小口径管轧制缺陷超声波探头及配套使用的试块

摘要

本发明公开了一种小口径管轧制缺陷超声波探头，其特征是设置探头壳体，探头壳体的内腔由隔声层分隔为左右对称的入射腔和出射腔，在控头壳体中设置晶片，晶片分别是位于入射腔中的入射晶片，以及位于出射腔中的出射晶片，入射晶片和出射晶片具有相同的结构和性能参数，并且是以隔声层为中心对称设置，以入射晶片和出射晶片构成一收一发的双晶片探头，超声波检测信号通过双晶片探头在被测管管壁中产生直通波回波信号，对于超声波检测信号与直通波回波信号进行比较实现小口径管轧制缺陷的检测。本发明以实现锅炉受热面上管排的快速扫查，并保证检测结果的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，特别涉及一种应用在锅炉受热面上的小口径管轧制缺陷 超声波探头及配套使用的试块。

背景技术

锅炉受热面管轧制缺陷通常有表面划道、裂纹、折迭、翘皮、横裂及分层等，其危害最 大的主要有裂纹、分层、折迭，它直接影响管子的加工工艺性能，并威胁管子的安全使用性 能。

由于锅炉管子的壁厚T与直径D的比值T/D通常小于0.20，加之管壁较薄，难以采用直 探头或斜探头以直接接触法进行超声波检测；目前普遍采用探测方法是单晶直探头水侵法或 双晶直探头水侵法，但这类方法探测工艺复杂、灵敏度低，且无法对在役运行的管排进行检 测。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种方便快捷的小口径管轧制缺 陷超声波探头及配套使用的试块，以实现锅炉受热面上管排的快速扫查，并保证检测结果的 准确性。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明小口径管轧制缺陷超声波探头的结构特点是：设置探头壳体，所述探头壳体的内 腔由隔声层分隔为左右对称的入射腔和出射腔，在所述控头壳体中设置晶片，所述晶片分别 是位于入射腔中的入射晶片，以及位于出射腔中的出射晶片，所述入射晶片和出射晶片具有 相同的结构和性能参数，并且是以所述隔声层为中心对称设置，以所述入射晶片和出射晶片 构成一收一发的双晶片探头，超声波检测信号通过所述双晶片探头在被测管管壁中产生直通 波回波信号，对于所述超声波检测信号与直通波回波信号进行比较实现小口径管轧制缺陷的 检测。

本发明小口径管轧制缺陷超声波探头的结构特点也在于：利用所述双晶片探头在被测管 外侧管壁进行移动，实现对被测管的全管长的缺陷检测。

本发明小口径管轧制缺陷超声波探头的结构特点也在于：所述晶片采用钛酸铅陶瓷晶片， 所述直通波回波信号在被测管中反射次数为16次、14次、12次或10次。

配合本发明小口径管轧制缺陷超声波探头实现检测的灵敏度调整试块的结构特点是：所 述灵敏度调整试块是以#20碳钢为材质的管件，在所述管件的内侧壁和外侧壁上分别加工有 轴向槽，所述轴向槽的横断面呈V型的V槽，不同试块中轴向槽的槽长为相同、槽深在设定 的范围内按0.5mm递增。

配合本发明小口径管轧制缺陷超声波探头实现检测的结构调整试块的结构特点是：所述 结构调整试块是以#20碳钢为材质的板件，板件的一端是曲率半径为r的圆弧边，圆弧边的 圆弧长度为πr，r为被测管的外圆半径；板件的另一端是曲率半径为R的渐开线边，并有R>r， 在所述板件中设置有贯通板件厚度的直径为1mm的通孔。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：本发明属于超声波检测原理，利用一收一发 双晶片探头直通波原理，将探头直接接触在锅炉受热面管上进行扫查并实现在线检测，根据 直通波的衰减情况判断缺陷，能实现管排的快速扫查，检测结果准确可靠。

附图说明

图1a、图1b和图1c为本发明检测原理图；

图2为本发明中探头入射角计算原理图；

图3a和图3b分别为本发明中灵敏度调整试块的纵剖和断面示意图；

图4a和图4b分别为本发明中结构调整试块的主视和侧视示意图；

图5为本发明探头结构示意图；

图中标号：1晶片，2被测管，3灵敏度调整试块，4结构调整试块，5内壁槽，6外壁槽， 7为V槽，8通孔，9探头壳体，10隔声层，11冲水管。

具体实施方式

参见图5，本实施例中小口径管轧制缺陷超声波探头的结构形式是：设置探头壳体9，探 头壳体9的内腔由隔声层10分隔为左右对称的入射腔和出射腔，在控头壳体中设置晶片1， 晶片1分别是位于入射腔中的入射晶片，以及位于出射腔中的出射晶片，入射晶片和出射晶 片具有相同的结构和性能参数，并且是以隔声层10为中心对称设置，以所述入射晶片和出射 晶片构成一收一发的双晶片探头，超声波检测信号通过双晶片探头在被测管2的管壁中产生 直通波回波信号，对于超声波检测信号与直通波回波信号进行比较实现小口径管轧制缺陷的 检测，利用双晶片探头在被测管2的外侧管壁上进行移动，实现对被测管2的全管长的缺陷 检测。

