一種換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置。目的是提供的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。技術(shù)方案是：一種換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置；包括表面安裝著晶片的超聲相控陣面陣列探頭、包覆在面陣列探頭外圓周面的柔性可壓縮楔塊、用于將面陣列探頭固定在探測(cè)位置的探頭固定裝置以及對(duì)面陣列探頭傳遞的信號(hào)進(jìn)行處理并形成圖像的超聲波檢測(cè)儀。
【專利說(shuō)明】
-種換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種超聲檢測(cè)裝置。具體是換熱器管板角焊縫超聲相控陣面陣列 檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 換熱器的換熱管與管板之間采用焊接或脹接加焊接的形式，焊接接頭的質(zhì)量直接 影響換熱器的產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是大型石化設(shè)備所用的高溫、高壓式換熱器中的角焊縫的質(zhì) 量。由于運(yùn)種換熱器具有上千根換熱管，換熱管的直徑往往較小且排列緊湊，因此對(duì)于角焊 接的焊接要求很高，運(yùn)些角焊縫的質(zhì)量決定了整臺(tái)換熱器的安全性能。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于 換熱器角焊縫的檢測(cè)主要是利用水、氣體等進(jìn)行泄露檢測(cè)，無(wú)法對(duì)焊縫內(nèi)部的夾渣、氣孔等 缺陷進(jìn)行檢測(cè)，而角焊縫的內(nèi)部缺陷會(huì)在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等情況下易造成裝置泄露，發(fā) 生事故。所W，在換熱器的制造過(guò)程中W及運(yùn)行時(shí)需要對(duì)角焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)角焊縫的無(wú)損 檢測(cè)就是最重要的檢驗(yàn)步驟之一。
[0003] 換熱器管角焊縫的無(wú)損檢測(cè)主要有射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)。但 磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)無(wú)法探測(cè)出焊縫內(nèi)部缺陷，常規(guī)射線檢測(cè)靈敏度較低。超聲探傷具有 操作方便、分辨率高、成本低、適應(yīng)面廣等優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)角焊縫此類的特殊結(jié)構(gòu)適用性強(qiáng)， 具有其它無(wú)損檢測(cè)儀器不能替代的特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)的部分研究機(jī)構(gòu)采用雙晶聚焦探頭（內(nèi) 部由兩個(gè)單探頭組成，一個(gè)用于發(fā)射信號(hào)，一個(gè)用于接收信號(hào))對(duì)換熱器管板角焊縫進(jìn)行超 聲檢測(cè)，結(jié)合超聲檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，使檢測(cè)自動(dòng)化、圖象化，明顯提高 了檢測(cè)速度和精度，如重慶大學(xué)謝志江、方被云研制了管子-管板角焊縫自動(dòng)超聲波檢測(cè)系 統(tǒng)，該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制掃描機(jī)械手掃描管子-管板角焊縫并采集相應(yīng)的超聲回波信號(hào)， 經(jīng)過(guò)一定的處理后顯示和打印圖形化結(jié)果，系統(tǒng)硬件主要包括機(jī)械掃描裝置、接口電路、多 功能數(shù)據(jù)采集卡和筆記本計(jì)算機(jī)，為了檢測(cè)焊縫內(nèi)部的缺陷，使用微型雙晶聚焦探頭伸入 管子內(nèi)壁發(fā)射和接收超聲波，根據(jù)回波特征判定焊縫內(nèi)部質(zhì)量。