一种基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测方法

摘要

一种基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测方法，包括置于小径管外且与其同轴的螺线管偏置磁场发生单元，在小径管内同轴布置的电磁超声激励线圈单元和沿管周向均匀布置的阵列检测线圈单元构成的电磁超声探头；首先，利用通电螺线管产生沿小径管轴向的强偏置磁场；依据聚焦法则设置电磁超声激励线圈单元内各激励线圈的激发时间，用电磁超声装置顺序激励各线圈产生超声波；同时利用在聚焦焦点所在管截面上周向设置的阵列检测线圈单元检出超声波引起的电压信号；辅助以轴向机械扫查，实现小径管的全面快速检测；本发明方法具有检出率高、检测速度快、效率高等优点，可广泛运用于外面形状复杂的小径管内部和多层管HIP焊接界面脱粘缺陷的无损检测。

说明书

技术领域

本发明涉及基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测技术领域，具 体涉及一种基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测方法。

背景技术

随着国际热核聚变实验堆(ITER)计划的推进，托卡马克聚变装置的安全 与完整性评估越来越受到人们的关注。偏滤器作为托卡马克装置的重要组成部 分，起着移除杂质和除热的作用，保证了装置的正常运行。偏滤器大量采用具 有HIP焊接界面的钨块-铜管换热部件，其换热管内径较小(通常10毫米左右)。 为实现方形钨块和换热铜管的有效焊接，其间还采用了中间管状过渡层，使得 上述换热部件成为具有复杂外表面的小径多层管结构。如果界面焊接不良或脱 粘，在不能完成正常热交换的同时，还可能会因为局部热量无法移除而产生异 常热应力，从而可能损坏偏滤器甚至装置。因此，实现对小径多层管HIP焊接 界面脱粘的检测和评估非常重要。

目前针对多层管HIP焊接界面的脱粘检测，主要有涡流检测法、超声波检 测法、红外热成像法等，但都存在一定不足。而电磁超声无损检测由于其非接 触、不需要耦合剂、检测速度快、产生波形多样、适合高温检测等特点，已经 成为无损评估和检测领域的一种重要方法，但尚未实现对上述偏滤器换热部件 脱粘缺陷的检测。

对于多层管HIP焊接界面的电磁超声检测，面临以下难点：第一，由于是 小内径、外方内圆的多层管结构，所以检测线圈只能选择内置；第二，多层管 内径较小，小型内置永磁体无法提供较强的偏置恒定磁场且在换热管有一定曲 率时无法插入，所以需要其他方法从外部施加强偏置磁场；第三，常规电磁超 声往往只有单个线圈激励，检测管状对象时所得缺陷信号相对较弱难以识别； 第四，常规电磁超声在完成管周向检测时往往是逐点进行，检测效率较低。

鉴于此，本发明提出了基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测方 法，依据聚焦法则，利用通电螺线管、电磁超声激励线圈单元、阵列检测线圈 单元，可实现多层管HIP焊接界面的快速有效检测。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于相控 阵聚焦原理的小径管电磁超声无损检测方法，本发明方法具有检出率高、检测 速度快、效率高等优点，可广泛运用于外面形状复杂的小径管内部和多层管HIP 焊接界面脱粘缺陷的无损检测。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测方法，包括如下步骤：

步骤1：按照内径为D的待检测小径管2长度方向的曲率加工螺线管偏置 磁场发生单元1，然后将待检测小径管2同轴内置于螺线管偏置磁场发生单元1 中；

步骤2：将电磁超声激励线圈单元3和阵列检测线圈单元4固定于线圈骨 架5上构成完整的电磁超声探头，所述电磁超声激励线圈单元3激励线圈的数 目n₀为奇数，线圈宽度为d，厚度为t，线圈间中心距为h；所述阵列检测线圈 单元4的检出线圈面与待检测小径管2的截面平行，其检测线圈数目为n₁，周 向尺寸为l₁，径向尺寸为t₁；其中阵列检测线圈单元4的中心面与电磁超声激 励线圈单元3中央的编号为0的激励线圈同平面，且阵列检测线圈单元4的检 出线圈数目n₁＝INT(π(D-2t-2g₁-2g₂)/l₁)，其中：INT表示取整，g₁表示电磁超声 激励线圈单元3与待检测小径管2内表面的径向间距，g₂表示阵列检测线圈单 元4与电磁超声激励线圈单元3内面的径向间距；然后将电磁超声探头同轴插 入待检测小径管2中；

