一种T型管支管贴合面的超声波全覆盖探伤方法与流程

本发明属于金属管道探伤技术领域，具体涉及一种t型管支管贴合面的超声波全覆盖探伤方法。

背景技术：

近几年来，建筑钢结构水平不断发展，大宽度空间网架越来越多，且大多采用管结构。管-管间大多形成管分支节点，在焊接时通常会有小夹角焊缝，焊接不便且焊缝根部通常会存有未熔合、气孔、夹渣等焊接缺陷。焊后无损检测是保证焊接管结构质量最重要的手段，但是，对于kty型管焊缝的检测比较困难，焊缝质量无法得到可靠控制。

超声波检测技术是常规检测技术之一，常用于管道焊缝缺陷的检测。但是，由于t型管焊缝贴合面不规则，即便是超声波探头在支管上移动一周也无法保证对焊缝部分全覆盖，这样就无法保证焊缝部分的完整检测；由于焊缝贴合面受到主管和支管的管径影响，不同的管参数会形成不同的贴合面，给探伤覆盖又提出了难题。

目前，人工检测主要是依赖探伤人员的工作经验来大致评估出焊缝贴合面大致所在位置，然后，通过将超声波探头不断贴近焊缝位置进行反复移动检测，但是，过程会比较繁复，检测效率较低，且并不能保证全覆盖检测，导致对缺陷部分的漏检和错检。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种t型管支管贴合面的超声波全覆盖探伤方法，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。

为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种t型管支管贴合面的超声波全覆盖探伤方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、建立笛卡尔三维直角坐标系：t管是由主管和支管两部分构成，主管和支管之间的夹角为90°，在建立坐标系时，将主管中心线作为直角坐标系的x轴，以支管中心线作为直角坐标系的y轴；

s2、求解一次波交点：在探伤时，超声波探头位于支管上，同时，超声波探头贴合在支管上且超声波探头的中轴线和支管方向保持平行，超声波入射点坐标为a；此时，可视为超声波在平行界面传播，在平行界面上一次波交点的求解，通过平行面的厚度l和超声波入射角α就能够利用勾股定理来进行求解；求解出一次波交点b；

s3、求解二次波交点：当超声波束遇到不同介质时将会发生镜面反射，利用镜面反射原理，在平行界面内求解出超声波的二次波交点坐标c；

s4、求解入射线和反射线的空间直线方程：在步骤s2和步骤s3步骤中求解出了一次波、二次波直线上的三个点，利用上述的a，b，c三点写出一次波、二次波空间直线方程；

s5、根据超声波波束的一次波、二次波波面，计算有效区间宽度d以及探头前缘到区间d的距离d；

s6、获得支管贴合面外边沿的变化规律：从主管的侧面看整个t型管，根据主管外径和当前所在位置的z值，求出支管贴合面在y轴方向受到主管管壁影响而产生的偏移量δm；

s7、按照贴合面最大宽度来设定超声波束的入射角度：利用步骤s5中的区域d宽度计算公式，求解出满足条件的入射角；

s8、超声波探头围绕支管旋转θ角度：支管是建立在y轴上的，探头在支管上旋转时，根据旋转的起点坐标a、支管外径rs及旋转角度θ，求出探头所在位置的坐标值；

s9、求解贴合面最大宽度：在t型管中钢管和钢管相连接时，贴合面为一个曲面；在这种情况下，进行贴合面覆盖时，需要计算出最大宽度来设置入射角度，使得最大宽度小于等于有效区域的覆盖宽度；贴合面的最大宽度通过求解旋转相同角度时支管外壁与内壁上贴合面对应的坐标点y的差值得出，所需要的参数包括主管外径、支管外径、支管外径上入射点坐标及内径上一次波反射点坐标；

s10、当主管和支管的内外径参数固定时，步骤s9所求得的贴合面最大宽度为固定值，通过改变超声波探头的入射角度调整超声波有效区间宽度d的宽度，只要有效区间宽度d大于贴合面最大宽度，就能实现全覆盖探伤。

