專利名稱：干耦合永久性安裝的超聲波傳感器的線性陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢查管路、加工設(shè)備等等的永久性超聲波柔性干耦合的線性陣列。該永久性超聲波柔性干耦合的線性陣列檢測和/或測量腐蝕壁損耗、應(yīng)力腐蝕裂紋和 /或從內(nèi)部開始的管路裂紋。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的超聲波傳感器制造成本高，且存在導(dǎo)致信號損失或者讀數(shù)不準(zhǔn)確的耦合后果或問題。優(yōu)良的超聲波傳輸依賴于去除傳感器與測試表面之間的所有空氣。足夠的讀數(shù)和/或計量涉及超聲波傳感器以最小的信號損失和/或衰減、如在不存在氣泡和/或間隙的情況下發(fā)射和接收信號。超聲波傳感器典型利用耦合劑來增強(qiáng)測試材料與傳感器之間的傳輸。傳統(tǒng)的液體耦合劑包括丙二醇或丙三醇。液體耦合劑變干，從傳感器的下面漏出或者溢出，這導(dǎo)致信號問題。液體耦合劑提供臨時或短暫時長的合適聲波傳輸。Cawley等人在國際專利申請公布W02007/051959中公開了一種超聲波發(fā)射材料的細(xì)長條。在工業(yè)中已經(jīng)嘗試將磁體或粘結(jié)劑用于超聲波能量傳遞系統(tǒng)。然而，這些粘結(jié)劑由于隨著時間的推移而粘合減弱和破裂存在失效率高的問題。從超聲波傳感器輸入的能量可能加劇粘結(jié)失效。Roarty的美國專利4，881，409公開了一種具有超聲波換能器陣列的柔性磁性材料。Fripp等人的美國專利7，234，519公開了將換能器粘合至用于石油鉆井的管道。盡管磁體或粘結(jié)劑可以在粘結(jié)劑失效之前比液體耦合劑提供更長時間的信號傳輸，但還是需要和想要使用時間更長和/或永久性安裝的超聲波傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的這些及其它方面至少部分由利用干耦合永久性安裝的超聲波傳感器的線性陣列來測試材料的裝置和方法來實現(xiàn)。根據(jù)一個實施例，本發(fā)明涉及一種用于以超聲波方式測試材料的裝置。該裝置包括超聲波傳感器的線性陣列；以及環(huán)繞每個超聲波傳感器的至少一部分的能傳輸聲波的柔性干耦合物。根據(jù)一個實施例，本發(fā)明涉及一種測試材料的方法。該方法包括使干耦合物適配于測試材料；將干耦合物固定至測試材料；以及相對于干耦合物設(shè)置超聲波傳感器的線性陣列。該方法包括利用線性陣列、經(jīng)由聲波傳輸干耦合物來測量或檢測該測試材料的至少一種性質(zhì)。


通過以下結(jié)合附圖闡述的具體內(nèi)容可以更好地理解本發(fā)明的以上及其它特征和方面，其中圖1示出了方形真空耦合的超聲波傳感器陣列；圖2示出了根據(jù)一個實施例的0度壁厚陣列；圖3示出了用于壁厚的測試塊；圖4示出了根據(jù)一個實施例的圖3的測試塊的掃描；圖5示出了根據(jù)一個實施例的衍射時差(TOFD)陣列；圖6示出了根據(jù)一個實施例的模具和晶片校準(zhǔn)工具；圖7示出了用于裂紋檢測的測試塊；圖8示出了根據(jù)一個實施例的圖7的測試塊的掃描；圖9示出了根據(jù)一個實施例的橫波陣列；圖10示出了根據(jù)一個實施例的圖7的測試塊的掃描；圖11示出了根據(jù)一個實施例的、具有單個發(fā)送傳感器的線性陣列；圖12示出了根據(jù)一個實施例的、安裝在管道上的圖11的線性陣列；圖13示出了根據(jù)一個實施例的圖12的管道的掃描；并且圖14示出了根據(jù)一個實施例的線性陣列的局部剖面。
具體實施例方式超聲波厚度測量和探傷檢驗可提供重要的無損傷測試方法，以實現(xiàn)管路、油田設(shè)備、煉油廠、化學(xué)加工廠和/或其它任何適合的制造或運輸系統(tǒng)的安全可靠操作。永久性安裝的超聲波傳感器可用于設(shè)備磨損和/或損壞的連續(xù)和/或定期測量。本發(fā)明的超聲波設(shè)備可包括例如不采用丙二醇和/或丙三醇的干耦合物。根據(jù)一個實施例，干耦合物包括聲波傳輸?shù)倪m配性半固態(tài)材料，用以提供用于傳感器以及相關(guān)聯(lián)的電線的基底。合適的干耦合物材料包括聚合物、彈性體、塑性體、硅基材料，和/或其它相對柔性的物質(zhì)。根據(jù)一個實施例，Momentive Performance Materials (Wilton, CT USA) formerly GE Advanced Materials的RTV 615可用于形成干耦合物。理想的是，干耦合物包括至少基本適配測試表面的超聲波導(dǎo)電材料，同時提供超聲波發(fā)射和/或接收，而無額外的耦合劑和/或粘結(jié)劑。