步骤3：在螺线管偏置磁场发生单元1中通入50-100kAT的励磁电流，从 而于螺线管偏置磁场发生单元1内部空间形成大小均匀、方向沿待检测小径管2 轴向、垂直于管各截面的强偏置磁场；

步骤4：依据聚焦法则，设置一个检测周期T₀内电磁超声激励线圈单元3 内各激励线圈的激发时间，利用常规电磁超声装置按照激发时间顺序向电磁超 声激励线圈单元3的各激励线圈通入脉冲激励电压以激发超声波，由于激励时 间延迟和距焦点距离的不同，各激励线圈激发的超声波同一时间抵达聚焦焦点， 于焦点区域发生超声波叠加，从而增大到达拟检测区域超声波强度和拟检测区 域的回波强度，同时利用位于聚焦点所在截平面的阵列检测线圈单元4测量超 声波回波信号，从而在一个检测周期T₀实现待检测小径管2全周同步检测；

步骤5：由步骤4所述电磁超声激励线圈单元3在完成一个检测周期T₀内 从外侧到中央线圈顺序激发各激励线圈的时刻为t_i，i＝0,1,2,…,(n₀-1)/2，记中央 线圈编号为0，其余线圈编号以中央线圈为对称中心往外依次递增，且两侧延迟 时间对称相等，各激励线圈激发延迟时间Δt满足条件 $\mathrm{\Delta t}=t_i-t_{i+1}=(\sqrt{{\left((i+1)h\right)}^2+h_0^2}-\sqrt{{\left(\mathrm{ih}\right)}^2+h_0^2})/c,$其中：i＝0～(n₀-1)/2，h₀为聚焦深度，h 为激励线圈中心面间距，c为超声波波速，设置阵列检测线圈单元4在电磁超声 激励线圈单元3内编号为0的中央线圈完成激励后开始输出检测电压信号；按 照上述条件设置电磁超声激励线圈单元3内各线圈的延迟发射时间和阵列检测 线圈单元4的信号输出时间，即可在一个检测周期T₀内完成待检测小径管2全 周的快速检测；

步骤6：周向实现步骤5所述快速扫查的基础上，通过轴向定速插入电磁超 声探头进行机械扫查实现待检测小径管2的全面扫查；兼顾检测精度和扫查效 率，轴向的扫查速度选取范围为0.01m/s～0.10m/s；

步骤7：完成上述检测过程后，截取一定时间闸门的检测信号，分别以A 扫、B扫、C扫以及D扫图进行成像显示，通过图像异常判断缺陷的存在和位 置。

所述电磁超声激励线圈单元3由等大小圆环线圈轴向同轴排列构成。

所述阵列检测线圈单元4由等大小扁平矩形线圈周向等间距排列构成。

所述线圈骨架5为非导电、非导磁塑料或橡胶制品。

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明将常规超声相控阵聚焦原理应用到了小径管电磁超声无损检测， 通过基于聚焦法则设置电磁超声激励线圈单元各线圈的延迟激发时间，使各线 圈激发的超声波于检测区域叠加增强，解决了电磁超声检测信号较弱、缺陷识 别率不高的难点；同时，通过使用通电螺线管提供沿小径管轴向的强偏置磁场， 解决了小径管无法通过内置永磁体产生强偏置磁场的难点。

2)本发明采用了与小径管同轴的圆环激励线圈组，可在同一时刻完成对小 径管全周的超声激励，结合使用周向阵列检测线圈单元进行回波测量，可实现 小径管全周快速超声检测，极大地提高检测效率。

附图说明

图1为本发明方法基于电磁超声相控阵聚焦原理的电磁超声换能器部分示 意图。

图2为本发明中用到的电磁超声探头示意图。

图3为本发明中用到的超声波聚焦原理示意图。

具体实施方式

本发明方法的快速检测原理为：包括置于小径管外且与其同轴的产生强偏 置磁场的螺线管电磁体单元，于小径管内同轴布置、产生超声体波的具有一组 同轴线圈的电磁超声激励单元和沿管周向均匀布置、检出超声信号的阵列检测 线圈单元构成的电磁超声探头；首先，利用通电螺线管产生沿小径管轴向、垂 直于管截面的强偏置磁场；然后依据聚焦法则设置电磁超声激励线圈单元各激 励线圈的激发时间，用电磁超声装置顺序激励各线圈产生超声波，从而实现在 待检测区域内超声波波束的聚焦；同时利用在聚焦焦点所在管截面上的周向设 置的阵列检测线圈单元检出超声波引起的电压信号；辅助以轴向的机械扫查， 实现小径管的全面快速检测。

