奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，采用一發一收雙晶聚焦結構，減少了由鋼管內壁的幾何散射和楔塊造成的雜亂干擾回波；在延遲斜楔的底部有內凹的曲面，使至少在內凹曲面頂部與待測鋼管有接觸。該特種探頭在奧氏體不銹鋼中形成水平偏振剪切波，跟其他波形相比，當從平行于偏振方向的表面反射時，水平偏振剪切波不會轉化為其他類型的波，且雜亂回波較少；水平偏振剪切波幾乎全波透射入焊縫金屬中，與其他波形相比，其聲束指向偏轉最小。本發明可解決外徑為Φ34～Φ168mm、壁厚為3.5～20mm的小口徑奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測在靈敏度、信噪比和分辨率方面不足的技術問題。
【專利說明】奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭
【技術領域】
[0001]本發明屬于鋼焊縫超聲波檢測【技術領域】，特別涉及奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測技術。
【背景技術】
[0002]奧氏體不銹鋼焊縫的超聲波檢測與碳鋼相比有很大不同，由于奧氏體不銹鋼焊縫金屬晶粒呈柱狀粗晶結構，使得超聲波在傳播的過程中，產生強烈的晶粒散射和衰減，引起較高的噪聲信號(林狀波)，使得接收到的有用的缺陷回波信號強度降低并且淹沒在噪聲信號當中，同時焊縫組織的各向異性會造成超聲波聲束扭曲偏轉，從而使得信噪比大幅下降，缺陷的定位誤差也大大增加。因此采用常規超聲波探頭已無法對奧氏體不銹鋼焊縫進行有效地檢測，在實際應用上存在相當大的難度。針對這一技術難題，國內外主要通過對儀器探頭性能和信號處理來得以改善，但目前仍不成熟，尤其國內在該方面的研究工作不多，特別是在小口徑奧氏體不銹鋼管對接焊縫超聲波檢測技術方面的研究工作更少。有檢測方法的應用報道歸納起來主要有:小角度低頻縱波探頭檢測、爬波探頭檢測、雙晶窄脈沖縱波斜入射探頭檢測。
[0003]CN101694484A提供一種奧氏體不銹鋼焊縫中缺陷的超聲波定位方法，通過制作對比試塊，對對比試塊的焊縫(2)進行探傷，進行常規檢測:如果可探性試驗可以檢測出對比試塊焊縫(2)中小于某個極限尺寸的缺陷的位置，則可以使用常規超聲波檢測的方法對奧氏體不銹鋼焊縫(2)中的缺陷進行定位；否則，就證明常規超聲波檢測方法對這種奧氏體不銹鋼焊縫根本不適用，主要是為是否可以采用常規超聲波探傷檢測提供依據。
[0004]CN102207490A提供一種奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測缺陷信號的識別方法，具體步驟:在奧氏體不銹鋼焊縫的待測點處獲取一列A掃描信號a，在相鄰檢測點處獲取另一列A掃描信號b ;分別對信號a和b進行小波包分解，獲得信號a和b的小波包樹及各級細節；將信號a和信號b的各級細節做累乘運算，獲得累乘的各級細節及相應的小波包樹；對累乘的小波包樹進行降噪處理，獲取噪聲抑制后的A掃描信號，利用該A掃描信號進行缺陷信號的識別。
[0005]CN102384941A公開了一種奧氏體不銹鋼焊縫超聲波檢測方法，其步驟如下:1)、制作與實際被檢測焊縫一致的三個焊縫試塊；2)、測量全部人工反射體，然后用插值法，獲得焊縫整個橫截面被劃分區域的反射強度，即二維距離波幅表；3)、確定二維距離波幅表中劃分區域的尺寸，先按同一水平位置進行插值；然后在同列中進行插值，這樣就得到了焊縫所有區域的反射基準反射當量；4)、檢測中發現缺陷回波后，先通過聲程和探頭K值確定反射體在焊縫中的區域，在二維距離波幅表中找出相應的基準當量，確定標準人工反射體的反射當量，用此當量與測得缺陷反射強度相比較，于是就得到了缺陷的當量。
