CN203949903U - 一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头 - Google Patents

Abstract

一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头，包括外壳，设置在外壳内的压电晶片，设置在压电晶片正面的透声锲，还包括和透声锲端面大小和形状相适配的延迟块，所述延迟块一端面通过耦合剂与透声锲粘结，侧面与外壳螺纹连接；所述压电晶片的频率为5～10MHz，直径为4mm～6mm；本实用新型通过设置延迟块，使较薄合金厚度层产生出易分辨的多次反射波，解决了较薄合金厚层反射波在盲区这一难题。

Description

一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头

技术领域

本实用新型涉及一种超声波探头，具体涉及一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头。

背景技术

汽轮发电机合金轴瓦采用双金属形式，依靠离心浇注将巴氏合金粘合在轴瓦衬背的内表面，巴氏合金轴瓦的厚度一般为1～15mm，属于软金属组织。通常情况下，轴瓦巴氏合金层愈薄，其抗疲劳强度愈高，但是合金层愈薄、浇铸技术难度愈高、与轴承的黏结性愈差，巴氏合金易于从衬背脱离。由于轴瓦在衬背制造、合金浇铸、轴瓦运行等原因使巴氏合金与衬背结合不良、或逐渐从衬背上脱落，造成烧瓦甚至整个汽轮发电机损坏的事故时有发生。因此及时发现巴氏合金的粘合状态是确保汽轮发电机安全运行的有效方式。经验表明超声波检验是发现轴瓦粘合状态的最佳方法。

目前存在的超声波检测技术存在着以下缺陷：

传统超声波检测采用普通直探头和双晶直探头，利用合金界面反射波与钢背衬底面反射波声压差别判断结合质量，但未能解决合金层厚度≤1mm的检测禁区，原因在于合金层比较薄，探头始波占宽较大，很难识别近距离缺陷；其次，1～5mm合金层界面均在盲区，普通直探头的盲区较大，发现近表面缺陷能力差，且较薄的合金层均在近场区内，近场区内存在声压极大值和极小值，易引起误判；双晶探头在该区域不能聚焦。所以用普通直探头或双晶探头无法完成1～5mm合金层界面超声波检测。

盲区存在的原因是：

对于一个圆盘型纵波声源，声源在声束轴线上任意一点的声压幅值的数学表达式为:

$p={2p}_o\sin \left[\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{\frac{D^2}{4}+S^2}-S)\right]$    ①

式中：D—圆盘声源直径

S—轴线上某点至声源的距离

λ—波长

近场区长度N：声源轴线上最后一个极大值至声源的距离称为近场区长度。

当 $\sin \left[\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{\frac{D^2}{4}+S^2}-S)\right]=\sin (2n+1)\frac{\mathrm{\π}}{2}=1$ 时，声压P有极大值。

极大值对应的距离为：

$\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\sqrt{\frac{D^2}{4}+S^2}-S)=(2n+1)\frac{\mathrm{\π}}{2};$

$\sqrt{\frac{D^2}{4}+S^2}=\frac{(2n+1)\mathrm{\λ}}{2}+S;$

$\frac{D^2}{4}+S^2=\frac{{(2n+1)}^2{\mathrm{\λ}}^2}{4}+2\·\frac{(2n+1)\mathrm{\λ}}{2}\·S+S^2;$

∴ $S=\frac{D^2-{(2n+1)}^2{\mathrm{\λ}}^2}{4(2n+1)\mathrm{\λ}}$ (推导式1)

式中(推导式2)的正整数，共有n+1个极大值。

(推导式2)是由下列步骤推出的：

在(推导式1)中必定是S≥0,则(推导式1)的分子应满足：D²-(2n+1)²λ²>0

-(2n+1)²λ²>-D²

(2n+1)λ<D

2nλ+λ<D；

2nλ<D-λ

故 $n<\frac{D-\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&lambda;}}$

其中n＝0为最后一个极大值.因此近场区长度N为(将(推导式1)用n＝0代入，得):

$N=\frac{D^2-{\mathrm{\&lambda;}}^2}{4\mathrm{\&lambda;}}\&ap;\frac{D^2}{4\mathrm{\&lambda;}}$   ②

从公式2可以看出，对于一般直探头，即使取最小的直径D＝φ6mm，频率f＝2.5MHz，在钢中声速c＝5900mm，

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{c}{f}$

可以得出该探头近场区长度最小值N＝6.1mm。

可见一般直探头无法解决深度为6.1mm的不连续性缺陷的检出。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头，使较薄合金厚度层产生出易分辨的多次反射波，解决了较薄合金厚层反射波在盲区这一难题。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头，包括外壳4，设置在外壳4内的压电晶片5，设置在压电晶片5正面的透声锲6，还包括和透声锲6端面大小和形状相适配的延迟块7，所述延迟块7一端面通过耦合剂与透声锲6粘结，侧面与外壳4螺纹连接；所述压电晶片5的频率为5～10MHz，直径为4mm～6mm。

