一种用于小径管周向超声检测的曲面透声楔设计方法
技术领域
本发明属于火电厂无损检测领域，具体涉及一种用于小径管周向超声检测的曲面透声楔设计方法。
背景技术
电站锅炉用受热面管子等小径管是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管，然后经热轧、冷轧或冷拨制成。生产过程中，若质量控制不好，小径管母材一般容易产生纵向线性缺陷，此类缺陷的存在将会给锅炉的安全运行带来隐患，裂纹易在此萌生、扩展，直至受热面小径管泄漏造成非计划停运事故。小径管的纵向线性缺陷在制造厂可采用涡流、磁粉或渗透等表面检测方法进行检测，但对于在役锅炉的受热面小径管，因管排密集，管间间距较小，检测空间受限，涡流检测、磁粉或渗透检测均不便实施，存在检测盲区，易造成缺陷漏检。
目前，针对小径管的纵向线性缺陷，较普遍采用的方法是超声检测：利用超声检测仪激发超声探头中的晶片产生超声纵波，纵波通过透声楔块在检测界面发生波型转换，转换为横波、表面波、爬波等进入小径管内部，通过移动探头对小径管进行周向扫查，完成纵向线性缺陷的检测。由于小径管表面曲率较大，普通探头的平面透声楔在小径管外表面上的耦合接触理论上为一条线，耦合条件欠佳，晶片发射的声束大部分无法进入到工件，探头接触线的位置随机性较大，随检测时间、检测部位的变化而变化，人为影响因素也较大，因此有必要发明一种方法，对小径管周向超声检测时的透声楔进行设计，改善耦合条件，将检测时的线接触改为面接触，提高检测的稳定性和缺陷定位的准确率。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种用于小径管周向超声检测的曲面透声楔设计方法，该方法可以有效避免利用平面透声楔在检测小径管时存在的耦合欠佳、检测位置难以固定、人为误差大的问题，改善耦合条件，将检测时的线接触改为面接触，提高检测的稳定性和缺陷定位的准确率。
为达到上述目的，本发明所述的用于小径管周向超声检测的曲面透声楔设计方法包括以下步骤：
1)确定曲面透声楔所对应超声波探头本体的参数；
2)确定曲面透声楔与超声波探头本体的组合方式；
3)确定曲面透声楔的材料；
4)确定曲面透声楔的曲面半径；
5)确定曲面透声楔曲面顶点的位置；
6)判断超声波探头本体中方形晶片产生的超声波声束是否能够完全被曲面透声楔的曲面覆盖；
7)根据步骤6)的判断结果计算曲面透声楔相对于平面透声楔的超声波入射点的偏移量，完成用于小径管周向超声检测的曲面透声楔设计。
曲面透声楔所对应超声波探头本体的参数包括超声波探头本体中方形晶片的边长及超声波探头本体的入射角度；
曲面透声楔与所对应的超声波探头本体的组合方式为可拆卸式或一体内嵌式。
曲面透声楔的材料为机玻璃或高分子材料。
曲面透声楔的曲率半径应等于待检小径管外表面的曲率半径。
曲面透声楔曲面的顶点位于超声波探头本体中方形晶片入射声束的中心线上，曲面顶点为超声波探头本体的入射点，过曲面顶点的垂线与入射声束中心线的夹角为超声波探头本体的入射角。
超声波探头本体中方形晶片产生的超声波声束能够完全被曲面透声楔的曲面覆盖，其中，曲面透声楔曲面的临界半径r临为：
其中，a为超声波探头本体中方形晶片的边长，α为超声波探头本体声束的入射角；
当曲面透声楔的曲率半径r≥r临时，则超声波探头本体中方形晶片产生的超声波声束完全被曲面透声楔的曲面覆盖，否则，则不能被完全覆盖。
曲面透声楔相对于平面透声楔的超声波入射点的偏移量包括水平方向偏移量δ及深度方向偏移量d；
其中，当超声波声束能够完全被曲面透声楔的曲面覆盖时，则有
d＝δ·cot(α) (3)
当超声波声束无法完全被曲面透声楔的曲面覆盖时，则有：
δ＝d·tan(α) (5)
其中，a为超声波探头本体中方形晶片的边长，α为超声波探头本体声束的入射角，r为曲面透声楔曲面的曲率半径。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于小径管周向超声检测的曲面透声楔设计方法在具体操作时，通过判断超声波探头本体中方形晶片产生的超声波声束是否能够完全被曲面透声楔的曲面覆盖，并以此计算曲面透声楔相对于平面透声楔的超声波入射点的偏移量，检测时可精确追溯超声波的传输路径，提高缺陷定位的准确率，同时利用曲面透声楔替代传统的平面透声楔，避免利用平面透声楔在检测小径管时存在的耦合欠佳、检测位置难以固定、人为误差大的问题，改善耦合条件，将检测时的线接触改为面接触，进一步提高检测的准确性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为可拆卸式透声楔与超声波探头本体1的组合方式示意图；