荷蘭斯太米卡邦公司開發(fā) 了的換熱器管子-管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)成套儀器，其技術(shù)思路是采用微型雙晶片聚 焦探頭，伸入管口內(nèi)向角焊縫區(qū)做360°周向掃描檢查，探頭表面的有機(jī)玻璃延遲塊為凸弧 形，W滿足不同曲率換熱管的檢測(cè)要求。但上述幾種超聲檢測(cè)自動(dòng)檢測(cè)裝置采用的雙晶聚 焦探頭檢測(cè)時(shí)軸向掃查和周向掃查均采用機(jī)械方式，檢測(cè)效率明顯低于電子方式掃查。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型的目的是克服上述【背景技術(shù)】的不足，提出一種換熱器管板角焊縫超聲 相控陣面陣列檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。
[0005] 本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是：
[0006] -種換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置;包括表面安裝著晶片的超聲相控陣 面陣列探頭、包覆在面陣列探頭外圓周面的柔性可壓縮模塊、用于將面陣列探頭固定在探 測(cè)位置的探頭固定裝置W及對(duì)面陣列探頭傳遞的信號(hào)進(jìn)行處理并形成圖像的超聲波檢測(cè) 儀。
[0007]所述面陣列探頭中的晶片排列成化128陣列，其中軸向?yàn)?行，周向?yàn)?28列。
[000引所述柔性可壓縮模塊的直徑稍大于換熱管內(nèi)徑，其中插入端一側(cè)為圓錐面過(guò)渡， 小端圓錐面處直徑小于換熱管內(nèi)徑，W方便插入換熱管。
[0009] 所述柔性可壓縮模塊為材料為軟橡膠，其聲速與聲阻抗與水接近。
[0010] 該檢測(cè)裝置還裝有把手。
[0011] 本實(shí)用新型提供的檢測(cè)方法可有效解決聲波衰減過(guò)多使回波太弱的問(wèn)題，一次便 完成整個(gè)角焊縫的檢測(cè)，通過(guò)信號(hào)控制與處理系統(tǒng)控制與處理位置信息和超聲信息，從而 實(shí)現(xiàn)A、S、B、C、3D等多種掃描實(shí)時(shí)成像，不但檢測(cè)結(jié)果快速可靠，而且檢測(cè)方法簡(jiǎn)便。所提供 的檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作要求不高，實(shí)用性強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】

[0012] 圖1為熱器管板角焊縫檢測(cè)裝置示意圖。
[0013]圖2為面陣列探頭晶片排布圖。
[0014] 圖3為面陣列探頭超聲軸向扇形掃查示意圖（面陣列探頭的軸線水平布置于紙 面）。
[0015] 圖4為面陣列探頭超聲周向電子線形掃查示意圖（面陣列探頭的軸線垂直布置于 紙面）。
[0016] 圖5為面陣列探頭超聲周向電子線形掃查聚焦法則計(jì)算示意圖。
[0017] 圖6為面陣列探頭超聲周向電子線形掃查聚焦法則簡(jiǎn)易計(jì)算原理圖。
[0018] 圖7為焊接良好的管板角焊縫超聲信號(hào)示意圖。
[0019] 圖8為帶缺陷的管板角焊縫超聲信號(hào)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] W下結(jié)合附圖所示的實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021] 換熱器的換熱管與管板之間通常采用焊接形式(典型的結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1)，換熱器的 管板7和換熱管9之間形成角焊縫8。熱器管板角焊縫檢測(cè)裝置示意如圖1所示，檢測(cè)裝置包 括超聲波檢測(cè)儀4、面陣列探頭1、柔性可壓縮模塊（W下簡(jiǎn)稱柔性模塊)2、探頭固定裝置6、 探頭數(shù)據(jù)線3、把手5;其中面陣列探頭表面安裝著形成超聲相控陣面陣列的晶片，柔性模塊 (優(yōu)選為軟橡膠，其聲速與聲阻抗與水接近)包覆在陣列探頭的外圓周面，探頭固定裝置(常 規(guī)裝置)用于將陣列探頭固定在探測(cè)位置。
