一种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置。目的是提供的检测装置结构简单，实用性强。技术方案是：一种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置；包括表面安装着晶片的超声相控阵面阵列探头、包覆在面阵列探头外圆周面的柔性可压缩楔块、用于将面阵列探头固定在探测位置的探头固定装置以及对面阵列探头传递的信号进行处理并形成图像的超声波检测仪。
【专利说明】
-种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种超声检测装置。具体是换热器管板角焊缝超声相控阵面阵列 检测装置。
【背景技术】
[0002] 换热器的换热管与管板之间采用焊接或胀接加焊接的形式，焊接接头的质量直接 影响换热器的产品质量，尤其是大型石化设备所用的高溫、高压式换热器中的角焊缝的质 量。由于运种换热器具有上千根换热管，换热管的直径往往较小且排列紧凑，因此对于角焊 接的焊接要求很高，运些角焊缝的质量决定了整台换热器的安全性能。但是，目前国内对于 换热器角焊缝的检测主要是利用水、气体等进行泄露检测，无法对焊缝内部的夹渣、气孔等 缺陷进行检测，而角焊缝的内部缺陷会在高溫、高压、强腐蚀等情况下易造成装置泄露，发 生事故。所W，在换热器的制造过程中W及运行时需要对角焊缝进行检验，对角焊缝的无损 检测就是最重要的检验步骤之一。
[0003] 换热器管角焊缝的无损检测主要有射线检测、超声检测、磁粉检测和渗透检测。但 磁粉检测和渗透检测无法探测出焊缝内部缺陷，常规射线检测灵敏度较低。超声探伤具有 操作方便、分辨率高、成本低、适应面广等优点，特别是对角焊缝此类的特殊结构适用性强， 具有其它无损检测仪器不能替代的特点。目前国内的部分研究机构采用双晶聚焦探头（内 部由两个单探头组成，一个用于发射信号，一个用于接收信号)对换热器管板角焊缝进行超 声检测，结合超声检测技术、计算机技术、机械传动技术，使检测自动化、图象化，明显提高 了检测速度和精度，如重庆大学谢志江、方被云研制了管子-管板角焊缝自动超声波检测系 统，该系统采用计算机控制扫描机械手扫描管子-管板角焊缝并采集相应的超声回波信号， 经过一定的处理后显示和打印图形化结果，系统硬件主要包括机械扫描装置、接口电路、多 功能数据采集卡和笔记本计算机，为了检测焊缝内部的缺陷，使用微型双晶聚焦探头伸入 管子内壁发射和接收超声波，根据回波特征判定焊缝内部质量。荷兰斯太米卡邦公司开发 了的换热器管子-管板角焊缝超声波自动检测成套仪器，其技术思路是采用微型双晶片聚 焦探头，伸入管口内向角焊缝区做360°周向扫描检查，探头表面的有机玻璃延迟块为凸弧 形，W满足不同曲率换热管的检测要求。但上述几种超声检测自动检测装置采用的双晶聚 焦探头检测时轴向扫查和周向扫查均采用机械方式，检测效率明显低于电子方式扫查。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是克服上述【背景技术】的不足，提出一种换热器管板角焊缝超声 相控阵面阵列检测装置，该检测装置结构简单，实用性强。
[0005] 本实用新型提供的技术方案是：
[0006] -种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置;包括表面安装着晶片的超声相控阵 面阵列探头、包覆在面阵列探头外圆周面的柔性可压缩模块、用于将面阵列探头固定在探 测位置的探头固定装置W及对面阵列探头传递的信号进行处理并形成图像的超声波检测 仪。
[0007]所述面阵列探头中的晶片排列成化128阵列，其中轴向为8行，周向为128列。
[000引所述柔性可压缩模块的直径稍大于换热管内径，其中插入端一侧为圆锥面过渡， 小端圆锥面处直径小于换热管内径，W方便插入换热管。
[0009] 所述柔性可压缩模块为材料为软橡胶，其声速与声阻抗与水接近。
