一種壓力管道超聲內(nèi)檢測自動化裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種壓力管道超聲內(nèi)檢測自動化裝置。目的是提供的裝置應(yīng)能滿足較大直徑管道的檢測要求，并具有檢測精度高、檢測效率高的特點。技術(shù)方案是：一種壓力管道超聲自動檢測裝置，包括管道爬行機器人、探頭組合裝置和編碼器、扶正器和支撐架，相控陣模塊裝置，及超聲波檢測儀；探頭組合裝置包括第一圓環(huán)形相控陣探頭組件、第二圓環(huán)形相控陣探頭組件、檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部周向缺陷的圓錐形相控陣探頭組件以及相應(yīng)的探頭夾持裝置；所述第一圓環(huán)形相控陣探頭組件、第二圓環(huán)形相控陣探頭組件以及圓錐形相控陣探頭組件均由3個以上128陣元相控陣探頭組成；各探頭組件中的壓電晶片發(fā)射的超聲波先經(jīng)過環(huán)形凹透鏡再對周向的管道管壁掃查。
【專利說明】一種壓力管道超聲內(nèi)檢測自動化裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓力管道超聲檢測領(lǐng)域，尤其是壓力管道缺陷的超聲相控陣自動內(nèi)檢 測裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 管道運輸是與鐵路、公路、水運、航空并列的五大運輸方式之一。壓力管道是在一 定溫度和壓力下，用于運輸流體介質(zhì)的特種設(shè)備，廣泛用于石油化工、冶金、電力等行業(yè)生 產(chǎn)及城市燃?xì)夂凸嵯到y(tǒng)等公眾生活之中。這些介質(zhì)有些是具有爆炸危險性、毒性或?qū)Νh(huán) 境有破壞性，一旦泄漏將會造成職員傷亡、財產(chǎn)損失、環(huán)境污染和巨大的經(jīng)濟損失，有時還 會影響人民的生活。因此在用的壓力管道每隔一定周期應(yīng)進行定期檢驗。但壓力管道定期 檢驗具有不完全同于鍋爐和壓力容器的技術(shù)與方法。其原因在于壓力管道具有如下特點： ⑴種類多，數(shù)量大，設(shè)計、制造、安裝、應(yīng)用管理環(huán)節(jié)多；⑵長細(xì)比大，跨越空間大，邊界條 件復(fù)雜；⑶材料應(yīng)用種類多，選用復(fù)雜；⑷彎頭、三通等元件多，產(chǎn)品質(zhì)量保證較差，事故 分析發(fā)現(xiàn)，占30…40% ; (5)壓力管道分布極廣，具有點多、面廣、線長等特點；而且輸送 介質(zhì)復(fù)雜，介質(zhì)的壓力、溫度、化學(xué)特性多變，受力情況復(fù)雜；(6)絕大部份在用管道未經(jīng)監(jiān) 檢，設(shè)計、使用情況不明，安全狀況難以確定，安裝質(zhì)量與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在較大差距，如何處理 壓力管道的超標(biāo)缺陷、如何科學(xué)準(zhǔn)確評定壓力管道的安全性成為難點。（7)很多管道為埋地 敷設(shè)，很多管道為管溝敷設(shè)，外檢測困難。針對上述壓力管道特點，完全仿照鍋爐壓力容器 的檢測手段，工作量相當(dāng)龐大，管道使用單位的負(fù)擔(dān)也會很重。如何實現(xiàn)壓力管道不搭腳手 架、不拆保溫層、不開挖地面的定期檢測，是量多面廣的壓力管道實行定期檢驗的關(guān)鍵。國 外在管道內(nèi)檢測方面的研宄開展較早，經(jīng)過幾十年的不斷研宄，一些國家研制出的管道檢 測器，在檢測精度、定位精度、數(shù)據(jù)處理等方面都達(dá)到較高水平，并滿足實際需求。目前，美 國Tuboscope公司、西南研宄院、德國Pipetron公司，英國PII公司，日本NKK公司已研制 出各種智能檢測器，其中超聲法和漏磁法得到了較廣泛的應(yīng)用。漏磁式管道內(nèi)檢測技術(shù)其 基本原理是利用永久磁鐵磁化管道內(nèi)壁，管道腐蝕處將有磁場泄露，傳感器檢測漏磁信號， 并對信號進行處理得到管道腐蝕情況。然而漏磁檢測存在著對被測管道的限制（壁厚不能 太厚），抗干擾能力差和空間分辨力低等缺點，且僅適用于材料近表面和表面的檢測。超聲 波管道內(nèi)檢測主要利用超聲探傷原理，通過輸送介質(zhì)從管道內(nèi)向管道壁發(fā)射超聲波，根據(jù) 回波的時間、大小，檢測出探頭與管道內(nèi)壁的距離、管道剩余壁厚、管道腐蝕缺陷情況等。