一種用於相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法與流程
2023-04-25 16:32:31
本發明涉及無損檢測領域，具體涉及一種用於相控陣探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法。
背景技術：
相控陣超聲檢測技術是目前國內外無損檢測技術發展的新方向，新動力、是最先進的檢測技術之一。相控陣超聲技術是利用電子方式控制相控陣超聲探頭的聲束來實現超聲波發射、接收的方法。相控陣超聲探頭晶片是由多個小晶片構成，每個小晶片又稱為陣元。每個陣元能被獨立的激發，並施加不同的時間延遲，所有陣元發射的超聲波形成一個整體波陣面，能夠實現動態聚焦，並能有效地控制發射超聲束的形狀和方向。它為確定缺陷的形狀、大小和方向提供出比單個或多個常規超聲波探頭系統更大的能力。相控陣超聲檢測技術具有成像功能，檢測結果以圖像形式顯示，分為A掃描、B掃描、S掃描、E掃描及P掃描等，直觀易懂，存儲的數據具有動態回放功能，並且還能記錄掃查位置。這些功能是常規超聲檢測技術難以做到的。
相控陣超聲檢測技術已經在我國開始應用，例如在西氣東輸管道工程檢測管道環焊縫，在安徽六安和安慶火力發電廠檢測薄壁小徑管環焊縫，對汽輪機葉片根部和渦輪圓盤的檢測、火車輪軸檢測、核電站主泵隔熱板的檢測等等，有著巨大的應用空間，體現出相控陣超聲檢測的優越性。
相控陣超聲探頭中的楔塊在實際使用易磨損，造成缺陷定位偏差及影響扇形掃描角度偏轉範圍等。目前國外無損檢測標準沒有提到楔塊磨損的測試方法，國內標準中JB/T11731《無損檢測超聲相控陣探頭通用技術條件》有楔塊波束角的測試方法，就是楔塊角度的測試方法，相當於楔塊磨損有效性的測試，但是這種方法採用試塊進行測試的，僅在楔塊底面一個部位測量楔塊角度，對於未受磨損的楔塊採用這種方法是可行的，而現場檢測時楔塊是受到磨損的，並且整個楔塊底面都受到磨損，在楔塊底面不同部位受磨損的程度各不相同，所以僅測量楔塊底面一個部位是不合理的。另外JB/T11731標準中楔塊角度測試方法僅適用於平面楔塊，對於曲面楔塊不適用。
採用試塊法測量相控陣探頭楔塊磨損的有效性，屬於實驗室的測試方法，試塊比較重，不便於現場攜帶，在檢測過程中使用此法不方便，不適用於現場檢測應用。
技術實現要素：
為了克服現有相控陣探頭楔塊波束角(即楔塊角度)的測試方法不足，本發明提出了一種用於相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法。該測試方法適用於現場檢測應用，能及時測試楔塊磨損的嚴重程度，為相控陣超聲技術應用提供保障措施。
本發明解決技術問題所採用的方案是：
一種用於相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法，採用相控陣超聲儀器激發相控陣探頭晶片中陣元(小晶片)產生超聲波入射到相控陣探頭楔塊底面產生的回波信號，通過測量回波信號的深度值或聲程值並計算出楔塊角度來判定楔塊磨損的嚴重程度，進而判定楔塊應用的有效性。
所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性測試步驟包括：
第一步 將被測試的相控陣探頭楔塊安裝在規格相同的相控陣探頭晶片上；
第二步 將安裝好的相控陣探頭與相控陣超聲儀器相連；
第三步 進行參數設置；
第四步 通過相控陣超聲儀器激發相控陣探頭中每個晶片，產生A掃描信號；
第五步 選擇某個晶片產生的A掃描信號，進行優化A掃描波形；
第六步 測試及評價
(1)激發每一個晶片，確認幅度最高的晶片序號；
(2)將幅度最高的晶片波高調整到大於滿屏高度的40％，此時的波高為基準波高；
(3)保持基準波高的靈敏度不變，測試每一個晶片的A掃描波形信號，並記錄該晶片距離楔塊底面的垂直距離hn或聲程值Sn，其中n為自然數；
(4)計算相控陣探頭的主動孔徑A：A＝(n-1)e+(n-1)g＝(n-1)p
其中，e為陣元的寬度，p為相鄰兩晶片(陣元)中心線之間的距離，g為相鄰兩晶片(陣元)之間的間隙，n為晶片數量；
(5)根據每個晶片對應的垂直距離或聲程值，計算Δh值或ΔS值；其中，Δh值為每個晶片對應的垂直距離差，ΔS值為每個晶片對應的聲程值差；
