异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，包括集成楔块、相控阵探头晶片、探头外壳；所述相控阵探头晶片粘接在集成楔块上，所述探头外壳用于安装集成楔块、相控阵探头晶片及探头背材、探头电缆线的焊接；所述探头外壳底面接触长度不大于不规则焊缝的斜台直段长度，并在探头外壳与底面有个与不规则焊缝的斜台相配合的切角。装置总体小巧、探头与工件耦合面小，操作灵活，使用寿命长。能够在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝紧邻较小直段上放置并能够与超声相控阵仪器配合，在满足焊缝扫查覆盖区域及保证焊缝检测有效性基础上，实现电站锅炉压力管道带斜台不规则焊缝超声成像相控阵检测。
【专利说明】
异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，尤其涉及一种 电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的相控阵成像检测用换能装置，属于无损检 测技术领域。
【背景技术】
[0002] 火力发电机组中以主蒸汽管道、再热蒸汽管道和主给水管道等为代表的电站锅炉 压力管道一直是火电机组的重要金属部件，更是电站金属监督中的重点，这些压力管道一 般均具有压力大、温度高等特点，且一般均布置在机组外部，若该类压力管道存在裂纹等危 害性缺陷而不能及时发现将导致管道损坏或引发爆裂事故，不但会造成重要设备损坏、机 组停运等严重的经济损失，还极有可能导致机组现场维护人员伤亡，引发极其严重的安全 事故。焊缝作为上述压力管道的薄弱环节，是金属监督检验的重中之重，在生产制造及安装 过程中焊接的焊缝往往容易产生一些气孔、夹渣、未熔合、裂纹等内部焊接缺陷，这些缺陷 在高温高压工况运行时及内外部应力作用下往往会扩展为裂纹，进而引发管道开裂失效造 成管道爆裂事故。
[0003] 目前，因为电站锅炉压力管道焊缝检验对机组运行安全性的重要影响，国内相关 标准如《锅炉安全技术监察规程》、《锅炉定期检验规则》、DL438-2009《火力发电厂金属技术 监督规程》、DL647-2004《电站锅炉压力容器检验规程》等均提出了对其内部缺陷的检验要 求，而焊缝内部缺陷的检测方法主要有射线检测和超声波检测两种，考虑当前电站锅炉压 力管道壁厚均较厚以及现场检测实施条件和环境等影响因素，超声波检测更适用于上述焊 缝的检测实施，亦是目前上述焊缝内部缺陷检测的主要检测方法。当前，上述焊缝内部缺陷 的超声波检测主要是依据NB/T47013、DL/T820等超声波检测标准采用常规脉冲反射法在焊 缝两侧利用横波斜探头进行锯齿形扫查，然而，因制造和现场安装原因，超(超)临界机组电 站锅炉压力管道中三通、弯头、大小头等管件和直管连接及其相互连接的异形结构对接焊 缝外部存在带斜台不规则结构，致使上述焊缝两侧直段区域极小(一般在20mm-40mm范围）， 无法满足上述现行检测标准对锯齿形扫查区域的要求，按上述现行检测标准要求使用常规 超声脉冲反射法直射波对其检测时会因扫查区域不足产生无法检测到焊缝区域或所检焊 缝截面区域检测覆盖范围极小无法满足检测要求的情况。而上述带斜台不规则结构焊缝因 结构原因往往会较普通对接焊缝存在更大的应力集中，原有内部缺陷更易扩展为裂纹或产 生裂纹缺陷，因此如果因为检验手段的缺失、检验方法的不完备导致上述电站锅炉压力管 道中带斜台不规则结构焊缝因其结构问题无法实现内部缺陷的超声波检测进而造成压力 管道因内部缺陷未检出而造成失效爆裂，这将严重降低该类焊缝的安全系数，大大增加压 力管道的安全隐患，对整个机组的安全运行有着极其严重的影响。
[0004] 据了解，国内外对不同特定异形结构件或异形结构件焊缝的超声波检测方法均有 研究应用，早期研究成果主要是针对特定异形结构件研制特殊的探头以及配套的检测工艺 进行，主要还是采用常规脉冲反射波法进行，但是由于其特制探头和工艺的局限性，仅可用 于特定异形构件及焊缝的检测，无法推广应用于电站锅炉压力管道上异形结构焊缝检测 上，这类成果主要有钢结构上异形界面钢的检测、海洋结构件管节点异形结构焊缝的检测 等;近几年随着压电复合材料、电子集成技术和计算机数字化技术的快速发展，利用数字化 和电子集成技术和常规无损检测技术结合而发展起来的现代化新型数字集成无损检测技 术日益涌现出来，利用相控阵技术结合特制工装器具来实现异形结构件及焊缝的自动化检 测也在国内外大力发展起来，如在铁道轮轨的自动化超声检测、汽轮机叶片叶根的自动化 检测等都是该类技术研究成果的实际应用，但因上述电站锅炉压力管道异形结构带斜台不 规则焊缝是近几年超(超)临界机组发展起来后才大量出现的，并且因三通、弯头、大小头等 不同管件尺寸不尽相同，再加上现场加工安装尺寸差别的影响导致各类异形结构焊缝的结 构型式和尺寸各不相同，难以对上述异形结构带斜台不规则焊缝按同一结构尺寸进行工艺 设计，国内外至今还未见对上述焊缝超声相控阵检测方法的研究。针对上述情况，如果与普 通对接焊缝相同采用相控阵仪器配合常规可拆卸式相控阵换能器和楔块对上述带斜台不 规则焊缝进行检测，因常规可拆卸式相控阵换能器和楔块组合后尺寸较大同样存在不能放 置在上述带斜台不规则焊缝紧邻较小直段上检测的问题，而如放置在斜台上进行检测根据 声速模拟结果亦会产生所检焊缝截面区域检测覆盖范围较小无法满足检测要求的情况，同 时因为斜台影响还会产生一些变型波束对检测结果造成干扰进而影响检测结果评定，并且 较大尺寸的相控阵组合探头在检测过程中会对耦合效果造成不利影响，导致检测时耦合效 果较差，难以保证检测结果的准确性。
