CN205353011U - 一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置 - Google Patents

Abstract

一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，包括试块、超声波探头和脉冲超声波探伤仪，其试块为扇形板，左侧靠下位置开有横通孔，板面上靠右侧开有竖槽，竖槽中央垂直开有一列短横孔；横通孔和短横孔的中轴线都垂直于扇形板板面；试块右侧向右伸展形成前后叠置的小扇形和大扇形；超声波探头为双晶横波凹面探头，探测面为凸弧面。本实用新型试块为测试双晶横波凹面探头的探头K值、前沿、测绘距离波幅曲线及调整仪器扫描速度而设计，选择双晶、横波、中K值、凹面探头，试块设计成与薄壁弯管表面相同的凸弧面，设计大、小扇形用以测试探头前沿和调整仪器扫描速度，有效解决常规平直面试块不能准确测试探头性能和对缺陷准确定位的技术问题。

Description

一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置

技术领域

本实用新型涉及无损检测技术领域，具体涉及一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置。

背景技术

在锅炉、石化、核电等系统的设备中，大量采用了联接管道和弯头，规格一般在 左右，属薄壁管，并大部分布置在炉外、室外及人行道旁。这些弯头一般采用机器冷弯，因而在弯头部位存有冷加工应力。由于应力的存在，弯头在长期运行和腐蚀介质作用下就会在内壁产生应力腐蚀裂纹，裂纹不断延伸和扩展就会扩展到外壁使弯头处介质泄露或弯头爆破酿成灾难性事故。

目前，利用射线和超声波检测内壁裂纹是较好的一种手段。因为射线检测劳动强度大、检验速度慢、对人有较大伤害，一般很少被采用，所以超声波检测是较为理想的方法。但由于受检工件壁薄，而超声波有一定的近场长度，且弯管外表面呈凸面，常规试块和探头的监测面均为平直面，导致超声波与试件不能良好的接触，使探伤灵敏度低；所反映的检测数值与实际不相符。为此，本实用新型提供一种专门用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，解决现有技术中试块的监测面均为平直面、导致超声波与试块不能良好的接触、使探伤灵敏度低、所反映检测数值与实际不相符的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采取如下技术方案：

一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，包括试块、超声波探头和脉冲超声波探伤仪，其特征在于：

所述试块的左半部分为一个圆心角为90°的扇形板，扇形板的底面和右侧面为平直面，左上为测试弧面一；所述扇形板的左侧靠下开有一个横通孔，右侧开有一个上下贯通的竖槽，在所述竖槽的中央垂直开有一列短横孔；

所述试块的右半部分为两个叠置的扇形试块，较小的为小扇形，较大的为大扇形，所述小扇形和大扇形的扇面互相平行，圆心都位于扇形板最右侧顶部的横沿上，以扇形板的右侧面为起始面向右上方伸展形成；所述小扇形和大扇形的总厚度与扇形板的厚度相适应；所述小扇形的弧面为测试弧面二，所述大扇形的弧面为测试弧面三；

所述超声波探头为双晶横波凹面探头，包括壳体、透声楔块、隔声层、吸收块、发射晶片和接收晶片，其中，所述超声波探头的探测面为凹弧面；

所述脉冲超声波探伤仪为模拟脉冲超声波探伤仪或数字脉冲超声波探伤仪。

作为本实用新型的优选技术方案，所述试块上的短横孔自上而下包括三个，距离扇形板顶面的竖向距离分别为5、10、15mm；其直径为1mm，深度为6mm，其圆心距离扇形板右侧面的水平距离为16mm。