图3为一体嵌入式透声楔与超声波探头本体1的组合方式示意图；
图4为超声波声束无法完全被曲面透声楔2的曲面覆盖时的示意图；
图5为曲面透声楔2相对于平面透声楔时超声波入射点的偏移示意图。
其中，1为超声波探头本体、2为曲面透声楔、3为紧固螺钉、4为方形晶片、5为待检小径管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的用于小径管周向超声检测的曲面透声楔设计方法包括以下步骤：
1)确定曲面透声楔2所对应超声波探头本体1的参数；
曲面透声楔2所对应超声波探头本体1的参数包括超声波探头本体1中方形晶片4的边长及超声波探头本体1的入射角度；
2)确定曲面透声楔2与超声波探头本体1的组合方式；
曲面透声楔2与所对应的超声波探头本体1的组合方式为可拆卸式或一体内嵌式，其中，可拆卸式组合方式中曲面透声楔2与超声波探头本体1通过紧固螺钉3连接，并在两者接触区域涂抹耦合剂，整体组成小径管周向检测探头，参考图2；一体内嵌式组合方式中曲面透声楔2与超声波探头本体1整体封装至探头保护壳中，不可拆卸，参考图3所示。
3)确定曲面透声楔2的材料；
曲面透声楔2的材料为机玻璃或高分子材料，所述有机玻璃中超声纵波的传播速度约为2700m/s，高分子材料中超声纵波的传播速度约为1400m/s。
4)确定曲面透声楔2的曲面半径；
曲面透声楔2的曲率半径应等于待检小径管5外表面的曲率半径。
5)确定曲面透声楔2曲面顶点的位置；
曲面透声楔2曲面的顶点位于超声波探头本体1中方形晶片4入射声束的中心线上，曲面顶点为超声波探头本体1的入射点，参考图4中的点A，图5中的点A2，过曲面顶点的垂线与入射声束中心线的夹角为超声波探头本体1的入射角，从参考图4及5中标识的入射角α。
6)判断超声波探头本体1中方形晶片4产生的超声波声束是否能够完全被曲面透声楔2的曲面覆盖；
尽量保证超声波探头本体1中方形晶片4产生的超声波声束能够完全被透声楔曲面覆盖，如因透曲面声楔的曲面半径较小无法完全覆盖超声波声束，应尽量将覆盖区域最大化。参考图4，为超声波声束未完全被曲面透声楔2的曲面覆盖；参考图5，为超声波声束完全被曲面透声楔2曲面覆盖的情况。
超声波探头本体1中方形晶片4产生的超声波声束能够完全被曲面透声楔2曲面覆盖，其中，曲面透声楔2曲面的临界半径r临为：
其中，a为超声波探头本体1中方形晶片4的边长，α为超声波探头本体1声束的入射角。
当曲面透声楔2的曲率半径r≥r临时，则超声波探头本体1中方形晶片4产生的超声波声束完全被曲面透声楔2的曲面覆盖，否则，则不能被完全覆盖。
例如：当晶片的边长a＝6mm，超声波探头本体1声束的入射角α＝64°时，可计算得r临＝29.64mm，即曲面半径大于等于29.64mm时，在设计的晶片和入射角度下，平行声束能够完全被曲面透声楔2的曲面覆盖，即能够完全被受检小径管覆盖。
7)根据步骤6)的判断结果计算曲面透声楔2相对于平面透声楔的超声波入射点的偏移量，完成用于小径管周向超声检测的曲面透声楔2设计。
入射点偏移量包括水平方向偏移量δ和深度方向偏移量d，参考图5，当透声楔为平面时，方形晶片4发射的超声波入射点为A1；当透声楔为半径为r的曲面时，方形晶片4发射的超声波入射点偏移至点A2，点A1与点A2的连线在曲面透声楔2底面水平部位的投影长度即为入射点水平方向偏移量δ，沿透声楔曲面径向的投影长度即为入射点深度方向偏移量d，具体可根据超声波探头本体1中方形晶片4产生的超声波声束能否完全被透声楔曲面覆盖，按下式进行计算：
当超声波声束能够完全被透声楔曲面覆盖时，则有：
d＝δ·cot(α) (3)
当超声波声束无法完全被透声楔曲面覆盖时，则有：
δ＝d·tan(α) (5)
其中，a为超声波探头本体1中方形晶片4的边长，α为超声波探头本体1声束的入射角，r为曲面透声楔2曲面的曲率半径。
例如：选取Φ45mm、Φ51mm和Φ63.5mm这3种典型规格的受热面小径管，则对应的透声楔曲率半径r分别为22.5mm、25.5mm和31.75mm，超声波探头本体1中方形晶片4的边长a为6mm，超声波探头本体1的入射角度α分别选择60°、62°、64°时，入射点水平方向偏移量δ、深度方向偏移量d以及超声波声束是否能被透声楔曲面完全覆盖的计算结果如表1所示。
表1