在本发明进一步的实施例中，所述步骤s2中，设超声波入射点坐标为a(x0,x0,z0)，主管外径rm，主管内径rm；支管外径rs，支管内径rs；一次波交点为b(x1,y1,z1)，c(x2,y2,z2)，超声波入射角α；则支管管壁厚度l＝rs-rs；利用勾股定理可以计算出：

△y＝l*tanα；

△z＝l；

进一步可以求解出一次波交点b(x1,y1,z1)的坐标：

x1＝x0；

y1＝y0-△y；

z1＝z0-△z。

在本发明进一步的实施例中，所述步骤s3中，利用镜面反射原理在平行界面内，可以计算出：

△y＝l*tanα；

△z＝0；

进一步可以求解出二次波交点c(x2,y2,z2)的坐标：

x2＝x0；

y2＝y0–2*△y；

z2＝z0-△z。

在本发明进一步的实施例中，在步骤s4中，利用上述入射点a，一次波交点b，二次波交点c三点写出空间直线方程：

一次波所在直线的参数方程为：

x＝(x2-x1)t+x1；

y＝(y2-y1)t+y1；

z＝(z2-z1)t+z1；

二次波所在直线的参数方程为：

x＝(x3-x2)t+x2；

y＝(y3-y2)t+y2；

z＝(z3-z2)t+z2。

在本发明进一步的实施例中，在步骤s5中，假设每一条超声波束是由n条声束组成，每条声束入射点之间的间隔为△l，任何两条相邻声束的入射角相差β，通过步骤s2、s3、s4计算得出超声波束的函数簇；根据超声波束在钢轨内部一次波二次波的波面，寻找有效区间宽度d，当区域位于d的左侧时，会形成一个钢管上表面的漏检区域；当区域位于d的右侧区域时，会形成一个钢管下表面的漏检区域；区域d是由最小入射角声束线的二次波交点和最大入射角的一次波交点所组成的区域；则区域d的宽度受到入射角度和支管管壁厚度影响，其中，支管管壁厚度l为rs-rs，探头前缘到有效区间的距离为d；

设超声波阵列最小入射角为α1，最小入射角时入射点到二次波反射点的距离为l1；超声波阵列最大入射角为α2，最大入射角时入射点到一次波反射点的距离为l2；

则，区域d宽度计算如下：

l1＝2*l*tanα1；

l2＝l*tanα2；

l＝(n-1)*△l；

d＝l2-l1-l；

探头前缘到区间d的距离d计算如下：

l1＝2*l*tanα1；

l＝(n-1)*△l；

d＝l1-l。

在本发明进一步的实施例中，在步骤s6中，由于入射点会在支管外壁上旋转移动，其z值会随之改变，δm是指在移动过程中偏移量随着z值的变化规律；根据主管外径rs、当前入射点所在位置的z值，可以求出支管贴合面在y轴方向受到主管管壁影响而产生的偏移量δm：

在本发明进一步的实施例中，在步骤s7中，利用步骤s5中的区域d宽度计算公式,可以反推出，入射角度需要满足的范围：

d＝l2-l1-l；

l1＝2*l*tanα1；

l2＝l*tanα2；

可以求解出满足条件的入射角。

在本发明进一步的实施例中，在步骤s8中，由于支管是建立在y轴上的，探头在支管上旋转时，其所在位置的坐标值(xt,yt,zt)可以由旋转的起点坐标(x0,y0,z0)、支管外径rs及旋转角度θ，求出：

xt＝x0+rs*sinθ；

yt＝y0；

zt＝rs*cosθ。

在本发明进一步的实施例中，在步骤s9中，贴合面的最大宽度可以通过求解旋转相同角度时支管外壁与内壁上贴合面对应的坐标点y的差值得出，所需要的参数包括主管外径、支管外径、支管外径上入射点坐标及内径上一次波反射点坐标：