干耦合物不由于超聲波能量的輸入而隨時間劣化和/或失效。合乎需要的是，本發(fā)明的傳感器陣列的永久性安裝可以以協(xié)議服務(wù)減少、腳手架減少、安全性提高和完整性提高等等來實現(xiàn)設(shè)備的掃描。例如，在管架中高于地面大約20 英尺(6米)的管道彎頭需要安置腳手架并且阻止接近操作單元。這樣，技術(shù)人員可能要每天攀爬到腳手架上利用便攜式臨時超聲波(UT)單元獲取測量結(jié)果。與此相反，可將本發(fā)明的永久性安裝的線性陣列一次性安置在彎頭上，并將其連接至地平面上或控制室內(nèi)的顯示裝置。線性陣列可以在沒有技術(shù)人員每天攀爬腳手架的危險和費用的情況下就能每天和/ 或更頻繁地掃瞄彎頭。除此以外，由于線性陣列是永久性的，因此，例如可以完全省去腳手架，而且不再阻止接近操作單元。根據(jù)一個實施例，可通過利用注塑模具和真空加熱器固化處理來形成干耦合物而明顯減少陣列制造成本。陣列總體包括按順序布置的一個以上的物體，如格柵。格柵可包括任意合適的尺寸和/或形狀。線性陣列總體包括如陣列32X1(行X列)、1X32(行X列)、2X64等等的長度大于寬度的物體。陣列元件可在被粘結(jié)或固定到陣列中之前分別得以擱置或定位，從而通過注塑模具的預(yù)定形狀以正確的入射角同時安置和封裝64個傳感器。根據(jù)一個實施例，適合的制造方法包括以預(yù)設(shè)的入射角注塑成型陣列?？商娲鷮嵤├?，各個傳感器擱置處理可用于形成陣列。各個模具可制造用于超聲波腐蝕和/或裂紋監(jiān)視中采用的每種超聲波檢驗方式。 用于陣列的方式可包括零度厚度、斜束橫波(angle beam shear wave)和/或衍射時差 (T0FD或者有時被稱作T0F)。根據(jù)一個實施例，本發(fā)明的超聲波裝置減少了整體制造要求和電子設(shè)備要求，例如在陣列中不必具備與32個接收元件相對應(yīng)的32個發(fā)射元件，且單個長元件覆蓋多個接收單元的長度。合乎需要但非必要的是，單個長元件對應(yīng)于每個接收單元地產(chǎn)生脈沖，例如大約32次?？擅黠@減少傳輸信道和相關(guān)聯(lián)的線纜的數(shù)量，例如減少大約50%。本發(fā)明的超聲波裝置可以利用32個接收元件和一個發(fā)射帶壓電元件以任何合適的方式、例如采用衍射時差(TOFD)來操作。可通過將所述元件放置在具有用于TOFD的必需超聲波入射角的模具中來形成傳感器。根據(jù)一個實施例，本發(fā)明的超聲波裝置可采用超聲波(UT)零度和/或UT橫波方式操作。合乎需要的是，干耦合物包括靜止位置和/或固定位置，例如不具備利用輪子或其它可移動裝置沿著一段管道滾動和/或移動的功能。影響測試材料的機(jī)制可包括蝕損斑、壁損耗、沉積物下腐蝕(under deposit corrosion)、隔離物下腐蝕(under insulation corrosion)、應(yīng)力腐蝕裂紋、環(huán)境裂紋、受到加熱或焊接影響的區(qū)段或區(qū)域中的裂紋、疲勞裂紋、氫致裂紋、氯化物裂紋、氫蝕致脆、堿蝕致脆以及其它任何方式的損耗、劣化和/或失效。上述裝置可包括監(jiān)視裂紋的尺寸變化和/或生長的功能。本發(fā)明的超聲波裝置可在任意合適溫度，如大約外界條件與大約100攝氏度之間的溫度運行。合乎需要的是，該超聲波裝置可在冬季溫度如-40攝氏度的溫度下運行。在可替代實施方案中，超聲波裝置可在暴露于低溫條件下的情況中運行。更加理想的是，超聲波裝置可在高溫、如大約200-400攝氏度的溫度下運行。低溫操作可采用和/或包括一個或多個熱源，例如電阻加熱器或伴熱蒸汽管。高溫操作可采用和/或包括一個或多個散熱器，例如風(fēng)扇或冷卻管線。通常但非必要的是，超聲波裝置的操作溫度可由干耦合物的工作范圍限定。選擇性地，可將盒子、蓋子、防護(hù)罩、殼體和/或其它合適的裝置放置在本發(fā)明的裝置的至少一部分上，以此避免和/或防止受到突然墜落、溫度、外界條件、陽光、紫外線輻射、灰塵、碎屑和/或其它任何污染物的損壞或者污染環(huán)境。根據(jù)一個實施例，該裝置的系統(tǒng)采用電池電源和/或太陽能(自帶)和/或無線(射頻)發(fā)射以用于通信，從而有利于在邊遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行安裝而不用提供單獨的能源和/或信號線。合乎需要的是，該裝置包括用于與國家電氣規(guī)程(National Electric Code)的各個類別和/或級別相兼容的電氣硬件。 該裝置可以是本身安全或者是防爆制造的。根據(jù)一個實施例，本發(fā)明包括用于檢查管路的超聲波柔性干耦合線性陣列，以檢測和/或測量腐蝕壁損耗、焊縫中的應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)以及開始產(chǎn)生裂紋的內(nèi)徑(ID)。 合乎需要的是，可以永久性安裝這些陣列，以延長在高達(dá)大約200攝氏度的溫度下的監(jiān)視期限。
