CN118103700A - 用于在高于150℃的温度下检查部件的超声波探头及相关检查方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于在高于150℃的温度下检查部件的超声波探头(10)。探头(10)包括与部件接触的滑靴(14)以及超声波换能器(16)。该换能器包括：‑限定具有主体长度(LC)的内部容积体(30)的探头主体(24)，该探头主体还限定孔(32)；‑放置在所述孔中的压电材料盘(26)，该盘具有与滑靴接触的正面(38)，该盘具有在7Mrayl和25Mrayl之间的声阻抗和高于250℃的居里温度；‑紧固到所述盘的背面(40)上并且在小于主体长度(LC)的阻尼器长度(LA)上从该背面延伸到所述内部容积体中的阻尼器(28)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在高于150℃的温度下检查部件的超声波探头。
本发明还涉及一种用于使用这种探头检查部件的方法。
本发明特别适用于部件的无损检测，特别适用于这种部件上的焊道的检查。
这样的部件例如是核反应堆部件，例如蒸汽发生器、容器或主管道。
背景技术
更换这种核反应堆部件时，需要在现场进行焊接。焊缝的生产涉及到限制性手段的实施，例如将部件预热至高于150℃的温度或局部氮惰性化。
传统上，一旦进行焊接，就对结构进行冷却，然后通过超声波无损检查方法进行检查。如果焊缝中有缺陷，则需要在修复焊缝之前使部件变热。上述情况涉及动员现场作业团队，直到宣布焊缝符合要求。
因此，需要能够更快地检查焊缝，以便在更换操作期间节省时间，从而能够更快地重启核反应堆。
然而，能够承受高温的已知探头不具有足够的声学性能来正确地检查焊缝。
另一方面，具有良好声学性能的已知探头不能长时间承受高于150℃的温度。事实上，形成滑靴(shoe)的材料在这样的温度下降解，或者当温度升高时，其相对于超声波波束的行为显著改变。
发明内容
在这种情况下，本发明旨在提出一种超声波探头，用于在高于150℃的温度下连续检查具有良好性能的部件，从而在维护操作期间显著节省时间。
为此，本发明涉及一种用于在高于150℃的温度下检查部件的超声波探头，该探头沿着主轴线延伸并且包括：
-滑靴，其适合于与待检查的所述部件接触，以及
-超声波换能器，其附接于所述滑靴并且被配置为朝着所述滑靴发射超声波波束，所述换能器包括：
+限定内部容积体的探头主体，所述内部容积体沿着主轴线具有主体长度，所述探头主体还限定朝着所述内部容积体的孔；
+设置在所述孔中的压电材料的盘，所述盘具有正面和背面，所述正面被配置为与所述滑靴接触，所述盘具有在7MRayl和25MRayl之间的声阻抗以及高于250℃的居里温度；
+阻尼器，其附接于所述盘的所述背面并且在比所述主体长度短的阻尼器长度上沿着所述主轴线从所述背面延伸到所述内部容积体中。
因此，根据本发明的探头适合于通过具有低声阻抗和高上居里温度的压电材料的盘在高于150℃的温度下执行设备的检查。这种探头用于随着焊道被填充而逐渐对焊道进行超声波检查，而该结构仍在氮气气氛中预热。因此，可以尽快修复焊接缺陷，从而在更换现场节省大量时间并显著减少不确定性。
探头可以包括单独地或根据任何技术上可能的组合而采用的以下特征中的一个或多个：
-所述阻尼器包括有机硅和分散在所述有机硅中的颗粒；
-每个颗粒的横向尺寸在10μm和250μm之间；
-所述探头主体包括设置在所述孔中的环，所述环被密封到所述盘和所述阻尼器上，所述环沿着所述主轴线延伸在1mm和3mm之间的高度，所述阻尼器的一部分从所述环突出到所述内部容积体中；
-所述滑靴由聚苯并咪唑制成；