[0005] 综上所述，研究设计开发出能够放置在电站锅炉压力管道带斜台不规则焊缝紧邻 较小直段上进行检测的相控阵换能器及配套楔块，进而配合相控阵仪器使用充分发挥相控 阵多角度扫查优势，对保证上述焊缝内部缺陷超声相控阵检测的有效性和准确性上具有重 大意义。 【实用新型内容】
[0006] 实用新型目的:针对上述电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝检测中的 不足，本实用新型提供一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，提供一种能够在 电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝紧邻较小直段上放置并能够与超声相控阵 仪器配合，在满足焊缝扫查覆盖区域及保证焊缝检测有效性基础上，实现电站锅炉压力管 道带斜台不规则焊缝超声成像相控阵检测的换能装置。
[0007] 技术方案:为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
[0008] -种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于:包括集成楔块、相 控阵探头晶片、探头外壳;所述相控阵探头晶片粘接在集成楔块上，所述探头外壳用于安装 集成楔块、相控阵探头晶片及探头背材、探头电缆线的焊接;所述探头外壳底面接触长度不 大于不规则焊缝的斜台直段长度，并在探头外壳与底面有个与不规则焊缝的斜台相配合的 切角。
[0009] 作为优选方案，所述集成楔块为一个30-45°的楔块，钢中折射角为横波45-75°，材 料为聚苯乙烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为30-85°。
[0010] 最优选，所述集成楔块为一个39°的楔块，钢中折射角为横波60°，材料为聚苯乙 烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为45-75°。
[0011]作为优选方案，所述相控阵探头晶片，材质为1-3型压电复合材料，阵元数为12-16 个，阵元间距是0.4-0.8mm，阵元长度为10mm，中心频率为2.5-7.5Mhz。
[0012]最优选，所述相控阵探头晶片阵元数为12个，阵元间距是0.6mm，中心频率为5Mhz。
[0013] 作为优选方案，所述探头外壳的材质为不锈钢或铝合金。
[0014] 所述探头外壳开口端采用胶水灌封以保证探头的防水性。
[0015] 有益效果:本实用新型提供的一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置， 能够在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝紧邻较小直段上放置并能够与超声 相控阵仪器配合，在满足焊缝扫查覆盖区域及保证焊缝检测有效性基础上，实现电站锅炉 压力管道带斜台不规则焊缝超声成像相控阵检测。装置总体小巧、探头与工件耦合面小，操 作灵活，使用寿命长。
【附图说明】
[0016] 图1为电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的截面图；
[0017] 图2为本实用新型异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置的示意图；
[0018] 图3为本实用新型检测声波路径图；
[0019] 图4为压电复合材料相控阵探头晶片参数图；
[0020] 图5为阵元数对波束指向性的影响变化图；
[0021 ]图6为旁瓣级随阵元数的变化曲线图；
[0022] 图7为主瓣角宽度随阵元数的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。
[0024] 图1所示，是电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的截面图，焊缝两侧外 部存在斜台阶结构，且斜台的直段空间比较小，给检测带来比较大的难度。常规的可拆卸相 控阵探头、楔块装配后结构空间比较大、接触面积也比较大，无法放置在斜台上进行检测。