[0006]CN31-1335/TG《無損檢測》期刊2013年第35卷第6期《寬頻帶窄脈沖TRL探頭在奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測中的優越性》中通過對JB/T4730《承壓設備無損檢測》所述的Φ273Χ30_奧氏體不銹鋼管對接焊縫的測試，描述了現有的不同縱波探頭在奧氏體不銹鋼焊縫檢測中應用中的不同，驗證了寬頻帶窄脈沖TRL探頭在奧氏體不銹鋼焊縫超聲檢測中的優越性。
[0007]采用上述方法進行檢測，不同操作人員的檢測結果一致性和重復性差，實用性不強。特別是外徑為Φ34~Φ 168mm、壁厚為3.5~20mm的小口徑奧氏體不銹鋼管對接環焊縫的超聲檢測，應用起來困難很大，JB/T4730《承壓設備無損檢測》也沒有相應的檢測標準，主要原因是沒有有效檢測小口徑奧氏體不銹鋼管對接環焊縫的探頭(超聲波換能器)造成的。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，解決奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測在靈敏度、信噪比和分辨率方面不足的技術問題。
[0009]本發明的一種奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，其特征在于:采用一發一收雙晶聚焦結構，包括一發一收2個壓電晶片(I)、延遲斜楔(2)、隔聲層(3)、電纜線(4)、外殼(5)和阻尼塊(6);延遲斜楔(2)由兩個矩形塊組成，兩個矩形塊之間夾有隔聲層(3);在延遲斜楔(2)的底部有內凹的曲面，使至少在內凹曲面頂部與待測鋼管有接觸；兩個矩形塊上部的外角有對稱的切面，切面呈菱形，切面上各置有壓電晶片(I)，功能分別為發射、接收；壓電晶片 ⑴與外殼(5)間置有阻尼塊(6)。
[0010]為了實現良好的耦合，將延遲斜楔(2)的底部與待測鋼管的接觸面修磨成與鋼管曲率半徑相符或接近的曲面，延遲斜楔(2)的底部內凹的曲面弧度最好分為Φ34、Φ42、Φ48、Φ89、Φ114、Φ140 或 Φ168。
[0011]“美國無損檢測手冊”超聲卷指出:各向異性材料中(奧氏體不銹鋼焊縫金屬呈各向異性)，通常情況下有三種不同的線彈性波可沿給定的方向向前傳播。這三種波通常不是單一模式，因為每種波通常既有平行于波法線，也有垂直于波法線的質點位移分量。一種分量常比另一種分量大得多。含有較大平行分量的波叫“水平偏振剪切波”，這種線彈性波既不是單純的縱波，也不是單純的橫波，而是三種不同性質的線彈性波的混合物。對單個缺陷的反射回波呈現到超聲波探傷儀顯示屏上時將是三個粘滯在一起的三個波，而且通常情況下三個波中必定有一個波的波幅比另外兩個波的波幅高得多。該波形不會轉化為其他類型的波，且雜亂回波較少，當超聲波從平行于偏振方向的表面通過界面時，其傳輸系數常高于其他波型。業已證實，在18°~90°很寬的入射角范圍內“水平偏振剪切波”幾乎全部透射入焊縫金屬中；在奧氏體不銹鋼焊縫以及其他不同金屬的焊縫中，使用射線示蹤模型發現“水平偏振剪切波”聲束指向偏轉最小。本發明奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭就是以此為突破，激勵產生的超聲波以柱面波波源縱向斜入射的方式進入鋼管焊縫，形成不同于以往其他的常規探頭(純橫波、純縱波或爬波)的“水平偏振剪切波”。采用一發一收雙晶聚焦結構，超聲波聲束能量相對集中，減少了超聲波聲束在小口徑鋼管管壁內表面的嚴重幾何散射。
[0012]本超聲波特種探頭為使超聲波縱波聲束盡可能平行于鋼管管壁向前傳播，利用“水平偏振剪切波”對分布于焊縫中，沿焊縫厚度方向分布的各種不同性質的缺陷進行有效