δmax＝max(dy-dy)。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：本发明的一种超声波探伤t型管支管贴合面的全覆盖分析方法，采用对t型管支管贴合面进行超声波探伤的探头运动轨迹计算算法，可以根据t型管主管、支管的内外径计算出支管贴合面在支管外壁上的运动轨迹；通过控制超声波探头沿轨迹进行探测，使得支管贴合面始终保持在超声波探测有效区间内，达到对钢管接口贴合面全覆盖的目的，进而能够准确的评估出贴合面的粘合情况，过程简单，检测效率较高，且保证全覆盖检测，避免对缺陷部分的漏检和错检的情况。

附图说明

图1为本发明中超声波束在平行界面一次波传播路径正视图。

图2为本发明中一次波、二次波路径的正视图。

图3为本发明中超声波束在钢轨内部一次波二次波的波面图及简化图。

图4为本发明中t型管沿x轴方向的视角图。

图5为本发明中t型管支管部分模型图。

图6为本发明中支管贴合面轮廓图。

图7为本发明中贴合面最大宽度dis、有效区间宽度d以及探头前缘到区间d的距离d的计算结果图。

图8为本发明中超声波的模拟路径图。

图9为本发明中当超声波探头位置与计算出的位置相比较靠前时，超声波束在钢轨内部的波面图。

图10为本发明中当超声波探头位置与计算出的位置相比较靠后时，超声波束在钢轨内部的波面图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1-图4所示，为了统一计算参数，在本发明中，设超声波入射点坐标为a(x0,x0,z0)，一次波交点为b(x1,y1,z1)，二次波交点为c(x2,y2,z2)；主管外径rm，内径rm；支管外径rs，内径rs；有效区间宽度d，探头前缘到有效区间的距离为d，超声波入射角α。

(1)、笛卡尔三维直角坐标系的建立：

t管是由主管和支管两部分构成，主管和支管之间的夹角为90°，为了简化数学计算，在建立坐标系时，将主管中心线(即主管圆心所在直线)作为直角坐标系的x轴，支管中心线(即支管圆心所在直线)作为直角坐标系的y轴。

(2)、一次波交点的求解：

在进行钢轨探伤时，超声波探头位于支管上，同时需要超声波探头贴合在支管上且超声波探头的中轴线和支管方向保持平行。此时可以视超声波在平行界面传播，在平行界面上一次波交点的求解只需要知道平行面的厚度l和超声波入射角α就能够利用勾股定理来进行求解。图1为一次波在平行界面的一次波传播的正视图。其中l为管壁厚度(即rs-rs)，α为超声波入射角。利用勾股定理可以计算出：

△y＝l*tanα；

△z＝l；

进一步可以求解出一次波交点b：

x1＝x0；

y1＝y0-△y；

z1＝z0-△z；

(3)、二次波交点的求解：

当超声波束遇到不同介质时将会发生镜面反射。利用镜面反射原理可以在平行界面内求解出超声波的二次波交点坐标c，图2为一次波、二次波路径的正视图。

可以计算出：

△y＝l*tanα

△z＝0

进一步可以求解出一次波交点c：

x2＝x0；

y2＝y0–2*△y；

z2＝z0-△z；

(4)、入射线和反射线的空间直线方程的求解：

在上述步骤s2、s3步骤中求解出了一次波、二次波直线上的三个点，也就是说，可以利用上述的a，b，c三点写出空间直线方程：

一次波所在直线的参数方程为：

x＝(x2-x1)t+x1；

y＝(y2-y1)t+y1；

z＝(z2-z1)t+z1；

二次波所在直线的参数方程为：

x＝(x3-x2)t+x2；

y＝(y3-y2)t+y2；

z＝(z3-z2)t+z2；

(5)、超声波波束的一次波、二次波波面、有效区间宽度d以及探头前缘到区间d的距离d：

首先假设每一条超声波束是由n条声束组成，每条声束入射点之间的间隔为△l，任何两条相邻声束的入射角相差β，通过步骤2、3、4计算得出超声波束的函数簇。图3(a)为超声波束在钢轨内部一次波二次波的波面图。由图可以看出，我们需要寻找的是图中的区域d，当区域位于d的左侧时，会形成一个钢管上表面的漏检区域；当区域位于d的右侧区域时，会形成一个钢管下表面的漏检区域。区域d是由最小入射角声束线的二次波交点和最大入射角的一次波交点这块区域组成。也就是说区域d的宽度受到入射角度和支管管壁厚度影响，接下来我们来推导求解公式如图3(b)所示，其中l为管壁厚度(即rs-rs)。

