圓柱形曲面工件相控聚焦超聲檢測的延時計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圓柱形曲面工件相控聚焦超聲檢測的延時計算方法，屬于超聲檢 測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 小徑管對接焊縫廣泛存在于石油、化工、供暖等各種大型鍋爐尤其是火電鍋爐中， 用作熱交換和物質(zhì)傳輸。如一臺1千兆瓦的鍋爐在安裝中約有焊縫8萬多道，而2014年我 國火力發(fā)電裝機容量約915. 7千兆瓦，小徑管對接焊縫數(shù)量巨大。若焊縫中存在未發(fā)現(xiàn)的 危害性缺陷，則易引起爆管，可能導致鍋爐非計劃停機，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會問題。 該類焊縫服役環(huán)境惡劣，因此對于檢測的可靠性和檢測效率要求極高，檢測難度大。尤其是 橫向缺陷，極易漏檢。橫向缺陷是指焊縫中缺陷的走向垂直于焊縫中心線和檢測面的缺陷， 最常見的橫向缺陷是橫向裂紋。
[0003]目前焊縫檢測常用的無損檢測技術(shù)包括射線、超聲、磁粉、滲透和渦流，其中只有 射線和超聲可以同時檢測小徑管對接焊縫表面和內(nèi)部缺陷。
[0004] 射線檢測是利用射線透過被檢物體時有缺陷部位與無缺陷部位對射線的吸收能 力不同，導致成像底片的亮度不同而檢測缺陷，一般采用單次透照的雙壁雙投影檢測方法。 它對裂紋、未熔合等危害性較大的面積型缺陷不敏感；檢測較厚工件時難以透照，檢測中有 盲區(qū)，易導致漏檢；還存在輻射、污染，效率低的不足。
[0005] 而目前常規(guī)的超聲檢測一般采用斜入射橫波（SV波）脈沖回波法單面雙側(cè)檢測， 通過手動來回移動探頭作鋸齒形掃查，觀察回波幅度和回波變化定位定量定性缺陷。該方 法檢測時，聲傳播方向與橫向缺陷共面，很難檢測出橫向缺陷，且采用自發(fā)自收方式，楔塊 前沿較大，難以檢測較薄的工件。另外，超聲衍射時差法的檢測盲區(qū)太大，甚至大于管子壁 厚，不適宜于檢測小徑管對接焊縫。最后，目前工業(yè)檢測中常用的相控陣超聲檢測技術(shù)采用 聚焦脈沖橫波回波法扇形掃描、電子掃描和多項掃描成像進行檢測，同樣存在常規(guī)超聲檢 測中遇到的問題一聲傳播方向與橫向缺陷共面，缺陷反射回波信號很弱，甚至淹沒于噪聲 信號之中，極易造成漏檢。采用二維相控陣超聲檢測技術(shù)進行檢測，探頭陣元數(shù)多，要求設(shè) 備通道數(shù)較多，檢測設(shè)備昂貴且不適宜于現(xiàn)場應(yīng)用。
[0006] 目前的橫向缺陷的超聲檢測只能檢測板對接焊縫的橫向缺陷。主要是采用常規(guī)超 聲單晶片探頭，布置于焊縫兩側(cè)，斜探頭與焊縫中心線所成角度不大于10°，作兩個方向的 斜平行掃查，如果焊縫余高磨平，探頭可以在焊縫及熱影響區(qū)上作兩個方向的平行掃查。但 斜平行掃查不能用于管對接焊縫，主要是由于楔塊-工件曲線引起聲束發(fā)散嚴重，使得檢 測聲場混亂，不能進行檢測。
[0007] 為了克服上述問題，開發(fā)了圓柱曲面工件的橫向缺陷檢測裝置，詳情參照專利 201510498212. 1，在使用該裝置檢測時，需要設(shè)置各陣元的延時，現(xiàn)有的方法不適用與該裝 置，而上述專利中沒有披露具體的計算方法，因而會導致延時設(shè)置不合理，不能形成有效的 檢測聲束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種圓柱形曲面工件相控聚焦超聲檢測的 延時計算方法。
[0009] 為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0010] 圓柱形曲面工件相控聚焦超聲檢測的延時計算方法，包括直射檢測時各陣元延時 計算方法和經(jīng)圓柱內(nèi)壁反射后聚焦檢測時各陣元延時計算方法；
[0011] 所述直射檢測時各陣元延時計算方法過程為：
[0012] A1)構(gòu)建缺陷檢測模型，沿探頭中心作橫切面；
[0013] A2)定義橫切面與管軸相交的點為原點0,建立極坐標系；
[0014] A3)楔塊斜面的后端點B所在的位置為B(RB，θB);楔塊下表面的后端點A所在的 位置為A(R。#，0)，R。#為管外徑；
[0015] A4)計算各陣元中心所在的位置；
[0016] 定義第i個陣元中心I所在的位置為I(民，ΘJ; 「00171
[0019] 其中，AI為A點到第i個陣元中心I之間的距離，BI為B點到第i個陣元中心I 之間的距離；
[0020]
[0021] H。為A點到B點之間的距離，α。為楔塊的傾斜角；
[0022] BI=ρX(i-1) +s〇
[0023] s。為B點到離其最近陣元中心的距離，ρ為陣元間距，即相鄰陣元中心間的距離，ρ =g+e，其中g(shù)為陣元間隙尺寸，e為陣元寬度；
[0024] A5)根據(jù)Snell定律，得到入射點位置的方程；
