超声相控阵检测

超声相控阵检测（精选7篇）

超声相控阵检测 篇1

0 引言

我国的特种设备数量随着经济的发展而快速增加。特种设备常在高压高温等工况下使用,在运行中容易产生裂纹、孔洞等形式的缺陷,造成特种设备的失效,引发泄漏、爆炸等事故。特种设备安全事故的发生不仅会带来巨大的经济损失,更会危及人员生命安全,因此保障特种设备安全显得尤为重要[1,2]。

在特种设备检测中,常规超声检测效率低,且对于复杂结构的特种设备检测困难[3]。超声相控阵通过延迟法则和计算机技术控制声束的偏转和聚焦,实现对工件快速、精准的检测[4]。超声相控阵检测技术在一定程度上克服了结构带来的影响,并能通过聚焦声束提高检测区域的超声能量[5],因此超声相控阵检测技术在特种设备检测中具有广阔的应用前景。

1 超声相控阵点聚焦声场的数值仿真

仿真中计算探头辐射声场时将声源表面离散成点声源,利用Pencil法计算介质中的声场。声波传播过程中遇到缺陷或边界时,采用基尔霍夫近似理论和几何衍射法(GTD)来处理[6,7]。

模拟仿真超声相控阵激励32 阵元时产生的点聚焦声场。模拟的工件材料为碳钢,试块厚度为25mm,纵波声速5900m/s,横波声速为3239m/s。激励的信号频率为5MHz,采用hanning窗调制,实验中相控阵探头参数设置如表1 所示。

设置声束中心轴线偏转角度为30°,焦点位于轴线上距离试块上表面25mm,20mm和5mm处。模拟结果如图1 所示。

实验结果表明,声场能量在相应的位置聚焦,当聚焦于5mm处时,声能高度集中,焦点小,检测分辨率高。随着焦点深度的增加,聚焦效果下降,声能逐渐发散,当聚焦于20mm处,声场为长梭形,此时检测分辨率较低,测量误差增大。

2 超声相控阵定量精度

模拟仿真超声相控阵声束偏转30°时检测测量长度为10mm的裂纹,仿真实验模型如图2 所示。在仿真试验中,假定裂纹为0°时,裂纹垂直底面,裂纹偏向探头初始位置一侧时角度为正,反之为负。底面开口裂纹偏转角度从-85°~85°,步进为10°。当裂纹偏转不同角度时,聚焦声束的检测测量能力不同,计算裂纹长度结果如图3 所示。

通过对测量结果分析,裂纹偏转角度在-80°~80°之间,误差在0.3mm左右;在-20°~60°时,测量十分精确,误差在0.1mm之内。偏转角度大于80°时,测量误差急剧增大,测量不精确。

3 相控阵点聚焦检测分辨率模拟

3.1 超声相控阵点聚焦模拟

模拟仿真超声相控阵点聚焦检测时,声束与模拟缺陷不同夹角下的分辨率。模拟缺陷为一裂纹,偏角角度从-40°~80°,步进为10°。声束中心轴线偏转角度为30°和40°,聚焦深度为20mm,工件厚度为25mm,模拟结果如图4 所示。

3.2 自然缺陷测量

实验中设计制作焊趾裂纹模拟试块,焊缝为单面V型坡口焊缝,试块厚度为10mm,并在模拟试块中预埋一长度为3 mm的焊趾裂纹。采用相控阵点聚焦测量其高度为3.3 mm,TOFD法测量结果为3.2mm。在自然裂纹的检测测量实验中,超声相控阵点聚焦测量精度达到TOFD测量精度。实验结果说明,超声相控阵点聚焦检测能精确测量缺陷尺寸,实验结果与模拟实验结果基本吻合。

4 实验结论

通过实验结果分析可知:

(1)当入射波束与缺陷面夹角为60°~90°时,缺陷的上下端点能有效地区分出来,测量值误差减小;当夹角大于90°时,测量误差增大,这是因为探头接收的缺陷反射波能量逐渐减弱。

(2)超声相控阵声束与缺陷垂直时,测量精度高;检测声束与缺陷约接近平行,检测测量能力降低。因此在检测过程中应辅助扇扫模式,并尽可能进行双面检测。

(3)最小分辨长度值呈抛物线形式,当声束与缺陷约接近垂直时,检测分辨率约高。

(4)声束偏转30°时整体测量误差要小于声束偏转40°时的测量误差。因此在测量时,声束偏转角度尽可能小。

超声相控阵点聚焦模式测量精度高,能实现对缺陷的精确测量。通过超声相控阵点聚焦检测的模拟仿真实验,给出声束中心轴线偏转角度以及其与缺陷的夹角对缺陷测量精度的影响,对实际检测过程中点聚焦声束偏转角度的选取提供指导和参考。

摘要：超声相控阵点聚焦能将超声能量聚焦于被检区域,同时也会加大测量误差。文章通过模拟超声相控阵声束偏转30°、45°和60°时的声场,确定超声相控阵的能量分布状况。在此基础上,采用超声相控阵点聚焦模式对不同偏转方向上的缺陷进行了检测模拟,得到超声相控阵在点聚焦模式下缺陷偏转方向对其测量精度的影响。实验结论对超声相控阵检测具有一定的指导意义。