[0022] 對(duì)換熱器管板角焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)的關(guān)鍵是超聲波面陣列探頭必須伸入管內(nèi)檢 ，由于換熱管直徑較小，本實(shí)用新型采用的密布晶片的面陣列相控陣列技術(shù)，伸入管口內(nèi) 向角焊縫區(qū)做一次性360°檢查，控制并調(diào)節(jié)檢測(cè)焦距，使之能有效檢測(cè)不同深度位置的缺 陷。
[0023] 換熱器管板角焊縫超聲相控陣檢測(cè)方法原理為:針對(duì)常規(guī)的換熱器管板角焊縫規(guī) 格尺寸，研制密布晶片的面陣列圓柱形相控陣探頭，面陣列探頭的晶片10排布成8x128陣列 (如圖2所示），其中軸向?yàn)?行(每行128個(gè)晶片周向360°均勻排布），周向?yàn)?28列(每列8個(gè) 晶片均勻排布）。根據(jù)換熱管被檢材料的聲學(xué)特性，采用水作為禪合劑。采用超聲掃描技術(shù)， 軸向采用電子扇形掃描，周向采用電子線形掃查。
[0024] 軸向電子扇形掃描示意如圖3所示;設(shè)定扇形掃描左右偏轉(zhuǎn)角度和聚焦深度(為超 聲波檢測(cè)儀的常規(guī)功能），晶片發(fā)出的超聲波聲束11經(jīng)過(guò)柔性模塊12,柔性模塊的聲阻抗與 水相近，柔性模塊和鋼工件2之間有水作為禪合劑，運(yùn)樣可不考慮禪合劑聲阻抗的影響，8個(gè) 晶片發(fā)生的聲束相聚在鋼工件內(nèi)的最左端焦點(diǎn)15,然后按設(shè)定的參數(shù)向右進(jìn)行扇形掃查 14,最終相聚在在最右端焦點(diǎn)13，再返回向左進(jìn)行扇形掃查14,在左右焦點(diǎn)之間周而復(fù)始地 進(jìn)行扇形掃查。
[0025] 面陣列探頭超聲周向電子線形掃查示意見(jiàn)圖4所示，設(shè)計(jì)相應(yīng)的聚焦法則使控制 面陣列圓柱形相控陣探頭沿周向排列的128個(gè)晶片，其中W編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6 號(hào)、7號(hào)、8號(hào)相鄰8個(gè)晶片作為一個(gè)陣元組，使每個(gè)晶片發(fā)出的超聲波聲束11經(jīng)過(guò)柔性模塊 2,再經(jīng)過(guò)禪合劑進(jìn)入鋼工件12,8個(gè)晶片發(fā)生的聲束在鋼工件相聚在焦點(diǎn)16,然后按相同的 聚焦法則激發(fā)編號(hào)為2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)的第2陣元組的晶片，相聚在相鄰 的焦點(diǎn)17,運(yùn)樣依次作電子線形掃查，直至完成整個(gè)360°-圈。
[0026] 面陣列探頭超聲周向電子線形掃查聚焦法則計(jì)算原理如圖5所示，晶片發(fā)出的超 聲波聲束經(jīng)過(guò)柔性模塊和禪合劑水，由于柔性模塊的聲阻抗與水相近，運(yùn)樣可不考慮禪合 劑聲阻抗的影響，只考慮模塊/鋼二層介質(zhì)近場(chǎng)球面波束形成模型，在平面坐標(biāo)系XOY中，直 線ri、T2、…、rm為超聲波在鋼中的傳播路徑，直線11、12、…、Im為超聲波在水禪合劑中的傳播 路徑。設(shè)AU, y)為聚焦點(diǎn)（回波聲源)坐標(biāo)位置，C(Xm，ym)為第m號(hào)陣元（即晶片）的坐標(biāo)值，B 為入射到第m號(hào)陣元的聲波折射點(diǎn)坐標(biāo)。0(xo，yo)為參考點(diǎn)，D(x%，/o)為聚焦點(diǎn) 到模塊/鋼界面的最短距離對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，a、e是第m號(hào)陣元接收的由鋼界面入射到模塊時(shí)的入 射角與反射角，Cl是超聲波縱波在鋼中的傳播速度，c2是超聲波在模塊中的傳播速度，ro是 鋼中超聲傳播的最短距離，Io是模塊中超聲傳播的最短距離，由此求得第m號(hào)陣元的延時(shí)時(shí) 間Tm。
[0027] 由于本實(shí)用新型采取聲束不偏轉(zhuǎn)聚焦，故位于參考點(diǎn)兩邊的相控陣列陣元信號(hào)的 延時(shí)量相等，即：Tl= T-I，T2= T-2，…，Tm= T-m。因此，僅需要計(jì)算右邊陣元的信號(hào)延時(shí)量。 [00%] WO為參考點(diǎn)，則第m陣元的信號(hào)延時(shí)量為：
[0029]