根據(jù)一個實施例，可以將柔性干耦合陣列的幾何構(gòu)造和/或超聲波特征設(shè)計和制造成符合具體的檢查要求。例如，該陣列可用于利用通常相對于管道長度縱向施加——例如在導(dǎo)致氣穴現(xiàn)象的高壓墜落控制閥的下游——的線性陣列來檢查管道?？商娲鷮嵤┓桨钢?，例如在受到腐蝕的彎頭的下游，可相對于管徑周向施加線性陣列。一個有利的應(yīng)用包括將線性陣列永久性安裝至高速管道系統(tǒng)以用于連續(xù)和/或周期性的監(jiān)視，例如腐蝕壁損耗、SCC和/或開始產(chǎn)生裂紋的ID。該陣列元件可位于固定位置處，因而可將檢查結(jié)果顯示為例如用于將壁厚和時間作比較的超聲波和/或C掃描圖像。傳感器陣列可周期性地監(jiān)視位置，并可在確定參數(shù)變化時提高掃描頻率。例如，陣列每周測量壁損耗，但在達(dá)到測量結(jié)果之間的設(shè)定厚度或損耗率時，該陣列每天都要測量壁損耗。該陣列例如還可在達(dá)到臨界壁厚之前被連接至或觸發(fā)警報器和/或警鈴。傳感器陣列可利用顯示器、打印機(jī)、存儲設(shè)備、計算機(jī)、聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)和/或用于接收、存儲、處理、寄存和/或交換數(shù)據(jù)的任何其它適合裝置輸出或與所述裝置相連?？蓪⒈景l(fā)明的線性陣列制造成至少三種不同的構(gòu)造1)用于檢測和測量厚度或腐蝕壁損耗的0度陣列；2)用于焊縫中的SCC的TOFD陣列；以及3)用于開始產(chǎn)生裂紋的 ID的45度橫波陣列。其它構(gòu)造屬于本發(fā)明的范圍，例如同一線性陣列中0度元件和45度元件的組合。本文所使用的術(shù)語“具有”、“包含”以及“包括”為開放性和囊括性表達(dá)。可供選擇的是，術(shù)語“組成”為封閉性和排他性表達(dá)。如果在解釋權(quán)利要求或說明書中的任何術(shù)語時存在模凌兩可性，作者的目的為開放性和囊括性表達(dá)。考慮到方法或處理中的步驟的重復(fù)次序、編號、順序和/或限度，除明確說明以外，作者未將步驟的隱含重復(fù)次序、編號、順序和/或限度指定為本發(fā)明的范圍。 根據(jù)一個實施例，本發(fā)明包括一種用于以超聲波方式測試材料的裝置。超聲波廣泛地包括具有大于人類聽覺上限、例如大約20千赫茲O兆赫茲或20，000赫茲)的頻率的周期性聲壓。本發(fā)明的超聲波發(fā)射器和/或接收器可在任何合適的頻率、如大約20千赫茲、 40千赫茲、50千赫茲、60千赫茲、80千赫茲、100千赫茲和/或其它任何較高頻率操作。用于測試的合適材料廣泛地包括金屬、鋼、低碳鋼、不銹鋼、合金、陶瓷、玻璃、塑料、熱塑性塑料、熱固性材料和/或其它任何可具有隱性或明顯瑕疵或缺陷的材料。測試材料可在制造的過程中、構(gòu)造之后、操作期間、停止工作期間和/或其它任何合適的時間得到測試。測試材料可存在于任何合適的行業(yè)，例如管路、油田、深海煉油系統(tǒng)、海底鉆井作業(yè)、 浙青砂加工設(shè)備、煉油廠、化工廠、運輸系統(tǒng)、核電站、公共企業(yè)和/或其它任何處理或應(yīng)用。該裝置可包括超聲波傳感器的線性陣列以及環(huán)繞線性陣列的每個超聲波傳感器的至少一部分的能傳輸聲波的柔性干耦合物。該線性陣列可包括任何合適的尺寸，例如大于寬度2倍左右的長度、大于寬度4倍左右的長度、大于寬度10倍左右的長度、大于寬度30 倍左右的長度、大于寬度50倍左右的長度、大于寬度100倍左右的長度和/或任何合乎需要倍數(shù)的長度和/或?qū)挾?。環(huán)繞可包括嵌入、裝入、封裝、覆蓋和/或其它任何合適的布置。根據(jù)一個實施例，超聲波傳感器可包括用于產(chǎn)生、發(fā)射和/或形成超聲波信號和/ 或脈沖的任何合適的裝置和/或工具。超聲波傳感器可包括用于接收、感測和/或檢測超聲波信號和/或脈沖的任何合適的裝置和/或工具。超聲波傳感器可包括在同一單元中發(fā)送和/或接收的功能中的兩種或一種?？梢砸岳缦鄬τ跍y試材料的表面的任何合適的角度來安裝超聲波傳感器。根據(jù)一個實施例，以相對于測試材料表面成大約-90度到大約+90度的入射角、例如從一個方向上的完全接觸到相反方向上的完全接觸來安裝每個超聲波傳感器。