关键词：超声相控阵检测,点聚焦,声场模拟,测量精度

参考文献

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超声相控阵检测 篇2

汽轮机中要求最高、工作量最大的部件是汽轮机转子,转子上需装数以千计的各式各样大小叶片,每一个叶片的叶根在高温、高压、高速运转中,承受着数十吨甚至数百吨的离心力、弯力和扭力,这使得转子在高速旋转的过程可能导致叶片叶根裂纹的产生,从而影响到转子的安全运行,我国电站大型汽轮机装机规模近10年来连续迅速增加,600 MW及以上容量机组已成为主力机组,叶片工作参数越来越高,安全可靠性愈显重要。即使叶片发生轻微的损伤,所引起的汽轮机安全可靠性的降低也是不容忽视的[1]。

在役过程中,现有常规无损检测方法:磁粉检测、涡流检测只能检测根部端面2 mm左右纵深的区域;渗透检测只能检测根部端面开口型缺陷;叶根沿转子轴向厚度太大,射线检测也无法进行;传统超声检测灵敏度达不到要求,无法实现检测区域的全覆盖,并且各种反射信号从A形显示上难以辨别,且操作空间受限制,因此,开展叶片叶根超声相控阵检测技术的研究,对于提高汽轮机的维护质量,保障汽轮机运行可靠性具有重要的意义。

1 相控阵研究现状

超声相控阵技术源于雷达天线电磁波相控阵技术,最初被用于医疗领域[2],在20世纪60年代初期才被引入超声自动探伤领域中[3]。随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测,特别是在核工业与航空工业等领域[4]。近年来,超声相控阵检测与成像技术因其独特的优点已成为工业无损检测学科新的发展方向,新的研究热点。与传统超声检测技术相比,超声相控阵技术的优点有:采用电子方法控制声束聚焦、偏转和扫查,可以在不移动或少移动探头的情况下实现较大角度范围的快速的扫查,提高检测效率;具有良好的声束可达性,能对复杂几何形状的工件进行检测;通过优化控制焦点尺寸、焦区深度和声束方向,可使检测分辨力、信噪比和灵敏度等性能得到提高;相控阵技术能实现对缺陷的多种视图成像,检测结果直观,便于对缺陷的识别与判定。因此,超声相控阵检测技术已成为现代无损检测中一项令人瞩目的新技术[5]。

2 叶根型式及重点检测位置

枞树型叶根和轮缘的轴向断口设计成尖劈形,以适应根部的载荷分布,使叶根和对应的轮缘承载面都接近于等强度,对于尺寸相同的叶根与轮缘,采用枞树型叶根承载能力最高[6]。但是这种叶根外形复杂,装配面多,加工工艺复杂,加工精度要求高,过去只用在部分机组末几级长叶片上。随着单机容量的增大,目前该种叶根已广泛应用于大型机组的中低压缸各级(见图1)。因此,本文主要介绍现有大容量机组低压转子枞树型叶根超声相控阵检测技术。

枞树型叶根在各齿根位置截面变小。枞树型叶根的各项应力在齿根处变大[7],通常在第一或第二齿根处达到极大值,且应力由内向外逐渐增大。在长期使用过程中,负荷、温度、应力、汽水品质的变化等从疲劳和应力腐蚀上影响着叶片根部的安全运行,相比较而言,第一齿根的危害性更大。

3 超声相控阵检测技术

在役不拆卸状态下转子叶片与叶片之间间距狭小,超声检测时操作空间极其有限,叶根结构复杂,超声检测时随着探头的移动截面尺寸变化大,信号识别困难,叶片与叶片之间间距狭小,超声检测时操作空间极其有限,检测时所需的声波角度范围大,有几十度的角度范围,使用常规超声检测需要更换几十个探头,劳动强度大,基本无法实现正常检测,探头在不同的检测位置其检测面与齿根易产生缺陷部位的夹角不同,使得相同尺寸的缺陷,回波幅值不一样,检测时灵敏度设置复杂,传统超声检测很难对缺陷进行准确定量。

3.1 检测探头

阵列探头是超声相控阵系统重要部件之一。针对不同的部件,不同的检测目的,需要设计不同参数、形式的相控阵阵列探头。工业无损检测应用最为广泛的阵列探头为一维线性阵列探头,线阵探头检测数据处理简便,对仪器硬件要求相对低于面阵探头,易于现场便携式使用[8]。

对于薄壁工件可以选择更高的频率。频率越大,图像的分辨率越高。根据叶根检测的特点选取频率为5 MHz。阵元数的增加,可以使声束指向性更好。阵元数越多,主瓣宽度越小,旁瓣幅值也会变小[9]。在N≥8的情况下,阵元数对旁瓣幅值的影响越来越小。随着阵元数的增加,探头尺寸相对也会增加。综合考虑选取N=16,既能满足声束的良好指向性,又能减小探头尺寸。增加阵元间距d,声束的指向性会更好。d的增加,会使主瓣宽度变小。但是,d取值过大,会带入栅瓣。所以可以在不带入栅瓣的情况下,取较大的d值。在N取值确定的情况下选择d=0.4 mm。阵元宽度是对指向性影响最小的一个参数。增大a可以增大在控制方向上的声压,获得更好的性噪比。适当增大a值,也会使旁瓣变小,但是变小的范围很有限,选择a=0.45。探头参数见表1。

3.2 试块设计

相控阵探头各个阵元按照聚焦法则进行激发叠加成相应的主声束[10],但由于各阵元之间存在一定的声学性能差异,同时各阵元声波到达焦点的声程不同,产生的衰减也不同,这些都将导致不同位置的主声束灵敏度存在一定的差异,给缺陷探测和定量带来困难。因此需要使用试块对其进行校准,使各个声束在同一深度位置具有相同的灵敏度。

根据叶根检测的深度要求,将灵敏度校准和TCG曲线制作时的试块合二为一,设计YG-1试块,试块实物图如图2所示。试块可采用材质均匀、晶粒度高于等于7级的20号钢锻件制作,或采用与被检工件声学性能相同或相近似的材料制成。图中各尺寸精度为±0.05 mm,表面粗糙度小于等于Ra3.2。