-所述滑靴包括与所述换能器的所述盘接触的进入表面和适合于与待检查的所述部件直接接触的出射表面，所述进入表面和所述出射表面彼此形成大于10°的角度；
-所述盘和所述滑靴直接接触，所述探头不具有设置在所述盘和所述滑靴之间的声学匹配层；以及
-所述探头包括设置在所述换能器中并且被配置为向所述盘供应电力的电连接器。
本发明还涉及一种通过至少一个如上限定的探头在高于150℃的温度下检查部件的方法，该方法至少包括以下步骤：
-使所述滑靴与待检查的所述部件接触；
-由所述换能器朝着所述滑靴发射超声波波束，所述波束至少部分地由所述滑靴传向所述部件。
有利地，所述部件包括正在产生的焊道，所述方法还包括提供两个根据前述任一项权利要求所述的探头以及将每一个探头设置在正在产生的焊道的两侧。
附图说明
通过阅读以下仅作为示例给出并参照附图进行的描述，将更好地理解本发明，在附图中：
-[图1]图1是根据本发明的超声波探头的示意性侧视图，该超声波探头设置在待检查的部件上，包括超声波换能器和滑靴；
-[图2]图2是图1所示的超声波换能器的剖面图；以及
-[图3]图3是待检查的焊道的两侧的两个根据本发明的探头的示意侧视图。
具体实施方式
图1示出了超声波探头10。
探头10用于部件12、特别是金属部件例如核反应堆部件的超声波检查。探头10用于检测部件中的缺陷，特别是焊道中的缺陷。缺陷例如是空腔、裂纹或润湿缺陷。检查的部件例如是不锈钢、铁素体钢、铬镍铁合金等。
在图中可以看出，探头10沿着主轴线X-X’延伸。
探头10包括滑靴14和超声波换能器16。
滑靴14和换能器16有利地螺纹连接在一起。
滑靴14和换能器16通过耐高温的液体或凝胶薄层彼此声学耦合。
在一个变型中，滑靴14和换能器16通过高温环氧树脂薄层结合在一起。
滑靴14适合于与待检查的部件12接触。
滑靴14有利地由聚苯并咪唑制成。
这类聚合物特别适合于生产滑靴14。事实上，这种材料特别耐高温，耐高达150℃，甚至耐高达427℃。在150℃甚至高达427℃下，该材料不会降解。此外，在所述类型的材料中，超声波波束的衰减仅随着温度而略微增加。
在图1上可以看出，滑靴14包括进入表面20和出射表面22。
出射表面22适合于与部件12直接接触。
滑靴的出射表面22和部件12通过耐高温的耦合液体或凝胶的薄层23彼此接触。
每个进入表面20都与超声波换能器16接触。
在图1中可以看出，进入表面20和出射表面22彼此形成的角度大于10°，有利地大于20°。
进入表面20和出射表面22被设置成使得由超声波换能器16发射的超声波波束经由进入表面20进入滑靴14并经由出射表面22离开滑靴14。
换能器16被配置为朝着滑靴14发射超声波波束。
参照图2，换能器16包括探头主体24、盘26和阻尼器28。
探头主体24包括外壁，特别是金属壁。探头主体24具有基本上平行六面体的形状。在一个变型中，探头主体24具有例如圆柱形的形状。
探头主体24限定内部容积体30，该内部容积体30沿着主轴线X-X’具有主体长度LC。探头主体24限定朝着内部容积体30的孔32。
探头主体24有利地包括环34，该环34设置在孔32中并且适于与滑靴14接触。
环34通过密封件36密封到盘26和阻尼器28上。密封件36有利地沿着主轴线X-X’延伸的高度在1mm和3mm之间，盘26的直径在3mm和30mm之间。
盘26设置在孔32中。
盘26由压电材料制成。盘26被配置为用作超声波发射器并朝着滑靴14传输超声波。盘26是能够产生并拾取超声波的换能器。从而可以将其用作超声发送器或接收器。
盘26的声阻抗在7MRayl和25MRayl之间，优选地在10MRayl和25mRayl之间。