可替代實施方案中，以相對于測試材料表面0度和/或45度和/或大約0度和/或大約45度的入射角來安裝每個超聲波傳感器。在不背離本發(fā)明的范圍的前提下，其它入射角也是可能的。合乎需要但非必要的是，該傳感器可安裝和/或被安置在大致平行位置，例如每個傳感器從前到后位于大致相同的方向?？商娲鷮嵤┓桨钢校瑐鞲衅骺梢砸韵鄬τ诒舜说娜魏魏线m的角度、例如與每個相鄰傳感器成大約45度的角度、與每個相鄰傳感器成大約90 度的角度和/或其它任何布置方式得以安裝和/或安置。線性陣列可包括用于發(fā)送和/或發(fā)射的任何合適數(shù)量的傳感器，例如大約10個用于發(fā)送的傳感器和大約10個用于接收的傳感器、大約32個用于發(fā)送的傳感器和大約32個用于接收的傳感器、大約1個用于發(fā)送的傳感器和大約32個用于接收的傳感器、大約64個用于發(fā)送的傳感器和大約1 個用于接收的傳感器和/或其它任何合適的組合。平行和/ 或串聯(lián)構(gòu)造是可能的。根據(jù)一個實施例，可以以菊花鏈構(gòu)造來布置多排和/或多串傳感器。 可替代實施方案中，一排集線器可例如與一個或多個集線器組合而形成一排陣列。采用多路技術(shù)和/或其它機(jī)制來增加帶寬和/或減少配線是可能的。合乎需要的是，線性陣列包括至少大約2個超聲波傳感器、至少大約32個超聲波傳感器、至少大約64個傳感器和/或至少大約IOM個傳感器。這些傳感器可包括任何合適的尺寸和/或形狀，例如大約3毫米至大約6毫米、大約13毫米、大約25毫米和/或其它任何有益的尺寸。合乎需要但非必要的是，傳感器尺寸可至少部分地對應(yīng)于測試材料或物質(zhì)的曲率半徑，例如較小半徑可使用較小傳感器，而較大半徑可使用較大傳感器。上述裝置可包括任何合適數(shù)量的線性陣列。合乎需要的是，第一線性陣列發(fā)射超聲波信號，而第二線性陣列接收超聲波信號。在可替代實施方案中，第二線性陣列發(fā)射超聲波信號，而第一線性陣列接收超聲波信號。第一陣列和第二陣列可均包括發(fā)射和/或接收功能(雙向)。第二線性陣列可以與第一線性陣列位于相同或不同的干耦合物中。在可替代實施方案中，第一線性陣列和/或第二線性陣列包括單個細(xì)長的傳感器或發(fā)射器。根據(jù)一個實施例，第一線性陣列包括條形傳感器，而第二線性陣列包括多個傳感器。線性陣列可具有任何合適的相對于彼此的方位和/或關(guān)系，例如至少相對于彼此大致平行。干耦合物可包括任何合適的材料，例如半固態(tài)聚合材料、有機(jī)硅聚合物、聚酰亞胺和/或其它任何合適的材料。根據(jù)一個實施例，本發(fā)明的干耦合物省去了一個或多個磁體、 真空、粘結(jié)劑和/或液體耦合劑。根據(jù)一個實施例，超聲波傳感器包括零度厚度構(gòu)造、斜束構(gòu)造和/或衍射時差構(gòu)造。其它構(gòu)造和/或組合屬于本發(fā)明的范圍。根據(jù)一個實施例，該裝置可包括位于至少一個超聲波傳感器與干耦合物的接觸表面之間或相對于所述至少一個超聲波傳感器與干耦合物的接觸表面設(shè)置的剛性材料，例如信號穿過該剛性材料、經(jīng)過干耦合物的一部分并進(jìn)入測試材料。選擇性地，同樣將干耦合物的至少一部分定位和/或設(shè)置在傳感器與剛性材料之間。合乎需要的是，該剛性材料包括高超聲波傳輸物質(zhì)，例如聚(甲基丙烯酸甲酯)和/或其它任何合適的硬質(zhì)材料。剛性材料可包括任何合適的尺寸和/或形狀，例如楔形、餅狀、塊狀、立方體、和/ 或其它任何幾何構(gòu)造。楔形件可包括任何合適的大致三角形橫截面形狀，并具有任何合適的角度，例如大約從10度到大約80度，且理想的是大約45度。高溫應(yīng)用(大約200攝氏度至大約400攝氏度)實施例可包括用于升高溫度的干耦合物材料，例如聚酰亞胺和/或其它合適的材料。在可替代實施方案中，金屬超聲波點測量干耦合探針可用于高溫。合乎需要的是，該金屬干耦合物包括柔性材料，例如箔等等。在可替代實施方案中，金屬耦合物包括用于充足UT傳輸?shù)能涃|(zhì)和/或可鍛金屬和/ 或合金。用于上述裝置的復(fù)合材料或?qū)訅翰牧?，例如購自? I. du Pont de Nemours and Company (Wilmington, Delaware USA)的涂覆有金屬的Mylar 同樣屬于本發(fā)明的范圍。根據(jù)一個實施例，阻抗匹配涂層可改善測試材料的表面條件?？赏ㄟ^降低頻率來實現(xiàn)例如45度橫切陣列的超聲波束擴(kuò)展。涂料與其它液體耦合劑的不同之處在于其是管道本身固有的，亦即成為管道的一部分。合乎需要的是，較低頻率形成大約為UT信號長度一半的波長。在可替代實施方案中，縮短晶片高度還可縮短近場，并形成擴(kuò)展束。