3.3 检测信号

在叶片叶根的内弧第一个凹槽处电火花加工长×深×宽分别为10 mm×1.0 mm×0.4 mm,10 mm×2.0 mm×0.4 mm的人工槽,如图3所示,扫查剖面图如图4所示,超声相控阵人工检测信号如图5~图13所示。

3.4 裂纹波的判断

在叶片叶根的进汽侧的第一个凹槽有人工槽时,显示屏上叶根底波前,凹槽端角第一个反射波后会出现裂纹波,且裂纹波当量远大于第一个反射波当量,同时第二个凹槽端角反射波明显下降或消失。当叶根无人工槽时,第一个凹槽端角反射波及第二个凹槽端角反射波噪声较低,且不会出现裂纹波。

4 结 论

针对汽轮机低压转子叶片叶根开发超声相控阵检测技术能够较好地分辨叶根试块上的人工缺陷,实现了对第一齿根的全覆盖检测,使大容量机组枞树型叶根的超声检测难题得以解决,并为其他形式的叶根检测提供了有利的参考,为电厂、电网的安全稳定运行提供保障。

参考文献

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[9]陈雪莲,乔文孝,孙建孟,等.相控线阵声波测井辐射器指向性影响因素研究[D].东营:中国石油大学,2000.

超声相控阵检测 篇3

近年来,随着超声相控阵检测技术在各行各业中的逐步推广,相控阵的优越性也越来越被体现出来。超声相控阵技术主要通过控制多个晶片发射的发射时序,灵活地控制超声波束的扫查角度和聚焦区域,这既提高了检测效率,又提高了检测灵敏度和分辨力,同时增强了检测的实时性和直观性[1,2]。

在电力行业中GIS直线导体是高压变电站常用的装置,近年来国家电网及南方电网相继发生多起有关该导体焊缝开裂失效事故,但由于电网金属技术监督起步较晚,目前针对该部件的相关技术监督也未出台,加上该装置结构较为复杂,焊缝厚度薄,使用常规超声检查,螺纹波、焊缝边缘波、缺陷波等回波会同时出现在较小的显示范围内,难以分清辨认。此外由于工件的长度较长,且时常是处于户外,使用射线检测极为不便,且射线辐射对人体伤害较大。而涡流检测和电磁检测,一般仅可发现工件表面或近表面的缺陷,对内部缺陷很难检出[3,4]。故本文以某变电站220 k V电缆接入110k V GIS直线导体的检测为检测对象(见图1),分析相控阵技术在这一类型工件检测中的可行性,以期为该类似部件的无损检测规范提供一定的参考价值。

1 超声相控阵检测技术的概述

超声相控阵的原理是基于惠更斯原理:波动场的任何一个波阵面等同于一个次级波源,次级波场可以通过该波阵面上各点产生的球面子波叠加干涉计算得到。相控阵换能器由多个相互独立、可独立控制的压电晶片组成阵列,由相控阵仪器进行电气上的计算和控制,按一定的规则和时序激发换能器晶片发射超声波,见图1。在传声介质上的某点,当各列波波前同时到达时,便在该点形成波峰的叠加,达到能量的聚集,从而更有效的检查出介质的不连续性,提高检测性能[5]。

2 检测方案分析

2.1 工件结构分析

检测的目标工件是220 k V电缆接入110 k V GIS直线导体的周向环焊缝。其结构如图2。该直线导体由取付台和直线螺纹铝管焊接而成,检测区域为周向对接环焊缝。其中取付台材质为A2017铝合金,螺纹铝管材质为6063铝合金。对接环焊缝表面光滑,与两侧铝管表面平滑过渡。焊接坡口为外周向单面V型,采用氩弧焊焊接工艺。取付台圆管外径尺寸约57 mm,螺纹面深度约8 mm,焊缝坡口深度约6 mm。直线螺纹铝管在焊缝区域附近为锥形圆周面,最细处直径57 mm,最粗处直径66 mm,锥形面长度30 mm。

2.2 探头、楔块和仪器的选择

2.2.1 探头的选择

由于工件管径尺寸小,焊缝坡口厚度仅为6mm,同时焊接区域比较薄并且连着螺纹,由工件的结构分析可知二次波不可扫描到焊缝,只能使用一次波进行检测。因而需选择灵敏度高、声束收敛的相控阵探头,以提高小缺陷的检测能力和减小杂波信号。

本文选用的探头型号是:特制小径管探头10S16-0.5*10,如图3所示。为增强探头在XOZ轴面上的聚焦性能,加工时专门将探头晶片沿X轴上加工成一个直径为70 mm的弧形,该模型兼具了曲面晶片形成的机械聚焦和晶片矩阵排列形成的电子聚焦。

2.2.2 楔块的选择

对于小型管材或棒材的相控阵检测,一般使用弧形楔块或者是水浸法检测,使用弧形楔块时,是指将楔块底面加工一个直径与管材、棒材直径一致的弧形;使用水浸法时,一般无需外加楔块,直接通过水耦合。对工件220 k V电缆接入110 k V GIS直线导体的检测区域外径最粗处为66 mm,属小径管范畴;并且由于工件的长度较长,且时常是处于户外,应选用直接接触法。

由于焊缝导管一侧有一长度为30 mm的锥形面,最细处直径57 mm,最粗处直径66mm,可将探头放置于锥面上检测,并将楔块底面加工较适于耦合锥面的弧形,现选择弧形直径为60 mm,以确保耦合良好。并且由于声束角度要求较大,楔块角度也做到了39°。将这一侧探头正装于楔块上。如图4所示。