区域d宽度计算：

l1＝2*l*tanα1；

l2＝l*tanα2；

l＝(n-1)*△l；

d＝l2-l1-l；

探头前缘到区间d的距离d计算：

l1＝2*l*tanα1；

l＝(n-1)*△l；

d＝l1-l；

(6)、获得支管贴合面外边沿的变化规律：

从主管的侧面看整个t型管，其结构如图4所示。由图4中构建的三角形可知，只要知道主管外径和当前所在位置的z值，就可以求出支管贴合面在y轴方向受到主管管壁影响而产生的偏移量δm：

(7)、按照贴合面最大宽度来设定超声波束的入射角度：

利用步骤s5中的区域d宽度计算公式可以反推出入射角度需要满足的范围：

由式：

d＝l2-l1-l；

l1＝2*l*tanα1；

l2＝l*tanα2；

可以求解出满足条件的入射角。

(8)、超声波探头围绕支管旋转θ角度：

因为支管是建立在y轴上的，所以探头在支管上旋转时，其所在位置的坐标值(xt,yt,zt)可以由旋转的起点坐标(x0,y0,z0)、支管外径rs及旋转角度θ求出：

xt＝x0+rs*sinθ；

yt＝y0；

zt＝rs*cosθ；

(9)、贴合面最大宽度(由支管垂直方向投影宽度)求解：

当钢管管口和平面焊接时，钢管的贴合面将会是一个圆形平面；然而当钢管和钢管相连接时(例如该方法的t型连接)时贴合面将会是一个曲面。对于贴合面是一个平面的情况下只需要让探头放置在支管的某一位置，使得贴合面落入有效区域内，让探头按照圆形轨道围绕支管旋转一周，就能够对贴合面进行覆盖，但是类似于kty接法使得贴合面是个曲面，在不同位置垂直向里看去，都会有不同的投影宽度。所以在这种情况下，进行贴合面覆盖时，需要计算出最大宽度来设置入射角度，使得最大宽度小于等于有效区域的覆盖宽度。

贴合面的最大宽度可以通过求解旋转相同角度时支管外壁与内壁上贴合面对应的坐标点y的差值得出，所需要的参数包括主管外径、支管外径、支管外径上入射点坐标及内径上一次波反射点坐标：

δmax＝max(dy-dy)。

(10)、当主管和支管的内外径参数固定时，步骤s9所求得的贴合面最大宽度为固定值，通过改变超声波探头的入射角度调整超声波有效区间宽度d的宽度，只要有效区间宽度d大于贴合面最大宽度，就能实现全覆盖探伤。

在本发明中，t型管的支管部分模型如图5所示，其中黑色区域即为支管的贴合面。通过导入stl模型，可以看出贴合面的轮廓，运用本发明的上述算法，从支管最顶部(z轴最高点)开始每5°围绕支管外壁进行旋转并计算出外壁和内壁上的点，可以看出完全符合贴合面轮廓，支管的贴合面轮廓如图6所示。通过输入主管内、外径和支管内、外径参数以及超声波阵列的角度变化参数，可计算出贴合面最大宽度dis、有效区间宽度d以及探头前缘到区间d的距离d，结果如图7所示，贴合面最大宽度dis为11.8472，而有效区间宽度d为15.1470，可见，有效区间宽度d对于贴合面最大宽度，从而，该探伤能够全覆盖贴合面。根据计算出来的数据参数，可以画出超声波的模拟路径，如图8所示，从图8中可以看出，验证了有效区间d完全覆盖整个贴合面。

当超声波探头位置与计算出的位置相比较靠前时，结果如图9所示；当超声波探头位置与计算出的位置相比较靠后时，结果如图10所示，由上可知，无论是探头位置与计算出的位置相比较靠前还是靠后，图9或图10中所标出的s区域都是超声波阵列覆盖不到的，即会存在漏检现象。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。