[0030] 超聲波經(jīng)界面折射，由折射率公式可得：[0031] sina/si 址=cl/c2 (2)[0032] 超聲波在鋼中傳播的距離AB為：
[0033] (3)
[0034] iC 為;
[0035] (4)
[0036] 由于AD、OD、C1、c2已知，當(dāng)m值確定時(shí)，利用計(jì)算機(jī)建模求解可解得A、B、C、D坐標(biāo) 值，代入式（1 )可得第m陣元延時(shí)值Tm。
[0037] 記第m陣元接收信號(hào)為ym(t)，則超聲相控陣列波束形成輸出為：
[00；3 引(5)
[0039] 作為上述數(shù)學(xué)方程的近似，本實(shí)用新型基于超聲相控陣原理，設(shè)計(jì)了換熱器管板 角焊縫面陣列探頭超聲周向電子線形掃查簡(jiǎn)單可行的聚焦法則，如圖6所示；當(dāng)用聚焦探頭 探測(cè)鋼工件時(shí)，在水中和鋼中各有一次聚焦作用，設(shè)探頭至模塊/鋼界面的距離為H，如果聚 焦探頭聲束在鋼中的實(shí)際焦點(diǎn)至模塊/鋼界面的距離為H'。則聚焦探頭所需的在模塊中的 焦距F為：
(6)
[0040]
[0041] 在圖6所示的平面坐標(biāo)系XOY中，相控陣探頭通過(guò)延時(shí)發(fā)射，使得原半徑為R的圓柱 形陣元，形成為曲率半徑為F的凹面新波陣面，可W求得第m號(hào)陣元的延時(shí)時(shí)間Tm。
[0042]
(7)
[0043] 式中：R為圓柱形探頭半徑，
[0044] F凹面新波陣面曲率半徑，
[0045] AC為A、C兩點(diǎn)的坐標(biāo)距離，
[0046] 0m為第m號(hào)陣元中屯、和探頭圓屯、的連線與陣元組中屯、線之間的夾角。
[0047] 同樣可W求得第m-1號(hào)陣元的延時(shí)時(shí)間Tm-I為：
[004引 C致)
[0049] 0m-i為第m-1號(hào)陣元中屯、和探頭圓屯、的連線與陣元組中屯、線之間的夾角
[0050] W上述計(jì)算的延時(shí)時(shí)間作為各陣元提前激發(fā)時(shí)間，形成聚焦法則激發(fā)第-m至m陣 元組，形成在鋼中焦點(diǎn)為Ai'的聚焦聲束，完成掃描后W同樣的聚焦法則激發(fā)第-(m-1)至m+ 1陣元組，形成在鋼中焦點(diǎn)為A2'的聚焦聲束，依此類推，直到激發(fā)第-(m+1)至m-1陣元組，從 而完成整個(gè)圓周向的電子線掃描。
[0051] 超聲相控陣檢測(cè)時(shí)，如焊縫中無(wú)缺陷，超聲波的入射和反射情況如圖7所示，探頭 發(fā)生的超聲波18經(jīng)模塊碰到管子內(nèi)壁，形成界面反射波20和透射波19,界面反射波20返回 被探頭接收;透射波19在管子中前行，在管子和管板未焊接處(如管子端部和管子焊縫下部 分)超聲波會(huì)碰到管子外壁，形成管子外壁/空氣界面反射波21，此反射波會(huì)被探頭接收，因 此在儀器A形顯示上有始波22管子內(nèi)壁反射回波23、管子外壁反射回波24。然而在管子和管 板連接部位，由于焊縫和母材的聲阻抗幾乎相等，超聲波會(huì)繼續(xù)前行，不會(huì)形成反射回波， 因此在儀器A形顯示上只有始波22和管子內(nèi)壁反射回波23,在焊縫下面的未焊接部位有始 波22、管子內(nèi)壁反射回波23和管子外壁反射回波24顯示，但在焊接部位只有始波22和管子 內(nèi)壁反射回波23顯示。
[0052] 如焊縫中存在缺陷，超聲波的入射和反射情況如圖8所示，未焊接部位的超聲波的 入射和反射與圖7相同，但透射波1卵並到缺陷27時(shí)會(huì)形成缺陷反射波25,此反射波會(huì)被探頭 接收，因此在儀器A形顯示上存始波22、管子內(nèi)壁反射回波23和缺陷反射回波26。
[0053] 下面W管板厚度為30mm、換熱管規(guī)格為? 32 X 3.5、焊縫深度為4mm的換熱器管板 角焊縫檢測(cè)，說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方法：