(6)計算楔塊磨損後的角度α：α＝Arcsin(Δh/A)或α＝Arctg(ΔS/A)，測試若干次取平均值；
(7)對楔塊磨損後的楔塊角度進行評價：當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差範圍控制在-2°～+2°，不必更換楔塊；當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差超出±2°時，應更換楔塊或對楔塊進行修磨。
所述相控陣超聲探頭楔塊為平面楔塊或曲面楔塊。
優選的，α角度應計算三個值，取其平均值為楔塊磨損後的角度，即：
(1)利用第一個晶片對應的距離值與最後一個晶片對應的距離值計算α1角度；
(2)將所有晶片平均分為兩段，分別利用前後兩段晶片對應的距離值計算α2和α3角度。
優選的，第三步所述參數設置包括：
(1)激發電壓選擇最低級別；
(2)工件厚度設置為最小值或稍大於楔塊的厚度；
(3)材料聲速設置為楔塊聲速；
(4)入射角選擇0度角或與晶片陣列垂直的角度；
(5)測量值選擇深度值或聲程值，測量方式選擇波峰點；
(6)激發晶片數選擇為1。
優選的，第五步所述A掃描波形通過調節濾波器及脈衝寬度優化。
優選的，第六步所述將幅度最高的晶片波高調整到滿屏高度的80％設置為基準波高。
本發明的積極效果在於：本發明方法操作簡單、實用，便於攜帶，無輻射，無汙染，在檢測過程中能及時測試楔塊磨損的嚴重程度，能馬上判定楔塊是否可繼續應用，能保證缺陷準確定位及扇形掃描角度偏轉範圍。
附圖說明
附圖1為本發明方法楔塊中每個晶片對應的距離值及楔塊角度示意圖；其中：A—主動孔徑，S—聲程值，h—深度值，α—楔塊角度；
附圖2為本發明方法所測試的相控陣探頭晶片結構示意圖；其中：e—晶片的寬度，p—相鄰兩晶片中心線之間的距離，g—相鄰兩晶片之間的間隙，W—晶片的長度，n—晶片數量；
附圖3為本發明方法所測試的相控陣探頭楔塊的示意圖；其中：W1—楔塊頂面寬度，W2-楔塊底面寬度，H1—楔塊前端高度，H2—楔塊後端高度，α—楔塊角度，offset(邊距)--第一個晶片距楔塊後端的距離。
具體實施方式
現有國內無損檢測標準中規定的相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試方法基本上都是實驗室方法，即需要的輔助器件試塊，不便於在檢測現場實際應用，所以本發明提出一種操作簡單、實用、便於在現場應用的相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法。
檢測方法
採用相控陣超聲儀器激發相控陣探頭晶片中陣元(小晶片)產生超聲波入射到相控陣探頭楔塊底面產生的回波信號，通過測量回波信號的深度值或聲程值並計算出楔塊角度來判定楔塊磨損的嚴重程度，進而判定楔塊應用的有效性。
實施例1：
實施例1是曲面楔塊，測試一個編號為7.5MHzS16-0.5×10W39/D60的相控陣探頭楔塊磨損有效性，該探頭具體參數是：楔塊的曲率半徑為30mm，楔塊的角度為39度。頻率為7.5MHz、晶片數(陣元數)n為16個晶片、相鄰兩陣元中心線間距p為0.5mm，陣元寬度e為0.4mm，相鄰兩陣元之間的間隙g為0.1mm，陣元的長度為10mm，晶片的曲率半徑為35mm。
所述的相控陣超聲儀器是採用具有扇形掃描和線性掃描功能的ISONIC-PA-2009相控陣超聲儀器；
所述的相控陣探頭是採用編號為7.5MHzS16-0.5×10W39/D60的探頭，即:
(1)晶片參數：頻率為7.5MHz、晶片數(陣元數)n為16、相鄰兩陣元中心線間距p為0.5mm、陣元的寬度e為0.4mm、相鄰兩陣元之間的間隙g為0.1mm，陣元的長度為10mm，晶片的曲率半徑為35mm。
(2)楔塊參數：楔塊的曲率半徑為30mm，楔塊角度(α)為39°，楔塊聲速為2337m/s，邊距(offset)為2mm，楔塊頂面寬度(W1)為8.11mm，楔塊底面寬度(W2)為18mm，楔塊前端高度(H1)為10mm，楔塊後端高度(H2)為2mm。
相控陣探頭晶片的選擇是採用規格相同且具有廠家合格證的相控陣探頭晶片。
所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性測試步驟包括：