根據(jù)一個實施例，本發(fā)明包括測試材料的方法。該方法可包括使干耦合物適配于測試材料。適配廣泛地包括相對于和/或圍繞測試材料的至少一部分至少大致和/或基本彎曲和/或成形干耦合物的至少一部分。合乎需要的是，適配的步驟可包括賦予干耦合物例如在測試材料和/或測試樣品的至少一般形式中具有形狀保持性質(zhì)。干耦合物可包括形狀保持元件，例如嵌入干耦合物中用于形狀和/或形式保持特征的較薄金屬條。該方法可包括將干耦合物固定至測試材料。固定廣泛地包括任何合適的作用以相對于測試材料的至少一部分附接、附連、錨固、接合和/或安裝干耦合物的至少一部分。根據(jù)一個實施例，可通過任何合適的安裝裝置例如捆綁帶(zip tie)、纜線扎帶(cable tie)、 箍帶夾(band clamp)、散熱器夾(radiator clamp)、蝸輪夾(worm gear clamp)、螺栓夾裝置和/或相對于測試材料保持干耦合物的其它任何裝置來形成或?qū)崿F(xiàn)固定。合乎需要的是，該固定能實現(xiàn)干耦合物的永久性安裝。永久性與此處所采用的臨時性不同。例如通過用戶的手和/或橡皮筋用液體耦合劑固定在合適的位置的臨時安裝可持續(xù)幾分鐘，最多持續(xù)幾個小時。與此不同，永久性安裝可最少持續(xù)七天，合乎需要的是持續(xù)至少一個月、至少1年，更理想的是持續(xù)至少3年、至少5年和/或其它任何合適的持續(xù)時間。同樣合乎需要的是，固定裝置、干耦合物和/或傳感器具有至少相同和/或相似的有利使用壽命。該方法可包括相對于干耦合物固定超聲波傳感器的線性陣列。固定超聲波傳感器的線性陣列可包括相對封裝、膠粘、附接、設(shè)置和/或其它任何合適的步驟，以使傳感器的至少一部分與干耦合物結(jié)合。合乎需要但非必要的是，干耦合物環(huán)繞每個傳感器的至少一部分而不需要額外的粘結(jié)劑。該方法可包括利用線性陣列、經(jīng)由聲波傳輸干耦合物測量或檢測所述測試材料的至少一種性質(zhì)。所述至少一種性質(zhì)可包括壁厚、蝕損斑、裂紋檢測、裂紋尺寸、裂紋尺寸的變化、裂紋的生長、材料成分、材料密度、材料完整性、沉積厚度、積垢厚度、材料中的聲速和/ 或其它任何合適的參數(shù)和/或量。合乎需要的是，測量的步驟包括檢測壁損耗和/或檢測裂紋。在可替代實施方案中，測量的步驟可包括零度厚度操作、斜束操作和/或衍射時差操作。測量例如可包括將信號從第二大致平行的線性陣列發(fā)射至線性陣列。根據(jù)一個實施例，固定線性陣列的步驟可包括例如在無磁體、真空、粘結(jié)劑和/ 或液體耦合劑的情況下，使線性陣列與測試材料以超聲波方式耦合。合乎需要的是，將干耦合物固定至測試材料的步驟包括將線性陣列永久性附連至測試材料。固定干耦合物可持續(xù)至少大約6個月而不需要重新固定或重新定位，固定干耦合物可持續(xù)至少大約3年而不需要重新固定或重新定位，和/或固定干耦合物可持續(xù)比暫時連接更長的其它任何合適的時間段。該方法可包括對測試材料的表面進(jìn)行和/或施加聲波傳輸處理。聲波傳輸處理可包括任何合適的材料和/或應(yīng)用，例如具有足夠超聲波傳輸特性的涂料或帶子。帶子包括將超聲波傳輸材料附接至測試表面的粘結(jié)劑，而且與上述粘結(jié)耦合物不同，其原因是不存在將傳感器或陣列固定至帶子的粘結(jié)劑。可在固定線性陣列和/或傳輸處理之前進(jìn)行表面處理，包括酸洗、除垢、堿洗、砂磨、噴砂、拋丸和/或其它任何合適的工序。在可替代實施方案中，測試材料的方法可排除表面準(zhǔn)備和/或聲波傳輸處理，其中，干耦合物利用足夠的超聲波發(fā)射特性與測試材料的表面匹配。該方法例如可包括通過從單個細(xì)長的發(fā)射傳感器發(fā)送與每個超聲波換能器相對應(yīng)的信號而從第二大致平行的線性陣列發(fā)射。示例可將本發(fā)明的線性陣列制造成三種類型1)用于檢測和測量腐蝕壁損耗的0度陣列；2)用于焊縫中的SCC的TOFD陣列；以及3)用于開始產(chǎn)生裂紋的ID的45度橫波陣列。示例1-現(xiàn)有技術(shù)已知的柔性超聲波陣列10具有真空附接至管道12的超聲波換能器元件的方形構(gòu)造，如圖1所示。圖1的陣列10包括IOM個換能器元件14，換能器元件14具有0.25英寸(6. 35mm) X 0.25英寸(6.35mm)的尺寸，并被布置在32 X 32的正方形單元矩陣中。陣列 10被真空耦合至12英寸(30. 5cm)直徑的管道12。陣列10的有效面積的尺寸為8英寸 (20. 3cm) X8英寸(20. 3cm)，用于64平方英寸(162. 6cm2)的總檢查區(qū)域。真空耦合物不提供永久安裝解決方案，而且由于滲漏和/或熱循環(huán)失效。示例2——0度壁厚陣列如圖2所示，在0(零)度(入射角)構(gòu)造中構(gòu)造第一類型。