[0025] 定義第i個陣元激發(fā)的聲波的入射點D所在的位置為D(IU，ΘD);聲聚焦點P所 在的位置為P(RP，θρ);
[0026] 關(guān)于θη的方程為，
[0027]
[0028] 其中，cw為楔塊材料聲速，c3為管材料聲速；
[0029] A6)獲取入射點位置的取值范圍；
[0030] 用直線連接I與P，直線與圓弧相交的點為E，E所在的位置為Ε(Ι?_，ΘΕ)， 取值范圍在ΘjpΘE之間；
[0031] A7)根據(jù)入射點位置的取值范圍和方程，采用二分法數(shù)值計算，獲取入射點位置 值；
[0032] A8)根據(jù)入射點位置值獲取陣元的延時；第i個陣元的延時Δh為，
[0033] Δti=max(t)_ti+t0
[0034] 其中，
[0038] max(t)為h中的最大值；
[0039] t。為延時設(shè)置中的初始延時，為一固定常數(shù)；
[0040] 經(jīng)圓柱內(nèi)壁反射后聚焦檢測時各陣元延時計算方法：
[0041] B1)構(gòu)建缺陷檢測模型，沿探頭中心作橫切面；
[0042] B2)定義橫切面與管軸相交的點為原點0,建立極坐標系；
[0043] B3)楔塊斜面的后端點B所在的位置為B(RB，θB);楔塊下表面的后端點A所在的 位置為A0U，0)，IU等于管外徑；
[0044] B4)計算各陣元中心所在的位置；
[0045] 定義第i個陣元中心I所在的位置為I(民，ΘJ;
[0048] 其中，AI為A點到第i個陣元中心I之間的距離，BI為B點到第i個陣元中心I 之間的距離；
[0049] A!2 = Bl2 + HI+2BI ·sin
[0050] Η。為Α點到Β點之間的距離，α。為楔塊的傾斜角；
[0051] BI=ρX(i-1) +s〇
[0052] s。為B點到離其最近陣元中心的距離，ρ為陣元間距，即相鄰陣元中心間的距離，ρ =g+e，其中g(shù)為陣元間隙尺寸，e為陣元寬度；
[0053] B5)根據(jù)Snell定律和正余弦定理，得到入射點位置的方程；
[0054] 定義第i個陣元激發(fā)的聲波的入射點Η所在的位置為Η(Ι?_，θH);聲聚焦點P' 所在的位置為P0V，θp,);管內(nèi)壁反射點F所在的位置為F(Rin，ΘF)，Rin為管內(nèi)徑；
[0055] 關(guān)于ΘΗ的方程為，
[0058] Β6)獲取入射點位置的取值范圍；
[0059] 用直線連接I與Ρ，直線與圓弧相交的點為Κ，Κ所在的位置為!(〇?_，θκ)，θΗ 的取值范圍在Θθκ之間；
[0060] Β7)根據(jù)入射點位置的取值范圍和方程，采用二分法數(shù)值計算，獲取入射點位置 值；
[0061] Β8)根據(jù)入射點位置值獲取陣元的延時；
[0062] 第i個陣元的延時At'iS，
[0063] Δt';=max(t) ' _t'i+t0
[0064] 其中，
[0069] max(tV為C;中的最大值。
[0070] 本發(fā)明所達到的有益效果：本發(fā)明提出的延時計算方法計算的延時可以形成較好 的檢測聲束，能有效檢測外徑較小（一般小于159mm)的軸或管狀工件，包括小徑管對接焊 縫中的橫向缺陷，也可以用于該類工件中其它缺陷的補充檢測，輔助缺陷定性。
【附圖說明】
[0071] 圖1為圓柱曲面工件的橫向缺陷檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0072] 圖2為直射波檢測時的橫切面示意圖。
[0073] 圖3為局部放大圖。
[0074] 圖4為反射波檢測時的橫切面示意圖
【具體實施方式】
[0075] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0076] 如圖1所示，為圓柱曲面工件的橫向缺陷檢測裝置，可實現(xiàn)直射檢測和經(jīng)圓柱內(nèi) 壁反射后聚焦檢測，在一般情況下，遠離檢測面的區(qū)域，直射檢測即可滿足，另外由于缺陷 走向是多向的，當缺陷走向與直射波比較接近時，檢測缺陷比較困難，就需要使用經(jīng)圓柱內(nèi) 壁反射后聚焦檢測。
[0077] 圓柱形曲面工件相控聚焦超聲檢測的延時計算方法，包括直射檢測時各陣元延時 計算方法和經(jīng)圓柱內(nèi)壁反射后聚焦檢測時各陣元延時計算方法。
[0078] 直射檢測時各陣元延時計算方法過程為：
[0079] A1)構(gòu)建缺陷檢測模型，沿探頭中心作橫切面，具體如圖2和3所示。
[0080] A2)定義橫切面與管軸相交的點為原點0,建立極坐標系。
[0081] A3)楔塊斜面的后端點B所在的位置為B(Rb，θB);楔塊下表面的后端點A所在的 位置為Α(υ)，IU等于管外徑。
[0082] Α4)計算各陣元所在的位置。
[0083] 定義第i個陣元中心I所在的位置為I(民，ΘJ;
[0084] 在ΛABI中，定義A點到B點之間的距離AB=H。，ZABI=α。+jt/2,α。為楔塊 的傾斜角；
[0085] Β點到第