第一步 將相控陣探頭晶片安裝在被測試的7.5MHzS16-0.5×10W39/D60相控陣探頭楔塊上；
第二步 將安裝好的相控陣探頭與相控陣超聲儀器相連；
第三步 進行參數設置
(1)激發電壓選擇最低級別，本實施例激發等級選擇為1；
(2)工件厚度設置為稍大於楔塊的厚度，即20mm；
(3)材料聲速設置為楔塊聲速，即為2337m/s；
(4)入射角選擇0度角與晶片陣列垂直的角度；
(5)測量值選擇深度值或聲程值，測量方式選擇波峰點；
(6)激發晶片數選擇為1，從第一個晶片開始激發。
第四步 通過相控陣超聲儀器激發相控陣探頭中每個晶片，產生A掃描信號；
第五步 選擇2#晶片產生的A掃描信號，將濾波器低頻設置為6.1MHz、濾波器高頻設置為9.1MHz及脈衝寬度設置為75ns等，進行優化A掃描波形，使A掃描信號達到最佳狀態；
第六步 開始測試
(1)先從第一個晶片開始激發，直到最後一個晶片，確認幅度最高的晶片序號為2#。
(2)將幅度最高的2#晶片波高調整到滿屏高度的80％，增益值為58dB，此時的波高為基準波高。
(3)保持基準波高的增益值(靈敏度)58dB不變，從第一個晶片開始激發，激發第一個晶片時會產生一個A掃描波形信號，將閘門移到A掃描信號上，此時從測量值中讀出「該晶片距離楔塊底面的垂直距離(h1)或聲程值(S1)」，記下第一個晶片對應的數值(h1或S1)；然後激發第二個晶片，同樣再記下第二個晶片對應的數值(h2或S2)；以此類推，直到激發最後一個晶片，記下最後一個晶片對應的數值(hn或Sn)為止，見圖1所示。
所述的根據測試結果計算楔塊磨損後的角度(α)，其特徵是：
(1)計算相控陣探頭主動孔徑A
A＝(n-1)e+(n-1)g＝(n-1)p
A1-16＝(16-1)×0.5＝7.5mm
A1-8＝(8-1)×0.5＝3.5mm
A9-16＝(8-1)×0.5＝3.5mm
(2)計算Δh＝hn–h，ΔS＝Sn-S1，採用深度值計算，即：
根據第1個晶片、第8個晶片、第9個晶片及第16個晶片對應的深度值，計算Δh值。
Δh1＝8.7-3.9＝4.8，Δh2＝5.9-3.9＝2，Δh3＝8.7-6.4＝2.3
(3)計算α
α＝Arcsin(Δh/A)
根據公式計算α。
α角度應計算三個值，取其平均值為楔塊磨損後的角度。即：
①第1個晶片對應的距離值與第16個晶片對應的距離值，計算的α1角度，即α1＝Arcsin(Δh1/A1-16)＝39.8°；
②第1個晶片對應的距離值與第8個晶片對應的距離值，計算的α2角度，即α2＝Arcsin(Δh2/A1-8)＝34.8°；
③第9個晶片對應的距離值與第16個晶片對應的距離值，計算的α3角度，即α3＝Arcsin(Δh3/A9-16)＝41.1°；
④取三個角度平均值，即α＝38.6°。
所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性的評價就是對楔塊磨損後的楔塊角度的判定：當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差範圍控制在-2°～+2°，不必更換楔塊；當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差超出±2°時，應更換楔塊或對楔塊進行修磨。
計算結果α＝38.6°，楔塊角度標稱值為39°，兩者相差0.4°，符合評價規律，不必更換楔塊。
實施例2：
實施例2是平面楔塊，測試一個編號為104379的相控陣探頭楔塊磨損有效性，該探頭具體參數是：楔塊的角度為36度。頻率為5MHz、晶片數(陣元數)n為32個晶片、相鄰兩晶片(陣元)中心線間距p為0.5mm，晶片(陣元)寬度e為0.4mm，相鄰兩晶片(陣元)之間的間隙g為0.1mm，晶片(陣元)的長度為10mm。
所述的相控陣超聲儀器是採用具有扇形掃描和線性掃描功能的ISONIC-PA-2009相控陣超聲儀器；
所述的相控陣探頭是採用編號為104379的相控陣探頭，即:
(1)晶片參數：頻率為5MHz、晶片數(陣元數)n為32個晶片、相鄰兩陣元中心線間距p為0.5mm，陣元的寬度e為0.4mm，相鄰兩陣元之間的間隙g為0.1mm，陣元的長度為10mm。