[0010] 该检测装置还装有把手。
[0011] 本实用新型提供的检测方法可有效解决声波衰减过多使回波太弱的问题，一次便 完成整个角焊缝的检测，通过信号控制与处理系统控制与处理位置信息和超声信息，从而 实现A、S、B、C、3D等多种扫描实时成像，不但检测结果快速可靠，而且检测方法简便。所提供 的检测装置结构简单，制作要求不高，实用性强。
【附图说明】
[0012] 图1为热器管板角焊缝检测装置示意图。
[0013]图2为面阵列探头晶片排布图。
[0014] 图3为面阵列探头超声轴向扇形扫查示意图（面阵列探头的轴线水平布置于纸 面）。
[0015] 图4为面阵列探头超声周向电子线形扫查示意图（面阵列探头的轴线垂直布置于 纸面）。
[0016] 图5为面阵列探头超声周向电子线形扫查聚焦法则计算示意图。
[0017] 图6为面阵列探头超声周向电子线形扫查聚焦法则简易计算原理图。
[0018] 图7为焊接良好的管板角焊缝超声信号示意图。
[0019] 图8为带缺陷的管板角焊缝超声信号示意图。
【具体实施方式】
[0020] W下结合附图所示的实施例进一步说明。
[0021] 换热器的换热管与管板之间通常采用焊接形式(典型的结构参见图1)，换热器的 管板7和换热管9之间形成角焊缝8。热器管板角焊缝检测装置示意如图1所示，检测装置包 括超声波检测仪4、面阵列探头1、柔性可压缩模块（W下简称柔性模块)2、探头固定装置6、 探头数据线3、把手5;其中面阵列探头表面安装着形成超声相控阵面阵列的晶片，柔性模块 (优选为软橡胶，其声速与声阻抗与水接近)包覆在阵列探头的外圆周面，探头固定装置(常 规装置)用于将阵列探头固定在探测位置。
[0022] 对换热器管板角焊缝进行超声检测的关键是超声波面阵列探头必须伸入管内检 ，由于换热管直径较小，本实用新型采用的密布晶片的面阵列相控阵列技术，伸入管口内 向角焊缝区做一次性360°检查，控制并调节检测焦距，使之能有效检测不同深度位置的缺 陷。
[0023] 换热器管板角焊缝超声相控阵检测方法原理为:针对常规的换热器管板角焊缝规 格尺寸，研制密布晶片的面阵列圆柱形相控阵探头，面阵列探头的晶片10排布成8x128阵列 (如图2所示），其中轴向为8行(每行128个晶片周向360°均匀排布），周向为128列(每列8个 晶片均匀排布）。根据换热管被检材料的声学特性，采用水作为禪合剂。采用超声扫描技术， 轴向采用电子扇形扫描，周向采用电子线形扫查。
[0024] 轴向电子扇形扫描示意如图3所示;设定扇形扫描左右偏转角度和聚焦深度(为超 声波检测仪的常规功能），晶片发出的超声波声束11经过柔性模块12,柔性模块的声阻抗与 水相近，柔性模块和钢工件2之间有水作为禪合剂，运样可不考虑禪合剂声阻抗的影响，8个 晶片发生的声束相聚在钢工件内的最左端焦点15,然后按设定的参数向右进行扇形扫查 14,最终相聚在在最右端焦点13，再返回向左进行扇形扫查14,在左右焦点之间周而复始地 进行扇形扫查。
[0025] 面阵列探头超声周向电子线形扫查示意见图4所示，设计相应的聚焦法则使控制 面阵列圆柱形相控阵探头沿周向排列的128个晶片，其中W编号为1号、2号、3号、4号、5号、6 号、7号、8号相邻8个晶片作为一个阵元组，使每个晶片发出的超声波声束11经过柔性模块 2,再经过禪合剂进入钢工件12,8个晶片发生的声束在钢工件相聚在焦点16,然后按相同的 聚焦法则激发编号为2号、3号、4号、5号、6号、7号、8号、9号的第2阵元组的晶片，相聚在相邻 的焦点17,运样依次作电子线形扫查，直至完成整个360°-圈。