而在取付台一侧为外径57 mm的管,故直接将楔块底面加工为直径57 mm的弧形,但由于取付台一侧尺寸不够放入探头正装时的长度,故此时需将探头反装。如图5所示。然由于需要将楔块向前推动以覆盖焊缝近表面区域,楔块弧形将不适合锥面的耦合,故在楔块前端加工一个长度为8 mm的锥形。此时探头亦反装于楔块上。如图6所示。本文选用的楔块型号是:S D 1 0-N 6 0 S-A O D 6 0、S D 1 0-N 6 0 S-A O D 5 7、SD10-N60S-AOD57(1)。

2.2.3 仪器选择

由于工件检测区域较薄,要求仪器有较好的信噪比、采样频率和分辨力。探头型号为10S16-0.5*10,就要求仪器收发通道数大于或等于16个,实测接收带宽至少大于或等于5MHz~20 MHz,并且能自由设置聚焦法则,其扫描角度范围能达到30°~80°以上。

2.3 扫查方式以及结果分析

根据工件特点选择单面双侧手动扫查。

方案一:探头置于直线螺纹管锥形面一侧探测,见图8。

检测用探头选择10S16-0.5*10,楔块使用SD10-N60S-AOD60,且组合方式为正装。

聚焦法则设置选项中扫查类型为扇扫,扫查角度40°~75°,步进设为0.5°/stept,聚焦深度定为5 mm,阵元数选择16,起始阵元为1。

设置好仪器参数后,进行常规检测前的校准,包括声速、延时、灵敏度等程序。然后进行扫查工作。

图8为该扫查结果截图。由以上检测结果可见,在深度距离管表面4.1 mm处、水平距离楔块前端0.1 mm处,有一缺陷波。找到最高波后前后平行移动探头,测量到有一长度为11.2mm的细小裂纹。在深度7 mm处有一组密集回波,其随着探头移动一直存在,根据工件结构判定为螺纹回波。此方案的不足之处是对焊缝顶端的2 mm有检测盲区。

方案二:探头置于取付台一侧检测,见图10。

检测用探头选择同方案一,楔块选择SD10-N60S-AOD57,且组合方式为反装。

聚焦法则设置同方案一,设置好仪器参数后,同样进行常规检测前的校准,包括声速、延时、灵敏度等程序,然后进行扫查工作。

采用上述检测方式得到的检测结果见图10,发现焊缝中心有两个不连续的缺陷回波,分别在深度距离管表面5 mm和2.8 mm处、水平距离楔块前端1.2 mm和1.4 mm处。显示在深度7 mm处有一会波,判断为焊缝根部回波。在深度8~9 mm处的回波,判断为螺纹面折射的二次波。同样,该方案对焊缝顶端的2 mm区域仍有检测盲区。

方案三:楔块耦合到焊缝顶部检测,见图12。

为解决方案一、二的检测盲区问题,根据导体环焊缝表面光滑这一特点,使用将楔块耦合到焊缝顶部的方法进行检测。

探头选择同方案一;楔块选择SD10-N60S-AOD57(1),且组合设置为反装。

聚焦法则设置选项中扫查类型为扇扫,扫查角度30°~75°,步进设为0.5°/stept,聚焦深度定为5 mm,阵元数选择8,起始阵元为9。探头需要稍微前后移动方能将近表面的盲区检测完全。

由上检测结方式得到的检测结果见图12,在焊缝近表面深0.7 mm处有一缺陷,水平距离楔块前端-11.4 mm。为将焊缝近表面2 mm左右的盲区覆盖全,需将探头稍微前后移动扫查。

综合以上三个方案,结合各个方案的特点综合以上三个方案,结合各个方案的特点和检测覆盖区域,可将结构较为复杂的GIS直线导体周向环焊缝进行完整有效检测。本文采用的超声相控阵检测技术克服了常规超声波检测时缺陷时的近场区大、分辨力低的劣势,并且非常直观明了的显示检测结果和提供完整的检测数据。

3 结束语

1)通过设计特定的相控阵探头和斜楔,采用以上三个方案的扫查方式,可将结构较为复杂的GIS直线导体周向环焊缝进行完整有效检测。

2)超声相控阵操作灵活简便,较常规的超声波检测技术有着近场区小、分辨力高等优越性,对细小焊缝裂纹有较好的检测分辨力,能够对缺陷进行准确定位,并能记录下直观检测结果和完整的检测数据。

3)然使用超声相控阵检测目前尚无用于对缺陷进行定量的相关标准,本文所提方案也只限于发现缺陷和对缺陷精确定位。若要定量,还需进一步做一系列对比试块和对比试验,以获取足够的经验值,给出定量标准。

参考文献

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超声相控阵检测 篇4

随着计算机及数字信号处理技术的飞速发展, 相控阵超声检测成像技术逐步应用于航天航空、核电、机械制造等相关工业领域。在承压类特种设备安全检验中, 相控阵超声检测技术的应用也逐步被广泛接受和认可[1]。

声束偏转及扇形扫描 (S扫描) 几乎成为相控阵超声区别与常规超声技术的最重要特征, 在实际检测中广泛使用。声束偏转性能对于超声相控阵检测技术的可靠性有着至关重要的影响。因此, 对超声相控阵声束偏转能力进行测试, 分析及研究就显得尤为重要。美国材料试验协会 (ASTM) 发布的超声相控阵检测系统性能评价标准指导手册 (ASTM E2491-2008) , 是目前针对超声相控阵系统性能测试分析最为先进的指导手册之一, 同时被ASME标准引用。该手册包含了相控阵声束偏转测试试验方法的相关内容。在借鉴该手册相关相控阵声束偏转测试试验方法的基础上, 分别运用CVIA仿真与实验的方法对比测试超声相控阵角度偏转能力, 分析与总结影响超声相控阵声束偏转能力的因素, 为超声相控阵实际检测中相关工艺参数的制定提供一定参考。

