波包扩散严重，使得探头在弯管中的有效检测距离受到限制。因此提出对弯管具有长距离检测能力的便捷式探头及配套检测系统和检测方法，对于实现如蒸汽发生器换热管等金属质小径弯管的体积型缺陷检测具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种非接触、布置便捷、检测可达性好、检测距离长、检测信噪比和灵敏度高的用于金属质小径弯管长距离检测的插入式电磁超声导波相控阵探头及检测系统，探头插入弯管端部开口处，即可采用所提出检测系统实现对于弯管的长距离超声导波相控阵检测。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种管道用插入式电磁超声导波相控阵探头，该探头由环向收发线圈1、环形磁体2、环形导磁芯3、轴向紧固件4、对中锥形块5和信号连接线6组成；环形磁体2和环形导磁芯3在轴向交替布置，多个环向收发线圈1紧密绕置于环形导磁芯3外侧形成环向收发线圈阵列，轴向紧固件4将环形磁体2和环形导磁芯3约束并加固，对中锥形块5设置在轴向紧固件4端部，信号连接线6由环向收发线圈1引出并经过轴向紧固件4的中心通孔穿出并汇聚成电缆。
所述环形磁体2为永磁体或电磁铁线圈，相邻磁体磁极方向以两两相同或两两相反布置，分别为环向收发线圈1处提供沿管道轴向或径向磁场；单个环向收发线圈1与其相邻环形磁体2组成探头阵元并排布成轴向阵列，相邻环向收发线圈的中心间距d与相邻通道触发延时序列相对延时Δt和轴向导波群速度c满足关系式：Δt＝d/c。
一种管道用插入式电磁超声导波相控阵检测系统，包括多通道高压串脉冲激励模块7、多通道前置放大模块8、多通道时序控制模块9、多通道信号采集卡10、控制计算机11以及所述的插入式电磁超声导波相控阵探头，插入式电磁超声导波相控阵探头的环向收发线圈阵列与多通道高压串脉冲激励模块7和多通道前置放大模块8中各通道一一连接，多通道时序控制模块9触发连接多通道高压串脉冲激励模块7，多通道信号采集卡10输入端一一连接多通道前置放大模块8各通道，多通道信号采集卡10输出端连接控制计算机11输入端，控制计算机11输出端连接多通道高压串脉冲激励模块7、多通道前置放大模块8和多通道时序控制模块9；
检测时，首先将插入式电磁超声导波相控阵探头从被检弯管端部开口处插入，直至探头所有环向收发线圈1完全置于弯管内；多通道时序控制模块9按移动时序依次触发多通道高压串脉冲激励模块7输出高频脉冲电流至环向收发线圈阵列各阵元，在管壁依次感应涡流或动态磁场14，并与环形磁体2产生的偏置磁场13相互作用产生电磁力，从而在环向收发线圈阵列各阵元下方管壁中按一定时序激发超声导波脉冲序列，使得各阵元所激发超声导波脉冲序列产生同相位叠加从而形成增强超声导波脉冲，同时抑制其他不同波速导波模态的产生；增强超声导波在管道中传播遇到缺陷产生的增强脉冲回波与偏置磁场13作用形成感应电磁场被环向收发线圈阵列各阵元依次接收，通过多通道前置放大模块8放大并由多通道信号采集卡10转换为数字信号，传入控制计算机11采集，最后将所获得的多通道导波检测信号进行延时叠加，形成电磁超声导波相控阵检测增强信号，在增强检测信号的同时，进一步抑制导波的频散效应和其他不同波速导波模态信号的干扰。
所述多通道高压串脉冲激励模块7输出高压的kHz频率的方波或正弦波串脉冲；多通道时序控制模块9和多通道高压串脉冲激励模块7通道数量一致，多通道前置放大模块8和多通道信号采集卡10通道数量一致。
探头各阵元与多通道高压串脉冲激励模块7和多通道前置放大模块8的连接方式采用一部分阵元连接激励、另一部分阵元连接接收，或各阵元同时激励与接收的模式，后者需要在检测系统中加入多通道双工器以实现激励与接收的连接合并；当检测系统与连续的环向收发线圈1阵元连接时，最终叠加信号Sig(t)和第i通道接收信号si(t)的延时叠加处理满足关系式：
Figure BDA0003532703880000041