[0026] 面阵列探头超声周向电子线形扫查聚焦法则计算原理如图5所示，晶片发出的超 声波声束经过柔性模块和禪合剂水，由于柔性模块的声阻抗与水相近，运样可不考虑禪合 剂声阻抗的影响，只考虑模块/钢二层介质近场球面波束形成模型，在平面坐标系XOY中，直 线ri、T2、…、rm为超声波在钢中的传播路径，直线11、12、…、Im为超声波在水禪合剂中的传播 路径。设AU, y)为聚焦点（回波声源)坐标位置，C(Xm，ym)为第m号阵元（即晶片）的坐标值，B 为入射到第m号阵元的声波折射点坐标。0(xo，yo)为参考点，D(x%，/o)为聚焦点 到模块/钢界面的最短距离对应的点，a、e是第m号阵元接收的由钢界面入射到模块时的入 射角与反射角，Cl是超声波纵波在钢中的传播速度，c2是超声波在模块中的传播速度，ro是 钢中超声传播的最短距离，Io是模块中超声传播的最短距离，由此求得第m号阵元的延时时 间Tm。
[0027] 由于本实用新型采取声束不偏转聚焦，故位于参考点两边的相控阵列阵元信号的 延时量相等，即：Tl= T-I，T2= T-2，…，Tm= T-m。因此，仅需要计算右边阵元的信号延时量。 [00%] WO为参考点，则第m阵元的信号延时量为：
[0029]
[0030] 超声波经界面折射，由折射率公式可得：[0031] sina/si 址=cl/c2 (2)[0032] 超声波在钢中传播的距离AB为：
[0033] (3)
[0034] iC 为;
[0035] (4)
[0036] 由于AD、OD、C1、c2已知，当m值确定时，利用计算机建模求解可解得A、B、C、D坐标 值，代入式（1 )可得第m阵元延时值Tm。
[0037] 记第m阵元接收信号为ym(t)，则超声相控阵列波束形成输出为：
[00；3 引(5)
[0039] 作为上述数学方程的近似，本实用新型基于超声相控阵原理，设计了换热器管板 角焊缝面阵列探头超声周向电子线形扫查简单可行的聚焦法则，如图6所示；当用聚焦探头 探测钢工件时，在水中和钢中各有一次聚焦作用，设探头至模块/钢界面的距离为H，如果聚 焦探头声束在钢中的实际焦点至模块/钢界面的距离为H'。则聚焦探头所需的在模块中的 焦距F为：
(6)
[0040]
[0041] 在图6所示的平面坐标系XOY中，相控阵探头通过延时发射，使得原半径为R的圆柱 形阵元，形成为曲率半径为F的凹面新波阵面，可W求得第m号阵元的延时时间Tm。
[0042]
(7)
[0043] 式中：R为圆柱形探头半径，
[0044] F凹面新波阵面曲率半径，
[0045] AC为A、C两点的坐标距离，
[0046] 0m为第m号阵元中屯、和探头圆屯、的连线与阵元组中屯、线之间的夹角。
[0047] 同样可W求得第m-1号阵元的延时时间Tm-I为：
[004引 C致)
[0049] 0m-i为第m-1号阵元中屯、和探头圆屯、的连线与阵元组中屯、线之间的夹角
[0050] W上述计算的延时时间作为各阵元提前激发时间，形成聚焦法则激发第-m至m阵 元组，形成在钢中焦点为Ai'的聚焦声束，完成扫描后W同样的聚焦法则激发第-(m-1)至m+ 1阵元组，形成在钢中焦点为A2'的聚焦声束，依此类推，直到激发第-(m+1)至m-1阵元组，从 而完成整个圆周向的电子线扫描。
[0051] 超声相控阵检测时，如焊缝中无缺陷，超声波的入射和反射情况如图7所示，探头 发生的超声波18经模块碰到管子内壁，形成界面反射波20和透射波19,界面反射波20返回 被探头接收;透射波19在管子中前行，在管子和管板未焊接处(如管子端部和管子焊缝下部 分)超声波会碰到管子外壁，形成管子外壁/空气界面反射波21，此反射波会被探头接收，因 此在仪器A形显示上有始波22管子内壁反射回波23、管子外壁反射回波24。然而在管子和管 板连接部位，由于焊缝和母材的声阻抗几乎相等，超声波会继续前行，不会形成反射回波， 因此在仪器A形显示上只有始波22和管子内壁反射回波23,在焊缝下面的未焊接部位有始 波22、管子内壁反射回波23和管子外壁反射回波24显示，但在焊接部位只有始波22和管子 内壁反射回波23显示。
[0052] 如焊缝中存在缺陷，超声波的入射和反射情况如图8所示，未焊接部位的超声波的 入射和反射与图7相同，但透射波1卵並到缺陷27时会形成缺陷反射波25,此反射波会被探头 接收，因此在仪器A形显示上存始波22、管子内壁反射回波23和缺陷反射回波26。