1超声相控阵角度偏转原理

相控阵声束角度偏转原理是由电子设备控制每个晶片的激发延时, 不同的延时使各个晶片扩散角范围内的不同角度声束相叠加, 形成不同角度的波前, 即实现了声束角度的偏转[2]。

相控阵的声束偏转极限 (即最大可偏转角度范围) 取决于单个晶片的声束扩散角度。以-6 d B计算矩形晶片的半扩散角, 则

式中:θ-6d B为垂直于主声束平面内比主声束声压降低6 d B的声束半扩散角度;λ 为工件中声束的波长;e为单个晶片宽度。

从理论上说, 相控阵探头直接接触法在钢中检测时可在[-θ-6d Bθ-6d B]范围内偏转, 若 θ-6d B=90° 即声束可在任何角度偏转。但实际上由于声程等其他因素, 相控阵实际可偏转角度要小于这一理论计算范围。相控阵声束角度的偏转原理如图1所示。

2测试实验方法与结果

2.1实验方法

实验设备:采用OLYMPUS公司的Omni Scan MX32:128便携式相控阵;探头参数:型号5L64, 频率5 MHz, 晶片间距为0.6 mm;实验试块:采用ASTM E2491-2008推荐的声程聚焦型声束偏转测试试块, 如图2所示;实验结果的表征参数:-6 d B可分辨角度范围, 即利用-6 d B法测量试块中小孔, 并统计所有可以分辨的小孔得到其所在角度的范围。

2.2实验结果与分析

频率5 MHz声束角度偏转能力的实验结果如图3、表1所示。

从表1可知, 激发晶片数量≤16个时, 无法分辨聚焦声程25 mm和50 mm小孔, 几乎没有可分辨的角度范围;从激发32晶片的结果看, 只在实际焦点声程附近的声束较好可分辨角度范围 (设置聚焦声程50 mm和200 mm时, 由于近场区对聚焦性能的限制, 其实际声程都在50 mm附近) , 偏离聚焦声程时则无法分辨。

3 CVIA仿真测试的方法与结果

3.1 CVIA仿真方法

仿真软件平台:由法国原子能机构开发的CVIA声学仿真系统;探头参数:分别设置频率为5 MHz、2.5 MHz和10 MHz, 分别设置晶片间距为0.6 mm、0.3 mm和1.0 mm;试块参数:在图2所示的试块基础上增加了R100的小孔 (孔径4 mm) ; 实验结果的表征参数:除-6 d B可分辨角度范围以外, 增加了-6 d B可偏转角度范围, 即最高反射回波下降6 d B孔的角度范围。

3.2仿真结果与分析

频率5 MHz声束角度偏转能力的CVIA仿真结果、测试结果如图4、表2所示。

注:R25、R50、R100分别表示试块声程处于25 mm、50 mm、 100 mm处的孔。

从表2可知, 此时近场区长度为81.6 mm, 在50 mm以内都有较好的聚焦效果。当设置聚焦声程为25 mm时, 聚焦效果显著, R25接近实际聚集声程声束窄, R25处可分辨角度范围大于R50处, 而可偏转角度范围小于R50处;当设置聚焦声程为50 mm, R50处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大, 而可偏转角度范围最小, R25距离实际聚焦声程太大、声束宽而不可分辨;当设置聚焦声程为100 mm时, R100和R50距离实际聚集声程差不多, 声束宽度接近, R100处可分辨角度范围与R50处相当, 而可偏转角度范围小于R50处;当设置聚焦声程为200 mm或无聚焦时, R100处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大, 而可偏转角度范围最小, R25、R50距离实际聚集声程较大、声束宽, 而不可分辨。

由设置频率5 MHz、晶片间距0.3 mm、激发32晶片角度偏转能力CIVA仿真测试结果可知, 此时均不可分辨, -6 d B可偏转角度大多为0~45°, 偏转角度范围变化不大。因此, 晶片间距0.3 mm, 激发32晶片时角度偏转效果不明显。

由设置频率5 MHz、晶片间距1.0 mm、激发32晶片角度偏转能力CIVA仿真测试结果可知, 此时均不可分辨, -6 d B可偏转角度大多为0~45°, 偏转角度范围变化不大。因此, 晶片间距1.0 mm, 激发32晶片时角度偏转效果不明显。

由设置频率2.5 MHz、晶片间距0.6 mm、激发32晶片角度偏转能力CIVA仿真测试结果可知, 当设置聚焦声程≥100 mm时, 声束聚焦效果较弱, 可偏转角度范围随着声程的增加而递减。当设置聚焦声程25 mm时, 由于声束聚焦较强, R25处可偏转角度范围反而>R50处;当设置聚焦声程为50 mm, 由于声束聚焦与声程的综合影响, R25处可偏转角度范围是:R25处>R100处>R50处。