通過使得8英寸X8 英寸(203mmX 203mm)的氈式電路板(blanket circuit board) 22與電線24附接，采用購自HD Laboratories, Inc(Issaquah, WA USA)的32信道陣列掃描器(未示出)來測試0度線性陣列20。掃描器將所有掃描到的數(shù)據(jù)存儲和/或存放在存儲器中?？蓪⒃O(shè)備構(gòu)造成顯示“A”、“B-X”、“B-Y”、“C”和“C-T0F”的任意組合。一旦掃描內(nèi)容得以存儲，則操縱門電路來分析掃描內(nèi)容的任何部分。測試?yán)酶神詈辖涌?26執(zhí)行，在該接口處不存在用于輔助超聲發(fā)射的濕耦合劑、粘結(jié)劑和/或真空壓力。測試在室溫下進(jìn)行。本發(fā)明的線性陣列利用圖2中的0度壁厚構(gòu)造來制造。用于感測壁厚的0度陣列 20包括安裝在RTV 615基底的干耦合物沈上的32個8MHzl/4英寸(6. 35mm)直徑元件或傳感器28。干耦合物沈通過以背對背布置接合圖6中所示的模具30被在頂部和底部分割。圖3示出了 Yll英寸(12. 7mm)的板與1/16英寸(1. 58mm)的階梯構(gòu)成的階梯狀厚度測試塊32，階梯狀厚度測試塊32在中央達(dá)到最小厚度0. 25英寸(6. 35mm)。在圖4中的儀表顯示裝置34上示出掃描測試塊32的厚度的結(jié)果，包括“A”掃描36、“C-T0F”掃描38、以及“B”掃描40或有時被稱作B-Y掃描或y。測試塊32的剖面圖在“B”掃描40中示出。0 度壁厚陣列20成功測量到測試塊32的厚度。示例3-TOFD陣列除被構(gòu)造成具有同時用于安裝在以楔形條分割的RTV 615的干耦合物46上的發(fā)射器和接收器的32個8MHz 1/4英寸(6. 35mm)直徑元件或傳感器44的TOFD陣列42以外， 如上述那樣構(gòu)造第二類型，如圖5所示。如圖5所示的TOFD陣列42連接至8英寸X8英寸Q03mmX 203mm)陣列電路板48，用于通過電線50、利用掃描儀(未示出)進(jìn)行測試。楔形件在模具中被鑄造成正確的入射角。由于RTV 615與碳鋼之間的聲速差很大，因此，將模具角度控制為緊密度公差。如圖6所示那樣設(shè)計和制造晶片安裝臺和晶片安置模具。圖6示出了模具30，例如下模具典型為分割的楔形模具30。晶片對準(zhǔn)工具在圖6的頂部示出。圖7示出了模擬SCC的具有一系列裂紋或切口 56的帶切口的測試塊54。從左到右來測量切口 56 分別為 0. 250 英寸(6. 35mm) ；0. 150 英寸(3. 81mm) ；0. 050 英寸(1. 27mm)； 0. 100英寸(2. 54mm)；以及0. 200英寸(5. Imm)。圖8示出了具有利用TOFD陣列42成功檢測到的測試塊M中的切口 56的結(jié)果的儀表顯示裝置58，包括“A”掃描60、“C-T0F”掃描62。測試塊討中的切口 56表現(xiàn)為與“C-T0F”掃描62或顯示中的深度有關(guān)的變量。示例4——45度橫波陣列第三類型以45度橫波陣列64構(gòu)造。陣列64包括32個8MHzl/4英寸(6. 35mm)直徑傳感器68或元件，所述傳感器68或元件被安裝在以楔形條分割的RTV 615的干耦合物 66上，如圖9所示。楔形件在模具30中被鑄造成正確的入射角。與TOFD陣列42 —樣，模具角度被控制為橫波陣列64中的緊密度公差。用于陣列64的模具30在圖6中示出。傳感器68利用電線72連接至電路板70。為進(jìn)行測試，45度陣列64用于檢測圖7中的帶切口的測試塊M的切口 56。所有的切口 56都被看作是轉(zhuǎn)角陷阱(corner trap)，而且無論尺寸差距如何看起來都一樣。擴(kuò)展光束的進(jìn)一步發(fā)展將提高端點衍射監(jiān)視，并有助于裂紋大小確定。掃描帶切口的測試塊 M的結(jié)果在圖10中示出。圖10示出了具有“A”掃描76、“B”掃描78以及“C-T0F”掃描 80的儀表顯示裝置74?！癇”掃描78中可看到切口板轉(zhuǎn)角反射器，而“T0F-C”掃描80同樣表示公共深度。用于管道檢查的示例1-4的原型柔性陣列的結(jié)果成功測量和/或檢測了測試材料的特征。由RTV 615制成的柔性干耦合物提供足夠的聲波發(fā)射，而不存在液體耦合劑(手動掃描)和/或粘結(jié)劑粘合的問題?？蓴U(kuò)展45度橫波陣列中的光束大小，以避免過度校準(zhǔn)， 例如難以得到足夠的端點衍射信號。雖然如此，但轉(zhuǎn)角陷阱檢測是極好的。柔性線性陣列在測試校準(zhǔn)塊時也工作良好。作為干耦合劑折射楔形件的RTV 615提供足夠的UT耦合，但從RTV 615到鋼的反射系數(shù)可以很高，例如大約95%。根據(jù)一個實施例，本發(fā)明可包括至耦合物的額外材料層和 /或匹配層，例如具有大約6. 5瑞利(Rayl)和/或其它任何合適值的幾何平均數(shù)。管道的表面條件可以是成功操作中的一個因素。合適的管道準(zhǔn)備例如只是利用聚酰亞胺帶(購自