盘26的声阻抗是通过将形成盘的压电材料的密度乘以其声音传播速度而获得的。压电陶瓷的阻抗随温度而略有变化。然而，阻抗在150℃时仍然很低，特别是低于25MRayl。
介质对声波的声阻抗表征介质对波通过的阻力。据回顾，1Rayl等于1Pa.s/m。
盘26的居里温度大于250℃。
铁电材料的居里温度是该材料失去其剩余极化的温度。
盘26例如由PZT(钛酸铅锆)和空气的复合材料组成。
盘26具有正面38和背面40。
正面38被配置为与滑靴14接触。更具体地，盘26和滑靴14直接接触。
由此，与传统换能器不同，探头10不具有设置在盘26和滑靴14之间的声学匹配层。由匹配层产生的应力使得其将使压电盘26凸出并且将防止在正面38与滑靴14的平面接触。在本发明中，由声阻抗低的压电材料制成的盘26用于防止在正面38处的这种声学匹配。
在图2中可以看出，阻尼器28附接于盘26的背面40。
阻尼器28在比主体长度LC短的阻尼器长度LA上沿着主轴线X-X’从背面40延伸到内部容积体30中。
阻尼器28通过环34部分地被密封。由此，阻尼器28的一部分从环34自由地突出到内部容积体30中。由于阻尼器28显著膨胀，阻尼器28与探头主体24的部分密封防止了阻尼器28的凸出导致压电盘26爆炸的风险。
阻尼器28包括有机硅42和分散在有机硅42中的颗粒44。颗粒44用于散射由盘26朝着探头10的后部发送的波。
每个颗粒44特别地由钨或氧化铝组成。
每个颗粒44的横向尺寸在10μm和250μm之间。
阻尼器28的膨胀系数大约是盘26的膨胀系数的一百倍。
参照图2，换能器16还包括后盖46和电连接器48。
后盖46附接于探头主体24的与孔32相对的面部。
电连接器48设置在后盖46中。电连接器48经由电缆49连接到用于超声波无损检测(NDT)的电子控制站(未被示出)，并且由此被配置为经由传输线51传输在盘26处发送和接收的电信号。传输线是可承受高于250℃的温度的同轴电缆。
盘26包括在每个面部38、40上的电极53。其中一个电极53接地，另一个连接到同轴电缆的芯部。在正面38侧上的电极53在盘26的侧边缘上上升，以便使得电极53的返回和金属丝从盘26的背面40的钎焊成为可能。
盘26的两个电极53与同轴电缆之间的电连接是通过在一个或多个熔点大于250℃的点处进行钎焊而形成的。这种重复用于在其中一个连接中断的情况下使探头可靠。
下面将参照图3解释根据本发明的通过这种探头10检查部件12的方法。
部件12例如是核反应堆部件。
在进行焊接之前，将部件12加热至高于150℃的温度。
在本文所示的示例中，使用两个探头10来检查正在产生的焊道50的完整性。焊道50用于刚性地附接待检查的部件12的两个部分12A、12B。焊道50填充设置在两个部分12A、12B之间的凹槽。焊道是通过多个道次产生的，每个道次在凹槽中沉积填充材料层52。层52一层压一层地设置。
在图3中可以看出，在焊道50的两侧设置两个探头10。第一探头10由此设置在部件12的第一部分12A上，第二探头10设置在部件12的第二部分12B上。
为了进行焊道50的检查，将每个探头10的滑靴14抵靠部件12的外表面放置在与待检查的焊道50相距一定距离处。选择该距离，使得传输的超声波波束指向待检查的区域。因为传输的超声波波束与表面法线之间的角度相对恒定并且与测试时部件12的温度无关，所以容易确定使传输的波束能够被引导到待检查的焊道50上的距离。
然后，换能器16被启动并且朝着滑靴14发射超声波波束。入射的超声波波束经由入射表面20进入滑靴14，在滑靴14内部传播，并经由出射表面22出射。然后，波束分为透射波束和反射波束。透射波束穿透到部件12中。
在撞击焊道50之后，超声波波束被反射，其回波返回到探头10，如图3所示。记录并解释回波。