由频率10 MHz、晶片间距0.6 mm、激发32晶片角度偏转能力CIVA仿真测试结果可知, 此时近场区长度为163.2 mm, 在100 mm以内都有较好的聚焦效果。当设置聚焦声程为25 mm时, 聚焦效果显著, R25接近实际聚集声程声束窄, R25处可分辨角度范围>R50处, 而可偏转角度范围<R50处。当设置聚焦声程为50 mm, R50处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大 (R50处>R100处>R25处) , 而可偏转角度范围最小 (R50处<R100处<R25处) 。当设置聚焦声程为100 mm时, R100处接近实际聚集声程声束窄, R100处可分辨角度范围>R50处, 而可偏转角度范围<R50处;当设置聚焦声程为200 mm, R100处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大, 而可偏转角度范围最小 (R100处<R50处<R25处) , R25处距离实际聚集深度太大、声束宽, 而不可分辨;当设置无聚焦时, R100处最接近实际聚集声程声束最窄, 其可分辨角度范围最大, 而可偏转角度范围最小, R25、R50处距离实际聚集声程较大、声束宽, 而不可分辨。

4结论

(1) 相控阵角度偏转能力CIVA仿真结果与实际试验结果基本一致, 并具有一致的规律性。

(2) 表征相控阵角度偏转能力的可分辨角度范围指标主要取决于声束宽度和单个晶片的扩散能力 (半扩散角) ;表征相控阵角度偏转能力的可偏转角度范围指标主要取决于声束宽度、单个晶片的扩散能力 (半扩散角) 以及声束声程。

(3) 聚焦效果越明显, 越接近实际聚焦声程, 声束宽度越窄, 可分辨角度范围越大, 可偏转角度范围越小;声束声程越大, 可偏转角度范围越小。

(4) 可将探头频率、激发晶片数量、设置聚焦声程等影响声束聚焦的因素归结于声束宽度对可分辨角度范围和可偏转角度范围的影响。

(5) 晶片间距不仅影响声束聚焦及声束宽度, 而且影响单个晶片的扩散能力。从声束聚焦及声束宽度方面看, 晶片间距增大, 声束聚焦越显著, 声束宽度越小, 可分辨角度范围越大;从单个晶片的扩散能力方面看, 晶片间距增大, 单个晶片声束扩散能力增强, 可分辨角度范围越小。为了得到更大的可分辨角度范围, 应采用尽量小的晶片间距和尽量大的激发晶片数量。

参考文献

[1]李衍, 薛飞展.承压设备焊缝超声相控阵检测读谱[J].无损检测, 2010, 32 (8) :567-570.

超声相控阵检测 篇5

关键词：汽轮机,叶根,超声波,探伤

1 引言

汽轮机叶片是汽轮机发电机组应力最高的部件之一。汽轮机的高转速 (3000r/min) 和叶片的自重使汽轮机末级叶片在运行期间承受巨大的离心力。末级叶片的叶根采用最现代的方法进行设计和计算, 使它们能适应这种高载荷。尤其是在瞬态承载条件下 (启停过程中) , 叶根和叶根槽的某些区域会承受高应力。在不利条件下, 汽轮机运行期间出现异常事件 (如丧失真空或超速) 可导致叶片损伤, 叶根高应力区可能会萌发裂纹, 并在随后的运行期间扩展。此外, 蒸汽纯度对汽轮机叶片也具有重要影响。如果蒸汽被氯化物所污染, 就会成为汽轮机叶片、叶根和叶根槽区域出现腐蚀疲劳的一个主要原因。

鉴于这些因素影响到汽轮机叶片的安全运行, 因此必须对其进行无损探伤, 以便及时检测出任何损伤并更换受损叶片。

2 汽轮机低压动叶叉形叶根的超声波检查

2.1 任务的提出

必须定期检查核电汽轮机低压叶片的叉形叶根上部锁孔区是否出现裂纹。这种叶根的可检查性主要受下列因素的影响:有无可达性;有无检测缺陷的最佳方向;叶根的几何特征。

我们知道:对于叉形叶根, 在某些条件下销孔区会出现初始裂纹。与枞树叶根 (其可能出现裂纹的方向已知) 相反。叉形叶根的检查很复杂, 因为其裂纹会沿着各种方向扩展, 从而对超声波的可检测性具有重大的影响。从前, 这种叶根检查主要采用传统的超声波探伤方法, 在裂纹的检测及其大小的估测方面具有相对较大的误差。

本文介绍的是能够检测叉形叶根的裂纹并估测其大小的相控阵超声波探伤方法的开发过程。该检查方法能够从±45°的角度范围内可靠检测汽轮机低压转子第4级和第5级叶片叉形叶根上部销孔内的初始裂纹, 并确定其尺寸。

2.2 相控阵超声波检查方法的开发

在研究了检查对象之后, 决定采用相控阵超声波检查来解决问题。利用模拟计算, 计算出超声波束的路径, 确定最佳扫查参数之后, 进行了实用测试。为适应具体检查任务, 需要制备大量标准试块, 这些试块具有汽轮机低压转子第4级和第5级叶根外侧叉的几何形状, 并在上部销孔区具有不同尺寸和方向的人为缺陷。为确保最有效的检查方法, 选择了具有64单元的相控阵探头, 能覆盖叶根的整个宽度。该相控阵探头的64个单元又划分为3个区, 以便能够检测所有可能方向的缺陷。64单元的探头基本上分为三个24单元相控阵。而整个顺序都由120帧图像组成, 顺次反映了120个焦点的情况。这些焦点沿着预期缺陷区域范围呈线状等距分布, 从而只需通过对探头的简单定位, 就可以用选定的检查方法扫查上部销孔的整个预期缺陷区。

2.3 利用标准试块对检查方法的验证

为每列叶片准备若干个标准试块。每个标准试块都是叶根一个外侧叉的精确复制品。采用电火花加工在每个标准试块内加工出一个人为缺口。在验证时需要准备约15个具有不同尺寸和方向的人工参考反射体标准试块。还应准备20枚具有实际裂纹的叶片, 用于进行对人为缺陷和自然裂纹反射情况的比较。