11Ε. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware USA 的 Kapton (g))改進(jìn)操作。Kapton 帶提高了聲速匹配，而且似乎克服了一些表面缺陷。干耦合物和測試材料的足夠壓力保證了良好的耦合。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果將壓力不均勻地施加到陣列上，則會影響管壁中的光束的折射角。 示例5——1x64超聲波線性陣列如圖11所示，制造了 1X64個超聲波傳感器84的超聲波柔性陣列82。該陣列包括不需要傳統(tǒng)超聲波耦合劑(液體)的表面適應(yīng)半固態(tài)基底86。線性陣列82不會受到陣列基底86與測試樣品之間的線性膨脹包括生長的差異和變量的影響。陣列82連續(xù)承受高達(dá)200攝氏度的溫度。較之具有與不同的離散接收傳感器相對應(yīng)的離散發(fā)送傳感器的構(gòu)造，單個發(fā)射傳感器88將換能器/信道的數(shù)量減少了 50%。不用成角度的楔形件就能實現(xiàn)陣列的制造或擱置模具(未示出)，這將擱置的時間縮短了 50%。這些構(gòu)造包括用于對應(yīng)于相應(yīng)大小管道、管徑或平坦表面的UT厚度測量、UT橫波、UT TOFD和/或UT相陣列。電線90將傳感器 84和發(fā)射傳感器88連接至儀表顯示裝置(未示出)。圖12示出了通過安裝設(shè)備94 (捆綁帶)被安裝在管道92上且適配于管道92的圖 11的超聲波柔性陣列82。圖13示出了來自圖11和圖12的UT傳感器陣列82的UT TOFD 掃描96。示例6——入射角如圖14所示，并根據(jù)一個實施例，測試材料98可與干耦合物100接觸。干耦合物 100可包括嵌入其內(nèi)的至少一個0度傳感器102。該0度傳感器102可具有與測試材料表面的至少一部分大致平行的表面或校準(zhǔn)面，例如相對于測試材料90大約0(零)度的入射干耦合物100可包括嵌入其內(nèi)的至少一個45度傳感器104。該45度傳感器104 可具有與測試材料表面大致成大約45度的角的表面或校準(zhǔn)面，并以角度106示出，而且將干耦合物100的基底以外的其它任何材料排除在外?？商娲鷮嵤┓桨钢?，第二 45度傳感器 108可包括楔形件110，以此增強(qiáng)超聲波發(fā)射和/或接收。干耦合物100可包括第四傳感器 112，其具有較小的角度114，例如大約-20度。角度例如可以是正數(shù)和/或負(fù)數(shù)。盡管在前面的說明中已經(jīng)參照特定實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但諸多細(xì)節(jié)只出于說明目的而闡述，對本發(fā)明的技術(shù)人員而言很明顯的是，本發(fā)明包括其它實施例，而且在不背離本發(fā)明的基本原則的前提下，可對本說明書和權(quán)利要求中闡述的細(xì)節(jié)進(jìn)行改動。
權(quán)利要求
1.一種用于以超聲波方式測試材料的裝置，所述裝置包括超聲波傳感器的線性陣列；以及環(huán)繞每個超聲波傳感器的至少一部分的能傳輸聲波的柔性干耦合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中每個超聲波傳感器以相對于測試材料表面成大約-90度至大約+90度的入射角安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中每個超聲波傳感器以相對于測試材料表面成如下入射角安裝0度、45度或者0度和45度的各種組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述線性陣列包括至少2個超聲波傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括第二線性陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中每個線性陣列至少大致相互平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述第二線性陣列包括單個細(xì)長的傳感器或發(fā)射器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述干耦合物包括半固態(tài)聚合材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述聚合材料包括有機(jī)硅聚合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述聚合材料包括聚酰亞胺。