[0025] 如图2所示，为本实用新型一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，包括 集成楔块1、相控阵探头晶片2、探头外壳3;所述相控阵探头晶片粘接在集成楔块上，所述探 头外壳用于安装集成楔块、相控阵探头晶片及探头背材、探头电缆线的焊接;所述探头外壳 底面接触长度不大于不规则焊缝的斜台直段长度，并在探头外壳与底面有个与不规则焊缝 的斜台相配合的切角。
[0026]如图3所示;所述集成楔块为一个30-45°的楔块，钢中折射角为横波45-75°，材料 为聚苯乙烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为30-85°。
[0027]本实施例中，所述集成楔块为一个39°的楔块，钢中折射角为横波60°，材料为聚苯 乙烯，声速2337m/s，集成楔块有效检测角度为45-75°。
[0028]所述相控阵探头晶片，材质为1-3型压电复合材料，阵元数为12-16个，阵元间距是 0.4-0.8mm，阵元长度为10mm，中心频率为2.5-7.5Mhz。
[0029] 所述探头外壳的材质为不锈钢或铝合金。本实施例中，探头外壳采用316不锈钢， 316不锈钢能保证探头的耐磨性能，以保证探头的使用寿命。
[0030] 所述探头外壳开口端用胶水灌封以保证探头的防水性。
[0031]本实用新型具有设计小巧，探头与工件耦合面小，操作灵活。
[0032]如图4所示，相控阵探头涉及的主要参数为:阵元数n，阵元间距p，阵元长度E，有效 孔径A，中心波长A。
[0033] 波束指向性是探头的重要技术指标，其优劣决定了超声波的传播方向和能量集中 程度，对检测能力有重要的影响。通过线列参数对相控阵探头波束指向性影响的分析，得到 参数与指向性之间的关系，为超声相控线阵探头的设计优化提供了依据，从而提高相控阵 检测系统的性能。
[0034] 图5为阵元数对波束指向性的影响.随着阵元数n变化，指向性的变化图。由图5可以看 出，随着n的增大，主瓣角宽度变窄，旁瓣降低。旁瓣级的声强(db)为:M=-201 g (n*s i n备） CD
[0035] 由公式（1)可知旁瓣级的大小只与n有关。图6为旁瓣级随n的变化曲线，当n从0增 大时，旁瓣级急剧减小；当n>16并继续增大时，旁瓣级趋于-13.5db的极限值。可见，n对旁瓣 级的抑制作用非常明显，当设计超声相控阵探头对旁瓣级有严格要求时，应首先考虑增加 阵元数n。
[0036] 主瓣与横坐标相交两点之间的距离0ffi^以定义为主瓣角宽度。它是衡量主瓣锐利 程度的指标，主瓣角宽度
[0038] p/A取0.5,偏转角取0s = 3〇°，将主瓣角宽度0m作为n的函数，即阵元数n对主瓣角宽 度的影响曲线。如图7所示，随着n的增大，主瓣角宽度减小的趋势十分明显。
[0039] 综上可知，增加阵元数n不但可以减小主瓣角宽度，还可以降低旁瓣，所以，应尽可 能地增加阵元数。在P和E不变的情况下，增加阵元数也就相当于增加了探头的孔径A。但是 增加阵元数，相应的信号通道增加，提高了设备的复杂性和降低了实时性，且当阵元数n>32 时，阵元数的增加对主瓣角宽度和旁瓣级都影响不大。由于本实用新型相控阵探头为接触 面积小、小巧，综合可知，阵元数优选12-16，12-16阵元也可以保整有良好的波束指向性。
[0040] 阵元间距对指向性的影响，阵元间距是相控阵探头参数设计的重点之一，它对相 控阵探头指向性能的影响较大。由于探头的频率固定时，声波在特定的介质中传播的波长入 是一定的，所以把P/M乍为一个整体变量在研究阵元间距对指向性的影响时很方便。当阵元 间距很小时，主瓣很宽；随着间距的增大，主瓣越来越锐利，但当其超过某个临界值时，指向 性图上就会出现栅瓣，这在实际设计中是不允许的;若间距继续增大，虽然主瓣会变得更加 锋利，但是栅瓣也越来越多。旁瓣级随着阵元间距的变大变化不大，这说明阵元间距对旁瓣 影响不大。同时考虑到晶片加工的难度，本实用新型相控阵探头晶片阵元间距P取值〇.4mm-0.8mm〇
[0041] 阵元长度对指向性的影响，阵元宽度对栅瓣位置没有影响，且对主瓣角宽度和旁 瓣影响不大。旁瓣有所降低，但最大旁瓣高度基本不变。随着阵元长度变大，主瓣高度降低， 又因为最大旁瓣高度不变，相当于旁瓣级升高。所以，在满足其它要求的情况下，应尽量选 择宽度小的阵元。本实用新型相控阵探头晶片阵元长度E取值10mm。
[0042] 为了本次设计的相控阵有较好的波束指向性，同时结合工件外形，为了探头能做 更小巧，本实施例中，相控阵探头晶片规格为:阵元数为12个、阵元间距是0.6mm，阵元长度 为10mm，中心频率为5Mhz。
[0043] 根据相控阵探头设计要求，阵元长度E，阵元间距p，必须满足E/p>10,所以本实用 新型晶片参数满足相控阵探头设计要求。