验证时应用一个64单元的相控阵线性探头, 采用两个楔块, 以便分别检测叶根外侧叉齿外端面区域和外侧叉内端区域的初始裂纹。这些楔块能形成扫查叶根外侧叉内外端所需的特定声光束入射角。所有这些按顺序的帧图像显示了B扫查状态。采用该检验方法, 只需要进行探头的一次定位就能对整个预期缺陷区域作出评定。

2.4 验证结果和结论

利用标准试场进行的测量证明:上述相控阵超声波检查方法适于对汽轮机低压转子第4和第5级叉形叶根高应力区进行现场检查, 用以检查初始裂纹。该检查方法已利用实际标准试块成功地得到验证。

3 结语

本文所介绍的先进检查方法的实例证明:应用针对性的检查方法可以使客户获得直接的收益。根据需要检查部件的结构 (例如组装式转子) , 可以设计出适应其结构特点的检查系统, 使这种检验不再受到限制。

超声相控阵检测 篇6

1.1 相控阵技术的原理

超声相控阵技术应用中多晶片探头对各晶片的激励 (振幅和延时) 均由计算机控制, 压电复合晶片受激励后能产生超声聚焦波束, 声束参数如角度、焦距和焦点尺寸等均可通过软件调整。扫描声束是聚焦的, 能以镜面反射方式检出不同方位的裂纹。这些裂纹可能随机分布在远离声束轴线的位置上。用普通单晶探头, 因移动范围和声束角度有限, 对方向不利的裂纹或远离声束轴线位置的裂纹很容易漏检。

1.2 相控阵技术的特点

1) 检测速度快。相控阵技术可进行电子扫描, 比通常的光栅扫描快一个数量等级。

2) 灵活性好。用一个相控阵探头, 就能涵盖多种应用, 不像普通超声探头应用单一有限。

(1) 电子配置:通过文件装载和校准就能进行配置, 通过预置文件就能完成不同参数调整。

(2) 探头小巧:对某些检测, 可接近性是拦路虎, 而对相控阵, 只需用一个小巧的阵列探头, 就能完成多个单探头分次往复扫查才能完成的检测任务。

2 车轮相控阵超声波检测

2.1 新制车轮的缺陷类型及分布情况

车轮通过锻造成型, 所以它具备了锻件的所有缺陷类型, 比如缩孔、缩松、夹杂、白点、偏析、裂纹等等, 这些缺陷在车辆行进中的交变载荷中都有可能扩展为危害性的缺陷。戚墅堰机车车辆研究所采用宏观、微观检验方法对三起高速列车车轮进行了失效分析。结果表明:制动引起的过热区、分金属夹杂物冶金缺陷、尖角部位的应力集中分别是车轮失效的主要原因。

由于缺陷的存在, 车轮在运用过程中就容易发生应力集中, 从而在应力集中区域扩展出裂纹。在以往的研究和分析中发现, 车轮疲劳源中经常存在脆性的非金属氧化物夹杂, 如Al2O3或6Al2O3·Ca O, 而这类夹杂物为脆性相, 在应力作用下, 会形成内部的疲劳裂纹, 并最终扩展到表面, 进而造成如掉块、辋裂、踏面剥离等失效形式, 严重的还有可能造成崩轮等重大事故。在超声波径向检测中时常见到的是踏面下15~35mm范围内有点状缺陷出现, 而此部位正是运用车轮受力最大的区域, 特别是踏面下30 mm存在的缺陷在运行过程中将会迅速扩展, 因此应采用超声波检测方法重点对该区域进行检测。

2.2 探头布置

根据缺陷分布的情况, 分别在内侧辋面及踏面各布置了一组相控阵探头, 分别进行轴向和径向扫查。两组相控阵探头各具128个独立单元, 探头频率5 MHz, 规格为120×16×30。一组相控阵探头有内侧辋面入射, 用于对轮辋内部轴向及周向缺陷的检测;另一组组相控阵探头由踏面入射, 用于轮辋内部周向及径向缺陷的检测。采用水浸法检测, 探头距离车轮的距离是45 mm, 有效避免了界面波的影响。

由于探头的覆盖长度大于车轮实际尺寸, 可以通过超声波检测软件来设置探头的起始激发单元及终了激发单元。并且通过设置使一部分单元用于激发形成普通纵波直探头的波束, 用于深度>10 mm范围轮辋区域的检测;一部分用于激发形成聚焦波束 (焦距为5 mm) , 用于检测10 mm深度范围内的轮辋区域的检测。

2.3 探伤操作

在检测软件中分别设置了界面波闸门、缺陷波闸门和底面回波闸门, 分别用于监测超声波的耦合状况、缺陷状况以及底面回波的衰减状况。所有闸门检测的结果最终都会在C扫描条形图中进行直观的显示。

检测灵敏度是通过检测具有不同深度的平底孔的样轮上的缺陷 (平底孔直径及深度由相关标准来确定) , 根据实测结果制作DAC曲线来确定的。在实际检测中, 为了防止缺陷的漏检, 需要在实测灵敏度的基础上, 提高6 d B作为扫查灵敏度。当发现缺陷后, 再以实测灵敏度进行评定。

通过对KKD样轮进行实际扫查, 可以得到下面的条状图, 如图1所示, 从上往下依次是辋面聚焦扫查的结果、踏面聚焦扫查结果、辋面普通扫查的结果和踏面普通扫查的结果, 而每类扫查从上到下依次为界面波的检测结果、缺陷波的检查结果以及底面回波的检查结果。从图1中可以直观地展现人工缺陷的分布情况及大致形状。

3 结语

通过实际检测样轮发现, 检测系统每次均能完全发现车轮内不同深度、大小的所有缺陷, 说明系统稳定性好, 并且缺陷检出能力比较高, 在以后的生产实践中一定能发挥巨大的作用。超声波相控阵技术具有许多优势, 可以预想, 在未来的无损检测领域, 其将会有更广阔的发展前景。

参考文献

[1]李衍.超声相控阵技术[J].无损探伤, 2007, 31 (4) :24-42.