下面结合图1、图2、图3和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测方法，包括 如下步骤：

步骤1：按照待检测小径管2(内径为D＝12mm，厚2.5mm的铜管)长度方 向的曲率加工螺线管偏置磁场发生单元1，然后将待检测小径管2同轴内置于螺 线管偏置磁场发生单元1中；

步骤2：将电磁超声激励线圈单元3(与待检测小径管2同轴的圆环状激 励线圈的数目n₀＝9，线圈宽度为d＝2mm，厚度为t＝1mm，线圈间中心距为 h＝2mm)和阵列检测线圈单元4(检出线圈面与待检测小径管2截面平行，其数 目为n₁，周向尺寸为l₁＝2mm，径向尺寸为t₁＝2mm)固定于线圈骨架5上构成 完整的电磁超声探头，其中阵列检测线圈单元4中心面与电磁超声激励线圈单 元3中央的编号为0的激励线圈同平面，且检出线圈数目 n₁＝INT(π(D-2t-2g₁-2g₂)/l₁)＝15(g₁＝0.1mm表示电磁超声激励线圈单元3与待检 测小径管2内表面的径向间距，g₂＝0.1mm表示阵列检测线圈单元4与电磁超声 激励线圈单元3内面的径向间距)，然后将电磁超声探头同轴插入待检测小径 管2中；

步骤3：在螺线管1中通入总起磁力为50kAT的励磁电流，从而于螺线管 偏置磁场发生单元1内部空间形成大小均匀、方向沿待检测小径管2轴向、垂 直于管各截面的强偏置磁场；

步骤4：依据聚焦法则，设置一个检测周期T₀＝0.01s内电磁超声激励线圈单 元3内各激励线圈的激发时间，利用常规电磁超声装置按照激发时间顺序向电 磁超声激励线圈单元3的各激励线圈通入脉冲激励电压以激发超声波，由于激 励时间延迟和距焦点的距离不同，各激励线圈激发的超声波同一时间抵达聚焦 焦点，于焦点区域发生超声波叠加，从而增大到达拟检测区域超声波强度和拟 检测区域的回波强度，同时利用位于聚焦点所在截平面的阵列检测线圈单元4 测量超声波回波信号，从而在一个检测周期T₀实现待检测小径管2全周同步检 测；

步骤5：由步骤4所述电磁超声激励线圈单元3在完成一个检测周期T₀内 从外侧到中央线圈顺序激发各激励线圈的时刻为t_i(i＝0，1，2，3，4)记中央 线圈编号为0，其余线圈编号以中央线圈为对称中心往外依次递增，分别为1、 2、3、4号，且两侧延迟时间对称相等)，各激励线圈激发延迟时间Δt满足条件 $\mathrm{\Delta t}=t_i-t_{i+1}=(\sqrt{{\left((i+1)h\right)}^2+h_0^2}-\sqrt{{\left(\mathrm{ih}\right)}^2+h_0^2})/c,$i＝0～4，h₀＝2.0mm为聚焦深度，h＝2mm 为激励线圈中心面间距，c为超声波波速，设置阵列检测线圈单元4在电磁超声 激励线圈单元3内编号为0的中央线圈完成激励后开始输出检测电压信号；按 照上述条件设置电磁超声激励线圈单元3内各线圈的延迟发射时间和阵列检测 线圈单元4的信号输出时间，即可在一个检测周期T₀内完成待检测小径管2全 周的快速检测；

步骤6：周向实现步骤5所述快速扫查的基础上，通过轴向定速插入电磁超 声探头进行机械扫查实现待检测小径管2的全面扫查；兼顾检测精度和扫查效 率，轴向的扫查速度选取范围为0.05m/s；

步骤7：完成上述检测过程后，截取一定时间闸门的检测信号，分别以A 扫、B扫、C扫以及D扫图进行成像显示，通过图像异常判断缺陷的存在和位 置。

作为本发明的优选实施方式，所述电磁超声激励线圈单元3由等大小圆环 线圈轴向同轴排列构成。

作为本发明的优选实施方式，所述阵列检测线圈单元4由等大小扁平矩形 线圈周向等间隔排列构成。

作为本发明的优选实施方式，所述线圈骨架5为非导电、非导磁塑料或橡 胶制品。