优选的，所述横通孔的直径为10mm，其圆心距离扇形板左侧面的水平距离为20mm，距离扇形板底面的竖向距离20mm。

优选的，所述小扇形的圆心角为75°，扇形半径R₁为40mm。

优选的，所述大扇形的圆心角为87°，扇形半径R₂为80mm。

优选的，所述测试弧面一与测试弧面二之间有衔接曲面；所述衔接曲面的曲率与测试弧面一的曲率相适应。

优选的，所述试块的厚度为20mm，其中小扇形的厚度为5mm，所述大扇形的厚度为15mm。

优选的，所述超声波探头为接触式横波联合双探头，其K值范围为1.5～2.0。

优选的，所述发射晶片和接收晶片的尺寸相同，为5mm×5±2mm，两晶片焦距为5±2mm，晶片入射角为44.1±1°。

优选的，所述超声波探头的频率为2.5～5MHz，探测范围为4～10mm。

与现有技术相比，本实用新型产品的技术优势在于：

1、采用专门设计的凸曲面试块，由于薄壁弯管为凸面，常规平直面试块已不能准确测试探头性能和对缺陷准确定位，将试块设计成凸曲面，试块中设大小扇形分别是用来测试探头前沿和调整仪器扫描速度，试块上设三个短横孔可用来测试探头K值，绘制距离波幅曲线，横通孔用来测定探头的K值，设计合理，使用方便；

2、采用双晶横波凹面探头，发射晶片与接收晶片分开，消除了压电晶片与透声楔块之间的反射杂波。同时由于仪器线路中的始脉冲不能进入放大器，克服了阻塞现象使探测盲区大大减小。通过改变两晶片的倾斜角度可获得理想的焦点距离，从而使工件常出现裂纹区域获得较大的反射声压；将探头加工成凹面，便于探头与工件良好耦合。

附图说明

图1是本实用新型涉及的试块的正视图；

图2是本实用新型涉及的试块的俯视图；

图3是本实用新型涉及的超声波探头的正视图；

图4是本实用新型涉及的超声波探头的俯视图；

图5是本实用新型涉及的超声波探头的工作原理示意图。

附图标记：1-试块、2-横通孔、3-竖槽、4-短横孔、5-小扇形、6-大扇形、7-测试弧面一、8-测试弧面二、9-测试弧面三、10-衔接曲面、11-双晶横波凹面探头、12-壳体、13-透声楔块、14-隔声层、15-吸收块、16-发射晶片、17-接收晶片、18-脉冲超声波探伤仪、19-凹弧面。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型涉及一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，包括试块1、超声波探头11和脉冲超声波探伤仪18，其特征在于：

所述试块1的左边主体为一个圆心角α为90°的扇形板，扇形的底面和右侧面为平直面，左上为测试弧面一7；所述试块1的左侧靠下开有一个横通孔2，横通孔2的直径为10mm，其圆心距离扇形板左侧面的水平距离为20mm，距离扇形板底面的竖向距离10mm；板面上靠右侧开有一个上下贯通的竖槽3，所述竖槽3为半圆槽，槽深为6mm，在所述竖槽3的中央垂直开有一列短横孔4，所述短横孔4自上而下包括三个，距离扇形板1顶面的竖向距离分别为5、10、15mm，其直径为1mm，深度为6mm，其圆心距离扇形板右侧面的水平距离为16mm；所述横通孔2和短横孔4的中轴线互相平行，都垂直于扇形板的前后板面；在所述试块1的右侧，以试块1右侧顶部为扇形圆心，以试块1的右侧面为起始面向右上方伸展形成前后叠置的一个小扇形5和一个大扇形6，所述小扇形5的圆心角β为75°，扇形半径R₁为40mm；所述大扇形6的圆心角γ为87°，扇形半径R₂为80mm，小扇形5和大扇形6的总厚度与试块1的厚度相适应，试块1的厚度为20mm，所述小扇形5的厚度为5mm，所述大扇形6的厚度为15mm；所述小扇形5的弧面为测试弧面二8，所述大扇形5的弧面为测试弧面三9，所述测试弧面二8和测试弧面三9均垂直于试块1的前后板面，测试弧面一7与测试弧面二8之间有衔接曲面10；衔接曲面10的曲率与测试弧面一7的曲率相适应；所述试块1为一体成型结构。