[0053] 下面W管板厚度为30mm、换热管规格为? 32 X 3.5、焊缝深度为4mm的换热器管板 角焊缝检测，说明本实用新型的实施方法：
[0054] 采用8X128高频、晶片、圆周面阵列超声相控阵探头，在圆柱形相控阵探头轴向均 匀排布8行晶片，在圆柱形相控阵探头周向360°均匀排布128列晶片，探头公称频率为 lOMHz，晶片规格为0.4X0.4mm，在检测前制作同规格的换热器管板角焊缝缺陷试样，根据 试验确定面阵列超声相控阵超声检测具体工艺参数，如检测灵敏度、左右扇形扫查角度、扇 形扫查焦距、电子线扫查主动孔径、电子线扫查焦距等。检测时开通面阵列超声相控阵超声 检测仪，按试验确定的工艺参数对仪器进行设定，对待检测的换热器管板角焊缝管子内表 面喷水，使管子内表面探头接触面保持润湿状态，手持把手5将面阵列探头1连同柔性模块2 伸入管内，通过调整探头固定装置6保证面阵列探头晶片位置对准管板角焊缝，同时启动超 声相控阵仪器的扫描开始，由于轴向采用电子扇形扫描，周向采用电子线形扫查，两者的扫 描时间极短，会在仪器屏幕上立即呈现完整的扫描图像。根据分析软件可对图像中的缺陷 进行位置测量、缺陷大小测定等。系统记录位置信息和超声信息，并根据需要实时形成A、S、 B、C、3D等多种扫查图像，扫描完成后对检测图像进行保存，用适当的方法对焊口进行标记， 标记与检测图像记录应有可追溯性，运样一个完整的焊口便完成检测，然后再检测另一个 焊口，直至换热器管板角焊缝所有需要检测的焊口完成检测。
[0055] 本实用新型针对换热器管板角焊缝设计了专用的相控阵面阵列探头能快速、精确 地实现换热器管板角焊缝的超声检测，实时形成A、S、B、C、3D等多种扫查图像，具有广阔的 推广应用前景。
[0056] 最后，需要注意的是，W上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新 型不限于W上实施例，还可W有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的 内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种换热器管板角焊缝超声波自动检测装置;包括表面安装着晶片（10)的超声相控 阵面阵列探头（1)、包覆在面阵列探头外圆周面的柔性可压缩楔块(2)、用于将面阵列探头 固定在探测位置的探头固定装置(6)以及对面阵列探头传递的信号进行处理并形成图像的 超声波检测仪(4)。2. 根据权利要求1所述的换热器管板角焊缝超声波自动检测装置，其特征在于:所述面 阵列探头中的晶片排列成8x128阵列，其中轴向为8行，周向为128列。3. 根据权利要求2所述的换热器管板角焊缝超声波自动检测装置，其特征在于:所述柔 性可压缩楔块的直径稍大于换热管内径，其中插入端一侧为圆锥面过渡，小端圆锥面处直 径小于换热管内径，以方便插入换热管。4. 根据权利要求3所述的换热器管板角焊缝超声波自动检测装置，其特征在于:所述柔 性可压缩楔块材料为声速与声阻抗与水接近的软橡胶。5. 根据权利要求4所述的换热器管板角焊缝超声波自动检测装置，其特征在于:该检测 装置还装有把手(5)。
【文档编号】G01N29/24GK205691552SQ201620546428
【公开日】2016年11月16日
【申请日】2016年6月6日 公开号201620546428.0, CN 201620546428, CN 205691552 U, CN 205691552U, CN-U-205691552, CN201620546428, CN201620546428.0, CN205691552 U, CN205691552U
【发明人】郭伟灿, 凌张伟, 蔡伟勇, 唐萍, 杜兴吉
【申请人】浙江省特种设备检验研究院