(2)楔塊參數：楔塊角度(α)為36°，楔塊聲速為2337m/s，邊距(offset)為2.77mm，楔塊頂面寬度(W1)為15.87mm，楔塊底面寬度(W2)為32.6mm，楔塊前端高度(H1)為18.5mm，楔塊後端高度(H2)為6.35mm。
相控陣探頭晶片的選擇是採用規格相同且具有廠家合格證的相控陣探頭晶片。
所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性測試步驟包括：
第一步 將相控陣探頭晶片安裝在被測試的104379編號的相控陣探頭楔塊上；
第二步 將安裝好的相控陣探頭與相控陣超聲儀器相連；
第三步 進行參數設置
(1)激發電壓選擇最低級別，本實施例激發等級選擇為1；
(2)工件厚度設置為稍大於楔塊的厚度，即30mm；
(3)材料聲速設置為楔塊聲速，即為2337m/s；
(4)入射角選擇0度角與晶片陣列垂直的角度；
(5)測量值選擇深度值或聲程值，測量方式選擇波峰點；
(6)激發晶片數選擇為1，從第一個晶片開始激發。
第四步 通過相控陣超聲儀器激發相控陣探頭中每個晶片，產生A掃描信號；
第五步 選擇1#晶片產生的A掃描信號，將濾波器低頻設置為1.9MHz、濾波器高頻設置為5.2MHz及脈衝寬度設置為125ns等，進行優化A掃描波形，使A掃描信號達到最佳狀態；
第六步 開始測試
(1)先從第一個晶片開始激發，直到最後一個晶片，確認幅度最高的晶片序號為1#。
(2)將幅度最高的1#晶片波高調整到滿屏高度的80％，增益值為30dB，此時的波高為基準波高。
(3)保持基準波高的增益值(靈敏度)30dB不變，從第一個晶片開始激發，激發第一個晶片時會產生一個A掃描波形信號，將閘門移到A掃描信號上，此時從測量值中讀出「該晶片距離楔塊底面的垂直距離(h1)或聲程值(S1)」，記下第一個晶片對應的數值(h1或S1)；然後激發第二個晶片，同樣再記下第二個晶片對應的數值(h2或S2)；以此類推，直到激發最後一個晶片，記下最後一個晶片對應的數值(hn或Sn)為止，見圖1所示。
所述的根據測試結果計算楔塊磨損後的角度α，其特徵是：
(1)計算相控陣探頭主動孔徑A
A＝(n-1)e+(n-1)g＝(n-1)p
A1-32＝(32-1)×0.5＝15.5mm
A1-16＝(16-1)×0.5＝7.5mm
A17-32＝(16-1)×0.5＝7.5mm
(2)計算Δh＝hn–h，ΔS＝Sn-S1，採用深度值計算，即：
根據第1個晶片、第16個晶片、第17個晶片及第32個晶片對應的深度值，計算Δh值。
Δh1＝16.9-8.2＝8.7，Δh2＝12.6-8.2＝4.4，Δh3＝16.9-13＝3.9
(3)計算α
α＝Arcsin(Δh/A)
根據公式計算α。
α角度應計算三個值，取其平均值為楔塊磨損後的角度。即：
①第1個晶片對應的距離值與第32個晶片對應的距離值，計算的α1角度，即α1＝Arcsin(Δh1/A1-32)＝34.1°；
②第1個晶片對應的距離值與第16個晶片對應的距離值，計算的α2角度，即α2＝Arcsin(Δh2/A1-16)＝35.9°；
③第17個晶片對應的距離值與第32個晶片對應的距離值，計算的α3角度，即α3＝Arcsin(Δh3/A17-32)＝31.3°；
④取三個角度平均值，即α＝33.8°。
所述的相控陣探頭楔塊磨損有效性的評價就是對楔塊磨損後的楔塊角度的判定：當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差範圍控制在-2°～+2°，不必更換楔塊；當實際測量的楔塊角度與楔塊標稱值偏差超出±2°時，應更換楔塊或對楔塊進行修磨。
計算結果α＝33.8°，楔塊角度標稱值為36°，兩者相差2.2°，符合評價規律，應更換楔塊或對楔塊進行修磨。
本發明相控陣超聲探頭楔塊磨損有效性的測試及評價方法的特點：
(1)本發明方法操作簡單、實用、便於現場應用；
(2)本發明方法不需要試塊輔助工具；
(3)本發明方法無輻射、無汙染；
(4)本發明方法及時測試楔塊磨損的嚴重程度，能馬上判定楔塊是否可繼續應用，能保證缺陷準確定位及扇形掃描角度偏轉範圍。
(5)本發明方法不僅適用於平面楔塊的相控陣探頭，也適用於曲面楔塊的相控陣探頭。
以上所述實施方式僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護範圍內。