此试块为测试双晶横波凹面探头的探头K值、前沿、测绘距离波幅曲线、调整仪器扫描速度而设计。由于薄壁弯管为凸面，而探头制作成凹面，若采用常规平直面试块已不能准确测试探头性能和对缺陷准确定位，所以我们将试块设计成凸曲面，试块材质采用与被测工件相同的20号钢，试块中大小扇形的测试弧面二8和测试弧面三9分别是用来测试探头前沿和调整仪器扫描速度，试块上的三个短横孔4可用来测试探头K值，绘制距离波幅曲线，横通孔2用来测定探头的K值。

本实用新型的超声波探头11为双晶横波凹面探头，包括壳体12、透声楔块13、隔声层14、吸收块15、发射晶片16和接收晶片17，其中，所述超声波探头11的探测面为凹弧面；双晶横波凹面探头是为了弥补普通探头探测近表面缺陷盲区大、近场分辨力低的缺点而设计的。由于采用双晶横波凹面探头，发射晶片16与接收晶片17分开，消除了压电晶片与透声楔块13之间的反射杂波。同时由于仪器线路中的始脉冲不能进入放大器，克服了阻塞现象使探测盲区大大减小。通过改变两晶片的倾斜角度可获得理想的焦点距离，从而使工件常出现裂纹区域获得较大的反射声压，如图5，为双晶横波凹面探头的工作原理图，处于菱形区范围内的反射信号较强，这就较好的解决了薄壁管的探伤问题，实际探伤时要根据被检工件的厚度选取适当的探头楔块倾斜角从而使两压电晶片焦点落在被检工件缺陷易出现的部位。晶片入射角δ愈小则焦点距探测面深度愈深，菱形区愈长，有利于探测较厚的工件；δ角愈大则焦点距探测面深度愈浅菱形区愈短有利于探测较薄的工件。δ角的选取可通过计算获得，在此我们把焦点尺寸控制在5～10mm。探头K值的选择原则应是探头主波束与弯管内壁相切，测定管壁薄时应尽量选用稍大K值的探头，考虑到有效探伤面较小，而探头K值太大声波不能有效地检测到裂纹出现的部位，所以不能将K值选取的过大，我们将探头K值选择在K1.5～2。

频率选定时，按声压衰减方程：P_x＝P₀e^-ax；

式中：Po-波源的起始声压；P_x-至波源距离为x处的声压；x-至波源的距离；a-介质衰减系数，单位为NP/mm；e-自然对数的底数e＝2.718……，其中：a＝a_a+a_s；a_a＝c₁f；

$a_s=\left\{\begin{array}{cc}{c}_2{\mathrm{Fd}}^3{f}^4& d<\mathrm{\&lambda;}\\ c_3{\mathrm{Fdf}}^2& d<\mathrm{\&lambda;}\\ c_{4}F/d& d<\mathrm{\&lambda;}\end{array}\right.$

式中：f-声波频率；d-介质的晶粒直径；λ-波长；c₁、c₂、c₃、c₄-常数。

超声波频率在很大程度上决定了超声波的检测能力，因此超声波频率需选择合适，频率低时波长长、声束宽、扩散角大、能量不集中，发现缺陷的能力小，分辨率差，但扫查空间大，声波在材料中衰减小，穿透能力大。频率高时波长短、声束窄、扩散角小、能量集中，发现小缺陷的能力高分辨率高，缺陷定位准确，但扫查空间小。由于介质的吸收衰减与频率成正比，介质的散射衰减与介质的晶粒直径成正比，所以在实际探伤中，当介质的晶粒粗大时可选用较低的频率，当介质的晶粒较小时可选用较高的频率，这有利于发现较小的缺陷，探头频率高，其探头的声波在工件中损失不大。本实施例中被检工件属常规碳钢或低合金钢，其材质晶粒度均细小，可选择较高频率的探头，探头的频率选择在5MHz，有利于小缺陷的检出，双晶横波凹面探头的构造及晶片放置位置见图3和图4，其外形尺寸为18mm×15mm×12mm±2mm。考虑到受检工件尺寸相对较小，曲率较大，就不能选取较大的探头尺寸，我们将探头尺寸选取压电晶片寸为5mm×5±2mm，2.5～5MHz，两晶片焦距为5～10mm，探测范围为4～10mm探头。为做到探头与工件良好耦合，我们将探头加工成凹面。