檢測，入射角α取第一臨界角α.^arcsin Jl附近。
cLl[0013]本發明的超聲波特種探頭通過聚焦傾角Θ的變化來設計焦距，以縱波為首要，兼顧橫波，縱波聲束和橫波聲束相交是焦點的原則，聚焦后的聲束細，產生散射的概率小，信噪比高，有利于缺陷的檢出。
[0014]所用壓電晶片頻率的選擇原則是用適當的方法去除或控制超聲波向前傳播的幾何效應，就可把超聲衰減的大小作為被檢材料微觀組織及其變化引起的內在損耗機理的一種非常靈敏的指示值，也就是與各種不連續性相互作用的能力，這些不連續性包括裂紋、夾雜脫溶物、晶界，中間相邊界空洞和錯位。
[0015]所用一發一收2個壓電晶片中的發射晶片采用發射靈敏度較高的壓電材料制成，接收晶片采用接收靈敏度高的壓電材料制成，使得特種探頭的發射和接收靈敏度都高，這是單晶探頭無法比擬的。另外，發射和接收分開，始脈沖和延遲斜楔上的反射雜波不會像單晶探頭一樣直接進入接收電路，使盲區大大減小，為薄壁小口徑管焊縫提供了有利條件。壓電晶片的面積根據奧氏體不銹鋼管對接環焊縫的厚度確定，厚度增加，晶片面積需相應增大。壓電晶片形狀最好選用矩形，最好晶片縱向長度b大于晶片橫向寬度a。設計的聲束半
擴散角
【權利要求】
1.一種奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，其特征在于:采用一發一收雙晶聚焦結構，包括一發一收2個壓電晶片(1)、延遲斜楔(2)、隔聲層(3)、電纜線(4)、外殼(5)和阻尼塊(6);延遲斜楔(2)由兩個矩形塊組成，兩個矩形塊之間夾有隔聲層(3)；在延遲斜楔(2)的底部有內凹的曲面，使至少在內凹曲面頂部與待測鋼管有接觸；兩個矩形塊上部的外角有對稱的切面，切面呈菱形，切面上各置有壓電晶片(I)，功能分別發射、接收；壓電晶片⑴與外殼(5)間置有阻尼塊(6)。
2.根據權利要求1所述的奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，其特征在于:延遲斜楔(2)的底部有內凹的曲面弧度分為Φ34、Φ42、Φ48、Φ89、Φ114、Φ 140或Φ168。
3.根據權利要求1所述的小口徑奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，其特征在于:測試探頭入射角α取第一臨界角ct丨ZarcsinCuA^2,其中Cu指延遲斜楔中的超聲波聲速，Cl2指奧氏體不銹鋼管材中的超聲波縱波聲速。
4.根據權利要求3中奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，其特征在于:測試探頭入射角α為27.1°~27.6°。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，其特征在于:壓電晶片形狀選用矩形，且晶片縱向長度b大于晶片橫向寬度a。
6.根據權利要求1至4中任一項所述的奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，其特征在于:阻尼塊的材料為環氧樹脂系組合物。
7.根據權利要求1至4中任一項所述的奧氏體不銹鋼管對接環焊縫超聲波檢測特種探頭，其特征在于:延遲斜楔的材料為有機玻璃。
【文檔編號】G01N29/24GK103969341SQ201410147200
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月12日 優先權日:2014年4月12日
【發明者】莊浩春, 馬小強, 羅曉明, 楊惠谷, 李東勝, 張建華, 孫濤, 楊海軍 申請人:化學工業設備質量監督檢驗中心, 上海市特種設備監督檢驗技術研究院, 莊浩春