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述干耦合物不包括磁體、真空、粘結(jié)劑以及液體耦合劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述超聲波傳感器包括零度厚度構(gòu)造、斜束構(gòu)造或者衍射時差構(gòu)造。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括在至少一個超聲波傳感器與所述干耦合物的接觸表面之間的剛性材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述剛性材料包括楔形件。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述剛性材料包括聚(甲基丙烯酸甲酯)。
16.一種測試材料的方法，所述方法包括使干耦合物適配于測試材料；將所述干耦合物固定至所述測試材料；相對于所述干耦合物設(shè)置超聲波傳感器的線性陣列；以及利用所述線性陣列、經(jīng)由所述聲波傳輸干耦合物來測量或檢測所述測試材料的至少一種性質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，固定所述線性陣列包括在無磁體、真空、粘結(jié)劑或者液體耦合劑的情況下，使所述線性陣列與所述測試材料以超聲波方式耦合。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，將所述干耦合物固定至所述測試材料包括將所述線性陣列永久性地附連至所述測試材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括利用聲波傳輸處理來準(zhǔn)備所述測試材料的表
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述聲波傳輸處理包括涂料或帶子。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述測量包括由檢測壁損耗和檢測裂紋組成的組中的一個。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述測量包括由零度厚度操作、斜束操作以及衍射時差操作組成的組中的一個。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述測量包括將信號從第二大致平行的線性陣列發(fā)射至所述線性陣列。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述從所述第二大致平行的線性陣列的發(fā)射從單個細(xì)長的發(fā)射傳感器發(fā)送與每個所述超聲波換能器相對應(yīng)的信號。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述固定所述干耦合物持續(xù)至少6個月而不需要重新固定或重新定位。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述固定所述干耦合物持續(xù)至少3年而不需要重新固定或重新定位。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述適配包括將形狀保持性質(zhì)賦予所述干耦合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于檢查管路、加工設(shè)備等等的永久性超聲波柔性干耦合的線性陣列。所述永久性超聲波柔性干耦合的線性陣列檢測和/或測量腐蝕壁失效、應(yīng)力腐蝕裂紋和/或從內(nèi)部開始的管路裂紋。用于以超聲波方式測試材料的所述裝置包括超聲波傳感器的線性陣列，以及環(huán)繞每個超聲波傳感器的至少一部分的能傳輸聲波的柔性干耦合物。
文檔編號G10K11/00GK102356311SQ201080012379
公開日2012年2月15日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者加里·N·朗格盧瓦, 約翰·J·尼霍爾特 申請人:Bp北美公司