所述脉冲超声波探伤仪18为模拟脉冲超声波探伤仪或数字脉冲超声波探伤仪，本实施例检测小管径焊缝，采用A型脉冲模拟机和数字机即可满足探伤的需要。

本实用新型涉及的用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置在使用过程中，首先进行仪器调试，探头测试、仪器调试、绘制距离波幅曲线按常规横波探头焊缝检验程序进行，将探头放置在试块直径分别为80mm和40mm的大小扇形圆心处，左右移动探头找出两圆弧面反射的最高反射点，调出扫描速度以数字机为例以下同，测出其探头入射点。反转探头，将探头找出10mm反射波至最高点换算出探头的折射角探头的K值，利用短横孔波幅反射绘制距离波幅曲线，检测灵敏度以Φ1×6-6dB为宜。仪器测试完成后，进行实际探测。在实际探伤时，若发现在弧面位置出现反射波，波幅值达到或大于荧光屏上距离波幅曲线，即Φ1×6dB，可判为裂纹。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，包括试块(1)、超声波探头(11)和脉冲超声波探伤仪(18)，其特征在于：

所述试块(1)的左半部分为一个圆心角为90°的扇形板，扇形板的底面和右侧面为平直面，左上为测试弧面一(7)；所述扇形板的左侧靠下开有一个横通孔(2)，右侧开有一个上下贯通的竖槽(3)，在所述竖槽(3)的中央垂直开有一列短横孔(4)；

所述试块(1)的右半部分为两个叠置的扇形试块，较小的为小扇形(5)，较大的为大扇形(6)，所述小扇形(5)和大扇形(6)的扇面互相平行，圆心都位于试块左侧扇形板最右侧顶部的横沿上，以扇形板的右侧面为起始面向右上方伸展形成；所述小扇形(5)和大扇形(6)的总厚度与扇形板的厚度相适应；所述小扇形(5)的弧面为测试弧面二(8)，所述大扇形(6)的弧面为测试弧面三(9)；

所述超声波探头(11)为双晶横波凹面探头，包括壳体(12)、透声楔块(13)、隔声层(14)、吸收块(15)、发射晶片(16)和接收晶片(17)，其中，所述双晶横波凹面探头的探测面为凹弧面(19)；

所述脉冲超声波探伤仪(18)为模拟脉冲超声波探伤仪或数字脉冲超声波探伤仪。

2.根据权利要求1所述的一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，其特征在于：所述横通孔(2)的直径为10mm，其圆心距离扇形板左侧面的水平距离为20mm，距离扇形板底面的竖向距离20mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，其特征在于：所述短横孔(4)自上而下包括三个，距离扇形板(1)顶面的竖向距离分别为5、10、15mm；其直径为1mm，深度为6mm，其圆心距离扇形板右侧面的水平距离为16mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，其特征在于：所述小扇形(5)的圆心角为75°，扇形半径R₁为40mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，其特征在于：所述大扇形(6)的圆心角为87°，扇形半径R₂为80mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，其特征在于：所述测试弧面一(7)与测试弧面二(8)之间有衔接曲面(10)；所述衔接曲面(10)的曲率与测试弧面一(2)的曲率相适应。

7.根据权利要求1所述的一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，其特征在于：所述试块(1)的厚度为20mm，其中小扇形(5)的厚度为5mm，所述大扇形(6)的厚度为15mm。

8.根据权利要求1所述的一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，其特征在于：所述超声波探头(11)为接触式横波联合双探头，其K值范围为1.5～2.0。

9.根据权利要求1所述的一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，其特征在于：所述发射晶片(16)和接收晶片(17)的尺寸相同，为5mm×5±2mm，两晶片焦距为5±2mm，晶片入射角44.1±1°。

10.根据权利要求1～9任意一项所述的一种用于薄壁弯管超声波探伤的探伤装置，其特征在于：所述超声波探头(11)的频率为2.5～5MHz，探测范围为4～10mm。