[发明专利]一种内螺纹管超声波检测用探头

说明书

技术领域

本发明属于设备探伤检测设备技术领域，涉及一种内螺纹管超声波检测用探头，具体涉及一种纵波晶片和横波晶片相结合的探头。

背景技术

通过增强对汽水混合物的扰动，可以提高换热设备的传热系数和热效率。换热或冷却设备使用内螺纹管是提高传热系数的有效措施之一，现代高参数大容量火电机组锅炉水冷壁的高温区大都采用内螺纹管。内螺纹管内壁有凹凸的内螺纹，对内螺纹管对接焊缝进行超声波检测时，声束是否在螺纹上反射，反射波的声程不同，其影响与管子壁厚不均匀带来的影响相似，当使用一次反射波探伤时，会给缺陷的定位带来影响，水平距离影响可达2.5mm左右，尤其是对焊缝上部缺陷的检验带来影响。

如何克服内螺纹凸筋的影响，实现对内螺纹管焊缝的超声波检测是一个技术难题。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提供一种内螺纹管超声波检测用探头，通过纵横波晶片相结合，提高内螺纹管对接焊缝超声波声检测的准确性。

本发明内螺纹管超声波检测用探头，主要由探头晶片、外壳、楔块、阻尼块和电源线接口构成。探头晶片包括横波晶片和纵波晶片，横波晶片与横波电源接口连接，纵波晶片与纵波电源接口连接。阻尼块和楔块交界面为梯形结构，横波晶片为倾斜安装，安装位置位于梯形结构的斜面，纵波晶片为水平安装，安装位置位于梯形结构的下水平面上。横波晶片的安装角度α=sin^-1(C_T/C_w*sinβ)，其中 C_T为楔形材料的纵波波速，C_w为工件材料的横波波速，β为工件中的横波折射角。

横波晶片和纵波晶片为多晶体压电陶瓷－锆钛酸铅晶片。检验部件壁厚在4～8mm时，晶片的频率为5MHz，尺寸为的6×6mm。楔块为有机玻璃楔块。阻尼块的材质为聚硫橡胶和钨粉环氧树脂复合层材料。外壳的材质为铝合金。横波晶片和纵波晶片的距离为15±3mm。

本发明内螺纹管超声波检测用探头有如下几个方面特点：

1、楔块材料的选择

由于超声波在钢种的横波折射角取决于晶片在探头内的安装角度和透声楔块的纵波声速，需要确定透声楔块的材料。本发明选用机玻璃透声楔块，因为有机玻璃在声波频率5MHz以下衰减系数适宜，对于声陷阱内的多次反射能量有足够的吸收作用，并且有机玻璃与工件的耦合特性好，易于加工。

2.超声波晶片结构设计及参数选择

横波晶片和纵波晶片选择具有良好的机电耦合系数、压电发射系数和压电接收系数的多晶体压电陶瓷－锆钛酸铅晶片。

根据snell定理及三角函数关系，横波晶片1在探头内的安装角度α可由式（1）确定

α=sin^-1(C_T/C_w*sinβ)           (1)

式中：α为横波晶片在探头内的安装倾斜角，亦即晶片安装处有机玻璃的倾斜角度；

      C_T为楔形材料的纵波波速，已知；

      C_w为工件材料的横波波速，已知；

      β为工件中的横波折射角，根据内螺纹管的壁厚确定；

对于4～8mm厚度的内螺纹管，β一般为68°～71°即可满足检测要求，相应的安装角度α为50.8°～52.2°。

为能精确测量管子壁厚，纵波晶片平布置。

探头晶片尺寸及频率除了对声束指向性、声束半扩散角、近场长度有影响外，对检查范围和远距离缺陷检出能力也有较大影响。经综合分析，为减小近场长度不利影响，并考虑到缺陷定位及定量精度，宜选用较小晶片尺寸探头；同时选用较小晶片探头也有利于减小耦合损失，提高耦合效果。由于方形晶片与园形晶片相比，增加了靠近工件部分的发射强度，可明显提高灵敏度，故探头晶片形状采用方形。综合考虑上述因素，根据检验部件壁厚在4～8mm，两晶片均选择频率为5MHz的6×6mm方形晶片尺寸探头。

3.两晶片间距离的确定

为保证两晶片的振动不会相互干扰，横波晶片与晶片纵波之间的间距既不能太小，又不能太大，综合考虑，两晶片间距确定为15mm±3mm。

4.阻尼块材质的选择

阻尼块的选择从两个方面考虑，一是声阻抗较大，以便产生较大的阻尼作用；二是要求较强的吸声作用，尽可能吸收掉晶片向后发射的声波。为此选择吸收能力高的高分子聚硫橡胶和钨粉环氧树脂复合层作为阻尼与吸收材料。