[2]崔银会, 建平, 苏航, 等.高速列车车轮材料研究的综述[J].安徽冶金科技职业学院学报, 2005, 15 (2) :9-16.

超声相控阵检测 篇7

在当代电子技术领域, 相控阵天线所扮演的角色越来越重要, 它较传统的机械扫描天线具有更快的扫描速度和更高的指向精度, 在侦察、探测、雷达及电子对抗等方面都有较多的应用。宽角扫描的相控阵天线可以在很大的空域范围内实现快速扫描, 从而大大提高了电子侦察与探测的效率, 是近年来研究的热点。

对于大型的相控阵天线系统, 由于受天气以及地理环境变化等影响, 阵列各单元的幅相特性较最初的设计值会不断的变化, 这些变化使天线的扫描精度以及其它性能指标变差, 为了保证天线优良的性能, 实时检测各单元的幅相数据信息并进行自动调整已经成为天线设计中必须解决的问题。

本文提出了一种具有幅相检测功能的宽波束天线单元设计方法, 在常规印刷振子基础上进行改进, 实现了E面和H面两个面的宽波束性能, 并且在单元辐射臂上集成一个小的感应环, 通过检测小环上的电流来判定天线单元幅度和相位的变化情况, 为波控对幅度及相位的调整提供精确数据。

2 天线单元的设计与分析

印刷振子天线由于具有体积小、重量轻、制造成本低、易与后端射频电路进行集成等特点, 在相控阵天线阵列中应用较为广泛。本文采用伞形印刷振子作为辐射单元, 在振子辐射臂左右两侧各设计一个金属寄生杆, 用来调节E面的波束宽度, 天线的馈电方式为微带平衡巴伦馈电结构, 整个结构示意图如图1所示。

微波信号通过巴伦馈电, 从微带线耦合到振子贴片上, 再由振子臂辐射到自由空间, 因此天线的主要参数指标为振子臂的长度L, 宽度W, 耦合缝宽D, 缝的深度h, 伞形倾角θ, 馈电末端开路线的长度a, 宽度b, 以及金属寄生杆的长宽高和它到介质板边缘的距离m等。

在此, 利用高频仿真软件HFSS对天线进行仿真分析, 并对天线各参数尺寸进行了优化调整, 以达到较好的电性能指标, 经过一系列的仿真优化, 得到一组较理想的参数尺寸:

图2为天线驻波的仿真与测试曲线, 由图可以看出天线在所设计的频带范围内驻波均在1.3以下, 匹配情况良好。图3为天线三个频点E面和H面的方向图, 天线在两个面上的3d B波束宽度都超过了120°, 具有较好的宽波束特性。

3 单元天线的幅相检测设计

为检测单元天线的幅相信息, 在天线辐射臂对应位置引入一个小的感应环, 辐射臂上的电流源可以在小环上产生感应电流, 由于小环本身特性随环境变化影响较小, 其幅相特性主要由感应电流决定, 因此当辐射臂上电流源有变化, 也即是辐射单元幅相特性改变时, 可以通过检测小环上的幅相情况来判定。感应环采用同轴线进行馈电, 其两端通过失配电阻连接到同轴线的线芯以及接地端。

图4为天线辐射单元馈电口与小环检测口的耦合度, 从图中可以看到两者之间为弱耦合, 耦合度在-40d B以下, 这说明小环对天线单元本身的辐射特性几乎没有影响。图5是两者之间的相位关系, 第一个图为初始耦合相位, 第二个图是把单元天线的相位改变一定角度后两者的相位关系, 可见随着单元相位的改变小环的相位也发生了相同的变化, 这也验证了之前的分析。天线的实物样机照片由图6给出。

4 结论与展望

本文给出了一种具有幅相检测功能的宽波束天线单元设计, 通过仿真和样机实测结果验证了天线的电性能, 该天线在两个面都有超过120°的3d B波束宽度, 在单元上集成了一个小的感应环, 实际测量了天线单元与小环之间的耦合特性, 测试结果表明, 感应环上的幅相信息可以很好的反馈出单元天线的幅相变化。这种天线单元可应用于宽角度扫描的大型相控阵天线系统。

摘要：本文给出了一种L波段天线单元的设计, 该天线单元E面和H面的方向图3d B波束宽度都在120°以上, 同时在天线单元上设计了一个感应环, 通过测试感应环的电流可以检测出单元天线的幅相特性, 用于相控阵天线的幅相误差校正。利用HFSS高频设计软件对天线进行了仿真分析并加工出了天线样机, 仿真与实测结果相吻合且较符合设计要求。

关键词：相控阵宽波束幅相检测

参考文献

[1]束咸荣, 何炳发, 高铁.相控阵雷达天线[M].北京:国防工业出版社, 2007.

[2]郑学誉, 万长宁.宽带宽角扫描相控阵天线[J].电波科学学报, 1995.

[3]郑会利, 尹应增, 毛乃宏, 一种新的相控阵天线单元[J].电子学报, 1996.

[4]Edward B, Rees D.A broadband printed dipole with integrated balun[J].Microwave, 1987.-344.