本发明提出一种新型的用于金属质小径弯管长距离缺陷检测的电磁超声导波相控阵探头及其配套检测系统及及检测方法，在使用时探头仅需由弯管端部开口处插入即可进行长距离范围内的缺陷检测。本发明结合了超声导波、电磁超声探头及超声相控阵检测的优势，探头具有非接触、在管道内布置便捷、检测可达性好等优点，检测手段通过超声相控阵聚焦后可大幅度提高导波检测信号的幅值，进而提高检测范围、信噪比和检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明管道用插入式电磁超声导波相控阵探头结构的轴截面剖视图及其连接的相控阵检测系统组成示意图。
图2为本发明探头导波激励与检测回波信号的相控阵原理示意图。
图3为本发明探头在管道内的布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出一种用于金属质小径弯管长距离检测的管道用插入式电磁超声导波相控阵探头，由环向收发线圈1、环形磁体2、环形导磁芯3、轴向紧固件4、对中锥形块5和信号连接线6组成。环形磁体2和环形导磁芯3在轴向交替布置，多个环向收发线圈1紧密绕置于环形导磁芯3外侧形成环向收发线圈阵列，轴向紧固件4将环形磁体2和环形导磁芯3约束并加固，对中锥形块5设置在轴向紧固件4端部，信号连接线6由环向收发线圈1引出并经过轴向紧固件4中心通孔穿出。探头的环形磁体2充磁方向沿磁体轴向，相邻磁体磁极方向两两相同或相反。洛伦兹力机理采用相邻磁体磁极方向相反设置获得径向偏置磁场，磁致伸缩机理采用磁极方向相同设置获得轴向偏置磁场。探头的检测原理为：通电后阵列中各单元的环向收发线圈1在管道内壁近表面感应出轴对称分布的涡流场14和动态磁场15，与环形磁体2提供的偏置磁场13相互作用，基于洛伦兹力或磁致伸缩机理，在管道内壁近表面区域产生洛伦兹力或磁致伸缩力用于激发超声波，且回波可通过逆效应被线圈接收。环向收发线圈阵列沿探头轴向均匀排布，相邻线圈的中心间距d与相邻通道相对延时Δt和轴向超声导波群速度c满足关系：Δt＝d/c。
将插入式电磁超声导波相控阵探头从被检弯管端部开口处插入，直至探头所有环向收发线圈1完全置于弯管内。环向收发线圈阵列各阵元同时与多通道高压串脉冲激励模块7和多通道前置放大模块8中各通道一一连接。工作时，多通道时序控制模块9按移动时序依次触发多通道高压串脉冲激励模块7输出高频脉冲电流至环向收发线圈阵列各阵元，在管壁依次感应出轴对称分布的涡流场14或动态磁场14，并与环形磁体2产生的偏置磁场13相互作用产生电磁力，从而在环向收发线圈阵列各阵元下方管壁中按一定时序激发超声导波脉冲序列，使得各阵元所激发超声导波脉冲序列产生同相位叠加从而形成增强超声导波脉冲，同时抑制其他不同波速导波模态的产生。增强超声导波在管道中传播遇到缺陷产生的增强脉冲回波与偏置磁场13作用形成感应电磁场被环向收发线圈阵列1各阵元依次接收，通过多通道前置放大模块8放大并由多通道信号采集卡10转换为数字信号，传入控制计算机11采集，最后将所获得的多通道导波检测信号进行延时叠加，形成电磁超声导波相控阵检测增强信号，在增强检测信号的同时，进一步抑制导波的频散效应和其他不同波速导波模态信号的干扰。
下面结合图2、图3和具体实施例对该探头及检测系统作进一步的详细描述。
一种管道用插入式电磁超声导波相控阵探头、检测系统及方法，具体包括如下步骤：
步骤一：如图3所示，将插入式电磁超声导波相控阵探头19置入管端部开口处，直至探头所有环向收发线圈1完全置于弯管内。激发超声导波12遇到缺陷18后产生缺陷回波17被探头中的各阵元16所接收，通过对缺陷回波检出可以对管道中的缺陷进行定位和定量检测。
步骤二：控制计算机11控制多通道时序控制模块9输出具有设定相对延时的触发信号，触发多通道高压串脉冲激励模块7输出高频强脉冲串电流通入环向收发线圈阵列中。阵列中各单元的环向收发线圈1基于洛伦兹力或磁致伸缩机理激发沿着管道轴向传播的超声导波12。反射的缺陷回波17则基于洛伦兹力和磁致伸缩机理的逆效应被探头接收。
步骤三：如图2所示，在管道内壁激发的超声导波12沿轴向传播，在保证延时满足Δt＝d/c的情况下，可使各阵元16激发的超声导波12在轴向上的同一位置处叠加，使得超声导波信号增强形成增强超声导波脉冲。回波17到达各阵元16的时间间隔也满足Δt＝d/c。缺陷回波17经探头转化为感应电压信号经多通道前置放大模块8放大后通入多通道信号采集卡10转换为数字信号，传入控制计算机11进行延时叠加处理，最终叠加信号Sig(t)和第i通道接收信号si(t)的延时叠加处理满足关系式：