[0054] 采用8X128高頻、晶片、圓周面陣列超聲相控陣探頭，在圓柱形相控陣探頭軸向均 勻排布8行晶片，在圓柱形相控陣探頭周向360°均勻排布128列晶片，探頭公稱頻率為 lOMHz，晶片規(guī)格為0.4X0.4mm，在檢測(cè)前制作同規(guī)格的換熱器管板角焊縫缺陷試樣，根據(jù) 試驗(yàn)確定面陣列超聲相控陣超聲檢測(cè)具體工藝參數(shù)，如檢測(cè)靈敏度、左右扇形掃查角度、扇 形掃查焦距、電子線掃查主動(dòng)孔徑、電子線掃查焦距等。檢測(cè)時(shí)開通面陣列超聲相控陣超聲 檢測(cè)儀，按試驗(yàn)確定的工藝參數(shù)對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)定，對(duì)待檢測(cè)的換熱器管板角焊縫管子內(nèi)表 面噴水，使管子內(nèi)表面探頭接觸面保持潤(rùn)濕狀態(tài)，手持把手5將面陣列探頭1連同柔性模塊2 伸入管內(nèi)，通過(guò)調(diào)整探頭固定裝置6保證面陣列探頭晶片位置對(duì)準(zhǔn)管板角焊縫，同時(shí)啟動(dòng)超 聲相控陣儀器的掃描開始，由于軸向采用電子扇形掃描，周向采用電子線形掃查，兩者的掃 描時(shí)間極短，會(huì)在儀器屏幕上立即呈現(xiàn)完整的掃描圖像。根據(jù)分析軟件可對(duì)圖像中的缺陷 進(jìn)行位置測(cè)量、缺陷大小測(cè)定等。系統(tǒng)記錄位置信息和超聲信息，并根據(jù)需要實(shí)時(shí)形成A、S、 B、C、3D等多種掃查圖像，掃描完成后對(duì)檢測(cè)圖像進(jìn)行保存，用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)焊口進(jìn)行標(biāo)記， 標(biāo)記與檢測(cè)圖像記錄應(yīng)有可追溯性，運(yùn)樣一個(gè)完整的焊口便完成檢測(cè)，然后再檢測(cè)另一個(gè) 焊口，直至換熱器管板角焊縫所有需要檢測(cè)的焊口完成檢測(cè)。
[0055] 本實(shí)用新型針對(duì)換熱器管板角焊縫設(shè)計(jì)了專用的相控陣面陣列探頭能快速、精確 地實(shí)現(xiàn)換熱器管板角焊縫的超聲檢測(cè)，實(shí)時(shí)形成A、S、B、C、3D等多種掃查圖像，具有廣闊的 推廣應(yīng)用前景。
[0056] 最后，需要注意的是，W上列舉的僅是本實(shí)用新型的具體實(shí)施例。顯然，本實(shí)用新 型不限于W上實(shí)施例，還可W有很多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本實(shí)用新型公開的 內(nèi)容中直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置;包括表面安裝著晶片（10)的超聲相控 陣面陣列探頭（1)、包覆在面陣列探頭外圓周面的柔性可壓縮楔塊(2)、用于將面陣列探頭 固定在探測(cè)位置的探頭固定裝置(6)以及對(duì)面陣列探頭傳遞的信號(hào)進(jìn)行處理并形成圖像的 超聲波檢測(cè)儀(4)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于:所述面 陣列探頭中的晶片排列成8x128陣列，其中軸向?yàn)?行，周向?yàn)?28列。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于:所述柔 性可壓縮楔塊的直徑稍大于換熱管內(nèi)徑，其中插入端一側(cè)為圓錐面過(guò)渡，小端圓錐面處直 徑小于換熱管內(nèi)徑，以方便插入換熱管。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于:所述柔 性可壓縮楔塊材料為聲速與聲阻抗與水接近的軟橡膠。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的換熱器管板角焊縫超聲波自動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于:該檢測(cè) 裝置還裝有把手(5)。
【文檔編號(hào)】G01N29/24GK205691552SQ201620546428
【公開日】2016年11月16日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日 公開號(hào)201620546428.0, CN 201620546428, CN 205691552 U, CN 205691552U, CN-U-205691552, CN201620546428, CN201620546428.0, CN205691552 U, CN205691552U
【發(fā)明人】郭偉燦, 凌張偉, 蔡偉勇, 唐萍, 杜興吉
【申請(qǐng)人】浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院