[发明专利]基于临界折射纵波法的管道轴向残余应力检测的环形阵列换能器

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种基于临界折射纵波法的管道轴向残余应力检测的环形阵列换能器。此装置可实现环形管道的在线检测，具有灵敏度高、使用高效方便等特点，特别适合一些大型输油管道的检测。

二、背景技术

随着世界石油工业的发展，管道输送量越来越大，输送压力也越来越高，故对输油管道强度的要求也相应提高了。螺旋焊缝是输油管道的薄弱部位，由于焊接过程中的约束和局部加热、冷却的收缩效应及金属组织的变化因素，使输油管必然产生残余应力。在输油管道投入使用后，所有螺旋焊缝都要经受输油管运输介质时所产生的种种运行应力、残余应力及迭加力的作用，当焊缝存有缺陷时，可加速裂纹迅速扩展，致使输油管道的承载能力、使用性能下降，特别是对油管的低温脆断有很大的影响。国内、外已有不少管段在水压试验和使役期间油管突然撕裂的事例，因此引起有关专家及工程技术人员的重视。为此测定输油管道的实际残余应力对减少事故发生是十分必要的。

传统的X射线法所测残余应力是表面10μm深度内的残余应力的平均值，而且产生辐射对人体有害。而钻孔法和切块分离法检测残余应力都属于有损检测，应变片制作粘贴繁琐，这使大型管道应力的在线检测受到极大的局限，因此，研究具有高灵敏度、可在线、高效地检测管道应力技术具有重要的现实意义。

临界折射纵波法检测应力是通过声时法测得应力值的，能够测量表面深度一个波长左右的平均应力值。但是对于大型长管道，这种检测方法效率太低。

而基于临界折射纵波法的管道轴向残余应力检测的环形阵列换能器，能够一次测量沿管道周向的多个点的轴向应力值，实现高效的应力在线检测。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种基于临界折射纵波法的管道轴向残余应力检测的环形阵列换能器。采用若干对换能器(根据不同管道半径而定)的一发一收模式，解决了大型环形管道的应力的高效检测问题。

本发明的目的是这样实现的：

通过精确计算第一临界角，使换能器与有机玻璃楔块接触切面成第一临界角装配。每个有机玻璃楔块采用小接触面积的一发一收模式，里面装配的两换能器严格保证间距固定不变的同时，沿周向阵列这样的一发一收模式若干对，再装配到固定软套里。软套的顶部对应的开若干对圆孔，便于将发射线和接收线引出。

本发明的优点在于：采用一条起固定作用的软套，软套里面沿管道圆周均布若干对换能器，并且使每对换能器在有机玻璃楔块里沿轴向的距离保持固定，这样可快速方便测量沿环形管道周向的轴向应力场分布。而且固定软套的一端安装有3排应力扣，另一端根据管道半径不同开不同距离的3排孔，这样可以根据不同半径的管道，将应力扣扣进不同距离的3排孔中，都能保证恒定的预紧力，继而使所有的有机玻璃楔块底部的凹台与管道能接触很好。

四、附图说明

图1压电换能器、有机玻璃楔块装配的截面图

1-环形管道 2-有机玻璃楔块 3-压电换能器(发射)

4-引线孔 5-固定螺钉 6-固定软套 7-压电换能器(接收)

图2固定软套三维图

图3换能器和有机玻璃楔块装配三维图

图4阵列换能器工作三维图

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

如图4所示环形阵列换能器主要包括固定软套、压电换能器、有机玻璃楔块、传输线、螺钉等几个部分。采用一条起固定作用的软套，软套内圈有若干个阶梯凹槽，将若干个已按第一临界角装配换能器的有机玻璃楔块通过螺钉装配到软套的阶梯凹槽中，再把整条软套环绕环形管道缠绕，用锁紧扣将固定软套扣在管道外壁，这样使若干对换能器可沿周向一一对应，且每个有机玻璃楔块能很好地与管道外壁相接触。

如图2所示的固定软套三维图，固定软套的一端有螺钉铆住一个锁紧扣，该锁紧扣的头部引出3排平行卡销，可绕锁紧扣头部的固定轴转动；固定软套的另一端对应的开一系列的3排孔，这样可根据不同管道半径，加一定的预紧力将3排卡销插入到不同的3排孔中，将固定软套很好地、紧贴管道外壁。

1、实际测量时，因为管道表面光洁度、粗糙度等影响，管道会有微小变形，会引起变形区耦合情况较差，导致声时测误差很大。如图3所示，在超声声束传播方向，有机玻璃楔块底部加工出一方形凹面，使凹面的曲率半径接近环形管道的曲率半径，而且凹面面积要略大于声束投影在底面的面积，这可在不影响超声声束能量的前提下减少楔块与板材接触面积，减小板材变形引起的误差。