所述延迟块7的厚度为3.4mm。

所述压电晶片5的频率为5MHz。

所述压电晶片5的直径为4mm。

所述耦合剂为黄油。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的技术效果：

1)由于设置了延迟块，探头声场的大部分近场区域设置在延迟块内。此外，探头的回波已在被检物前表面反射回波之前大大衰减，因此，具有优异的近表面不连续性的分辨率，可以检测出最小0.5mm厚的近表面缺陷。

2)更高的分辨率和小缺陷检测能力，可以分辨和检验出φ1mm的缺陷。

3)延迟块通过螺纹与外壳连接，可方便更换。

4)能解决合金层厚度≤1mm的检测禁区，1～5mm合金层界面的盲区；发现近表面缺陷能力提高80％以上，且避免误判。

附图说明

图1为本实用新型超声波探头的结构示意图。

图2为本实用新型超声波探头测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头，包括塑料或金属材料制作的外壳4，设置在外壳4顶端的与信号发生器连接的接头1，依次设置在外壳4内的阻尼块3、压电晶片5和透声锲6，所述接头1通过电缆线2与压电晶片5连接，还包括和透声锲6端面大小和形状相适配的延迟块7，所述延迟块7一端面通过耦合剂与透声锲6粘结，侧面与外壳4螺纹连接；所述压电晶片5的频率为5～10MHz，直径为4mm～6mm。

作为本实用新型的优选实施方式，所述延迟块7的厚度为3.4mm。

作为本实用新型的优选实施方式，所述压电晶片5的频率为5MHz。

作为本实用新型的优选实施方式，所述压电晶片5的直径为4mm。

作为本实用新型的优选实施方式，所述耦合剂为黄油。

当压电晶片5的频率为5MHz，直径为4mm时，可以计算得该超声波探头的近场区长度是N＝3.4mm，可见该探头的盲区是3.4mm，那么在其前端增加一个3.4mm厚度的延迟块，则可以消除其盲。

本实用新型的工作原理为：某些单晶体和多晶体陶瓷材料在应力(压缩力和拉伸力)作用下产生异种电荷向正反两面集中而在晶体内产生电场，这种效应称为正压电效应。相反，当这些单晶体和多晶体陶瓷材料处于交变电场中时，产生压缩或拉伸的应力和应变，这种效应称为负压电效应。具体为：如图1和图2所示，通过接头1和信号发生器连接，信号发生器产生一个连续的脉冲电压，通过电缆线2作用于压电晶片5，其负压电效应产生超声波，压电晶片5背面的声波被阻尼块3吸收，正面的声波通过透声锲6、延迟块7和耦合介质后进入轴瓦合金；根据波的折射与反射原理，超声波信号在轴瓦合金中遇到不连续时超声波被反射回，通过耦合介质、延迟块7、透声锲6到达压电晶片5，通过压电作用产生电压，电压信号被同轴导线传到示波器；示波器通过分析电信号和参考试块，了解合金轴瓦的结合状态。

应根据被检合金轴瓦层的厚度和曲率，选择超声波探头的频率、晶片尺寸及对应的声束会聚中心深度。可在检测面内径变化20mm范围内选用一种规格弧度的超声波探头，增加超声波探头与接触面的耦合；应采用曲率半径小的超声波探头探测曲面半径大一档的试件(一档为20mm)；推荐使用的超声波探头见表1。

表1推荐使用的探头

Claims (5)

1.一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头，包括外壳(4)，设置在外壳(4)内的压电晶片(5)，设置在压电晶片(5)正面的透声锲(6)，其特征在于：还包括和透声锲(6)端面大小和形状相适配的延迟块(7)，所述延迟块(7)一端面通过耦合剂与透声锲(6)粘结，侧面与外壳(4)螺纹连接；所述压电晶片(5)的频率为5～10MHz，直径为4mm～6mm。

2.根据权利要求1所述的一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头，其特征在于：所述延迟块(7)的厚度为3.4mm。

3.根据权利要求1所述的一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头，其特征在于：所述压电晶片(5)的频率为5MHz。

4.根据权利要求1所述的一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头，其特征在于：所述压电晶片(5)的直径为4mm。

5.根据权利要求1所述的一种检测汽轮机发电机合金轴瓦结合状态的超声波探头，其特征在于：所述耦合剂为黄油。