Figure BDA0003532703880000071

Claims (5)

1.一种管道用插入式电磁超声导波相控阵探头，其特征在于：该探头由环向收发线圈(1)、环形磁体(2)、环形导磁芯(3)、轴向紧固件(4)、对中锥形块(5)和信号连接线(6)组成；环形磁体(2)和环形导磁芯(3)在轴向交替布置，多个环向收发线圈(1)紧密绕置于环形导磁芯(3)外侧形成环向收发线圈阵列，轴向紧固件(4)将环形磁体(2)和环形导磁芯(3)约束并加固，对中锥形块(5)设置在轴向紧固件(4)端部，信号连接线(6)由环向收发线圈(1)引出并经过轴向紧固件(4)的中心通孔穿出并汇聚成电缆。
2.根据权利要求1所述的管道用插入式电磁超声导波相控阵探头，其特征在于：所述环形磁体(2)为永磁体或电磁铁线圈，相邻磁体磁极方向以两两相同或两两相反布置，分别为环向收发线圈(1)处提供沿管道轴向或径向磁场；单个环向收发线圈(1)与其相邻环形磁体(2)组成探头阵元并排布成轴向阵列，相邻环向收发线圈的中心间距d与相邻通道触发延时序列相对延时Δt和轴向导波群速度c满足关系式：Δt＝d/c。
3.一种管道用插入式电磁超声导波相控阵检测系统，其特征在于：包括多通道高压串脉冲激励模块(7)、多通道前置放大模块(8)、多通道时序控制模块(9)、多通道信号采集卡(10)、控制计算机(11)以及权利要求1所述的插入式电磁超声导波相控阵探头。插入式电磁超声导波相控阵探头的环向收发线圈阵列与多通道高压串脉冲激励模块(7)和多通道前置放大模块(8)中各通道一一连接，多通道时序控制模块(9)触发连接多通道高压串脉冲激励模块(7)，多通道信号采集卡(10)输入端一一连接多通道前置放大模块(8)各通道，多通道信号采集卡(10)输出端连接控制计算机(11)输入端，控制计算机(11)输出端连接多通道高压串脉冲激励模块(7)、多通道前置放大模块(8)和多通道时序控制模块(9)；
检测时，首先将插入式电磁超声导波相控阵探头从被检弯管端部开口处插入，直至探头所有环向收发线圈(1)完全置于弯管内；多通道时序控制模块(9)按移动时序依次触发多通道高压串脉冲激励模块(7)输出高频脉冲电流至环向收发线圈阵列各阵元，在管壁依次感应涡流或动态磁场(14)，并与环形磁体(2)产生的偏置磁场(13)相互作用产生电磁力，从而在环向收发线圈阵列各阵元按一定时序激发超声导波脉冲序列，各阵元所激发超声导波脉冲序列产生同相位叠加从而形成增强超声导波脉冲，同时抑制其他不同波速导波模态的产生；增强超声导波在管道中传播遇到缺陷产生的增强脉冲回波与偏置磁场(13)作用形成感应电磁场被环向收发线圈阵列各阵元依次接收，通过多通道前置放大模块(8)放大并由多通道信号采集卡(10)转换为数字信号，传入控制计算机(11)采集，最后将所获得的多通道导波检测信号进行延时叠加，形成电磁超声导波相控阵检测增强信号，抑制导波的频散效应和其他不同波速导波模态信号的干扰。
4.根据权利要求3所述的管道用插入式电磁超声导波相控阵检测系统，其特征在于：所述多通道高压串脉冲激励模块(7)输出高压的kHz频率的方波或正弦波串脉冲；多通道时序控制模块(9)和多通道高压串脉冲激励模块(7)通道数量一致，多通道前置放大模块(8)和多通道信号采集卡(10)通道数量一致。
5.根据权利要求3所述的管道用插入式电磁超声导波相控阵检测系统，其特征在于：探头各阵元与多通道高压串脉冲激励模块(7)和多通道前置放大模块(8)的连接方式采用一部分阵元连接激励、另一部分阵元连接接收，或各阵元同时激励与接收的模式，后者需要在检测系统中加入多通道双工器以实现激励与接收的连接合并；当检测系统与连续的环向收发线圈(1)阵元连接时，最终叠加信号Sig(t)和第i通道接收信号si(t)的延时叠加处理满足关系式：
Figure FDA0003532703870000031
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