晶片1采用钛酸铅陶瓷晶片，直通波回波信号在被测管2中反射次数可以设置为16次、 14次、12次或10次。

参见图3a和图3b，本实施例中配合小口径管轧制缺陷超声波探头实现检测的灵敏度调 整试块3是以#20碳钢为材质的管件，在管件的内侧壁和外侧壁上分别加工有轴向槽，如图 3a中所示的内壁槽5和外壁槽6，如图3b所示，轴向槽是横断面呈V型的V槽7，不同试块 中轴向槽的槽长为相同、槽深在设定的范围内按0.5mm递增；灵敏度调整试块3用于测定探 测灵敏度。

参见图4a和图4b，本实施例中配合小口径管轧制缺陷超声波探头实现检测的结构调整 试块4是以#20碳钢为材质的板件，板件的一端是曲率半径为r的圆弧边，圆弧边的圆弧长 度为πr，r为被测管的外圆半径；板件的另一端是曲率半径为R的渐开线边，并有R>r，在 板件中设置有贯通板件厚度的直径为1mm的通孔8；结构调整试块用于测定加工成内凹弧面 的探头的入射点、折射角及扫描速度。

图1a、图1b及图1c示出了本发明检测原理，图1a中所示被测管2没有缺陷，其超声波 检测信号为无缺陷反射，图1b所示为被测管2因存在有轧制缺陷，固而有反射回波消失，图 1c为被测管存在有轧制缺陷，回波衰减。

检测过程中，利用冲水管11向探头壳体9中进行充水，在被测管2的被测表面形成水膜， 使得探头与被测管之间有良好的耦合。图2示出了入射角α和折射角β的位置关系，超声波 检测信号的频率选择为2.5～5MHz，设置适宜的入射角α和折射角β范围，使直通波回波信 号在被测管中反射次数为16次、14次、12次或10次，从而保证检测灵敏度，反射次数越多， 缺陷对直通波的影响越大，比如：超声波在管钢中反射次数为16次和14次的探头相对直通 波最大衰减值较之12次和10次更大。

采用数字化超声波仪器、控制扫描速度，观察直通波的动态变化情况，各种不同反射次 数规格的探头在探测同一个缺陷时它对直通波的最小率减量和最大率减量将有所不同。因此， 可以采用不同规格的探头进行比较探测分析，可以准确有效的将缺陷检测出来

以Φ57×8mm的被测管为例，利用分别形成反射次数为16次、14次、12次和10次的四 种探头，考虑到探头的加工误差，每种探头制作两只进行试验，将四种在钢管中不同的反射 次数的八个探头在同一个没有缺陷的管子上进行测试。

通过测试可以看出，尽管探头存在一定的加工误差，但同种规格的探头直通波前后的变 波形和迟到波大体相近。在实际探测时是通过观察直通波受缺陷的影响程度来对管子轧制缺 陷进行判断，识别直通波具备以下两个条件：使用数字化超声波仪器、正确调整探头的扫描 速度；根据探头的相关参数预先计算出直通波的声程，然后根据探头在仪器上显示的相对应 声程的直通波波形进行判断。

四种规格的探头中：超声波在管钢中反射次数越多，缺陷对直通波的影响越大；超声波 在管钢中反射次数少的在直通波前的变形波少而迟到波较多，超声波在管钢中反射次数多的 在直通波前的变形波多而迟到波较少。

在识别和确定直通波的基础上，在灵敏度调整试块上进行测试，测试表明各种探头在测 试各种不同深度的刻槽时，直通波将出现不同程度的衰减。

结构调整试块用于对入射点、折射角及扫描速度进行测试调整。其中，曲率半径为R的 渐开线边既是入射点的测定反射面，也是扫描速度调整的发射面，R半径的圆心所对应曲面 位置是入射点的位置，通孔是用来测定折射角和调整仪器扫描速度，通孔的圆心选择在半径 为r的圆弧线上。

本发明尤其适于针对Φ32mm～Φ89mm的小口径管轧制缺陷进行检测。