由此，根据本发明的探头10用于通过其基于合适材料的选择和导致不同界面处的热机械应力减小的结构的设计在高于150℃的温度下检查部件。
然后，当在氮气气氛中对部件12进行预热时，可以随着焊道50被填充而逐步地对焊道50进行超声波检查。
由此，可以尽快修复焊接缺陷，从而在更换现场节省大量时间并显著减少不确定性。
Claims (10)
1.一种用于在高于150℃的温度下检查部件(12)的超声波探头(10)，所述探头(10)沿着主轴线(X-X’)延伸并且包括：
-滑靴(14)，其适合于与待检查的所述部件(12)接触，以及
-超声波换能器(16)，其附接于所述滑靴(14)并且被配置为朝着所述滑靴(14)发射超声波波束，所述换能器(16)包括：
+限定内部容积体(30)的探头主体(24)，所述内部容积体(30)沿着所述主轴线(X-X’)具有主体长度(LC)，所述探头主体(24)还限定朝着所述内部容积体(30)的孔(32)；
+设置在所述孔(32)中的压电材料的盘(26)，所述盘(26)具有正面(38)和背面(40)，所述正面(38)被配置为与所述滑靴(14)接触，所述盘(26)具有在7MRayl和25MRayl之间的声阻抗以及高于250℃的居里温度；
+阻尼器(28)，其附接于所述盘(26)的背面(40)并且在比所述主体长度(LC)短的阻尼器长度(LA)上沿着所述主轴线(X-X’)从所述背面(40)延伸到所述内部容积体(30)中。
2.根据权利要求1所述的探头(10)，其中，所述阻尼器(28)包括有机硅(42)和分散在所述有机硅(42)中的颗粒(44)。
3.根据权利要求2所述的探头(10)，其中，每个颗粒(44)的横向尺寸在10μm和250μm之间。
4.根据前述任一项权利要求所述的探头(10)，其中，所述探头主体(24)包括设置在所述孔(32)中的环(34)，所述环(34)通过密封件(36)密封到所述盘(26)和所述阻尼器(28)上，所述密封件(36)沿着所述主轴线(X-X’)延伸在1mm和3mm之间的高度，所述阻尼器(28)的一部分从所述环(34)突出到所述内部容积体(30)中。
5.根据前述任一项权利要求所述的探头(10)，其中，所述滑靴(14)由聚苯并咪唑制成。
6.根据前述任一项权利要求所述的探头(10)，其中，所述滑靴(14)包括与所述换能器(16)的所述盘(26)接触的进入表面(20)和适合于与待检查的所述部件(12)直接接触的出射表面(22)，所述进入表面(20)和所述出射表面(22)彼此形成大于10°的角度。
7.根据前述任一项权利要求所述的探头(10)，其中，所述盘(26)和所述滑靴(14)直接接触，所述探头(10)不具有设置在所述盘(26)和所述滑靴(14)之间的声学匹配层。
8.根据前述任一项权利要求所述的探头(10)，其中，所述探头(10)包括设置在所述换能器(16)中并且被配置为向所述盘(26)供应电力的电连接器(48)。
9.一种使用至少一个根据前述任一项权利要求所述的探头(10)在高于150℃的温度下检查部件(12)的方法，所述方法至少包括以下步骤：
-使所述滑靴(14)与待检查的所述部件(12)接触；
-由所述换能器(16)朝着所述滑靴(12)发射超声波波束，所述波束至少部分地由所述滑靴(14)传输到所述部件(12)。
10.根据权利要求9所述的检查方法，所述部件(12)包括正在产生的焊道(50)，所述方法还包括提供两个根据前述任一项权利要求所述的探头(10)，以及将所述探头(10)中的每一个设置在正在产生的所述焊道(50)的两侧。
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