[0044] 本实施例中，异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，为一个60度横波集成 楔块，一个5MHz的压电复合材料相控阵探头晶片，探头阵元数为12个，阵元间距是0.6mm，阵 元长度为1〇_，探头晶片采用1-3型压电复合材料。探头的主角度为60度，声束的偏转范围 为45-75度;异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置的设计是根据电站锅炉压力管道 异形结构不规则斜阶的形状及不规则斜阶焊缝的位置关系专门设计的，使探头的长度不大 于规则斜阶的形状的长度，探头底面的接触面长度为17mm，探头外壳与底面的切角为45度 (如图2所示），以保证探头的外形与不规则斜台阶的形状不干涉。能够使探头更接近焊缝， 使探头可以利用一次波进行检测。
[0045]电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的相控阵成像检测用换能装置的 检测方法，采用本实用新型的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，包括以下步骤：
[0046] 步骤（1)选用具有成像功能的相控阵便携式检测仪器，相控阵便携式检测仪器的 工作频率范围为1-lOMhz，水平误差不大于2%，垂直误差不大于8%;将换能装置与相控阵 便携式检测仪器连接，在相控阵便携式检测仪器中输入换能装置规格型号与楔块的参数， 调整仪器的聚焦法则和灵敏度、显示范围及闸门，使检测效果达到最佳;聚焦法则选用扇形 扫查，角度为60度，声束的偏转范围为45~75度，调整好检测范围；
[0047] 步骤(2)在电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的斜台直段上涂上耦合 剂；
[0048] 步骤(3)如图3所示，将异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置放置在电站锅 炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝的斜台直段上，调整好换能装置与斜台的位置，尽 量将换能装置的前沿靠近焊缝，能够使换能装置更接近焊缝，使异形结构件焊缝相控阵成 像检测用换能装置可以利用一次波进行检测，灵敏度会更高；调整好换能装置与斜台的距 离，保证探头声波可以打到缺陷上并缺陷的回波比较强;声波通过集成楔块进入焊缝进行 检测，遇到缺陷声波会有反射的回波，利用换能装置将采集到的反射回波信号转换成电信 号，送入到相控阵便携式检测仪器保存并做成像处理，最终生成可以判读缺陷讯息的图像， 并生成缺陷讯息报告；
[0049] 步骤(4)对受检电站锅炉压力管道异形结构带斜台不规则焊缝进行质量评定并做 好评定记录。
[0050] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和 润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于:包括集成楔块、相控 阵探头晶片、探头外壳;所述相控阵探头晶片粘接在集成楔块上，所述探头外壳用于安装集 成楔块、相控阵探头晶片及探头背材、探头电缆线的焊接;所述探头外壳底面接触长度不大 于不规则焊缝的斜台直段长度，并在探头外壳与底面有个与不规则焊缝的斜台相配合的切 角。2. 根据权利要求1所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于:所 述集成楔块为一个30-45°的楔块，钢中折射角为横波45-75°，材料为聚苯乙烯，声速 2337m/s，集成楔块有效检测角度为30-85°。3. 根据权利要求2所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于:所 述集成楔块为一个39°的楔块，钢中折射角为横波60°，材料为聚苯乙烯，声速2337m/s，集成 楔块有效检测角度为45 -75°。4. 根据权利要求1所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于:所 述相控阵探头晶片，材质为1-3型压电复合材料，阵元数为12-16个，阵元间距是0.4-0.8mm， 阵元长度为IOmm，中心频率为2.5-7.5Mhz。5. 根据权利要求4所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于:所 述相控阵探头晶片阵元数为12个，阵元间距是0.6mm，中心频率为5Mhz。6. 根据权利要求1所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于:所 述探头外壳的材质为不锈钢或铝合金。7. 根据权利要求1所述的异形结构件焊缝相控阵成像检测用换能装置，其特征在于:所 述探头外壳开口端采用胶水灌封以保证探头的防水性。
【文档编号】G01N29/06GK205593972SQ201620373346
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】马君鹏, 刘叙笔, 杨贤彪, 李夕强
【申请人】江苏方天电力技术有限公司, 广州多浦乐电子科技有限公司, 国网江苏省电力公司, 国家电网公司