超 聲波法具有檢測精度高，可得到定量的檢測結(jié)果，可直接分辨內(nèi)外腐蝕；不同的管道材質(zhì)對 檢測結(jié)果基本無影響。綜合分析，漏磁法和超聲法各有優(yōu)缺點，但對于輸送液體管道而言， 超聲波檢測技術(shù)將有廣闊的應(yīng)用前景。管道內(nèi)檢測超聲波檢測技術(shù)主要有內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式超 聲波檢測和多陣元常規(guī)超聲檢測等；內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式超聲波檢測（IRIS)將探頭置于管道軸線， 探頭沿軸線發(fā)射出的超聲波，傾斜人射到45°聲反射鏡上，在曲面聲反射鏡上產(chǎn)生全反射， 并由軸向改變?yōu)閺较?，聲束由此進入管道內(nèi)壁。多陣元超聲陣列方法采用數(shù)量眾多探頭的 陣列結(jié)構(gòu)，分多層錯落放置，使換能器具有照射重疊區(qū)，基本保證每個測量高度層的全部覆 蓋。上述方法均采用常規(guī)的超聲直探頭，不能形成周向的自動電子掃描。多陣元超聲陣列 方法要實現(xiàn)換能器檢測區(qū)域一定的覆蓋，不能采用水浸聚焦方式，導(dǎo)致檢測靈敏度和分辨 力遠(yuǎn)低于聚焦探頭。內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式超聲波檢測（IRIS)雖然檢測效率較高，但經(jīng)過二次45°鏡 面反射，不僅使用聲壓反射率有所損失，而且使焦距變長，不利于橫向分辨力的提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種可實現(xiàn)壓力管道內(nèi)部超聲 相控陣自動檢測裝置，該裝置應(yīng)能滿足較大直徑管道的檢測要求，并具有檢測精度高、檢測 效率高的特點。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：
[0005] 設(shè)計大陣元數(shù)（高達(dá)128陣元的3倍以上）相控陣探頭組件，并由檢測腐蝕點和 內(nèi)部體積型缺陷的第一圓環(huán)形相控陣探頭組件、檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部軸向缺陷的第二圓環(huán) 形相控陣探頭組件以及檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部周向缺陷的圓錐形相控陣探頭組件以及相應(yīng) 的探頭夾持裝置又組成探頭組合裝置。
[0006] 上述第一圓環(huán)形相控陣探頭組件、第二圓環(huán)形相控陣探頭組件以及圓錐形相控陣 探頭組件均為多個128陣元（即128個壓電晶片）相控陣探頭組成的大陣元數(shù)相控陣探頭 組件；大陣元數(shù)相控陣探頭組件中，各相控陣探頭之間的探測范圍有一部分重疊，重疊數(shù)量 由參與聚焦法則的通道數(shù)量決定，每個128陣元相控陣探頭中的全部壓電晶片）單獨由每 個相控陣模塊控制（即每個相控陣模塊控制128壓電晶片），每個相控陣模塊除同步電路由 同步控制模塊統(tǒng)一控制外，其他發(fā)射控制、接收控制、高速A/D采集、波束合成、數(shù)字處理、 顯示控制等所有實現(xiàn)相控陣檢測的功能均能單獨完成，由超聲波檢測儀的信號集成模塊集 成所有相控陣模塊的成像信息，并在大顯示器上顯示整個管道圓周方向的成像圖。所有的 相控陣模塊組成相控陣模塊裝置。
[0007] 一種壓力管道超聲內(nèi)檢測自動化裝置，包括超聲波檢測儀，還包括一個檢測腐蝕 點和內(nèi)部體積型缺陷的第一圓環(huán)形相控陣探頭組件、一個檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部軸向缺陷的 第二圓環(huán)相控陣探頭組件、一個檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部周向缺陷的圓錐形相控陣探頭組件、 相應(yīng)的探頭夾持裝置、管道爬行機器人、機器人控制模塊、電纜線、編碼器、扶正器、支撐架、 金屬撓管以及相控陣模塊裝置；其核心技術(shù)是第一圓環(huán)形相控陣探頭組件、第二圓環(huán)形相 控陣探頭組件以及圓錐形相控陣探頭組件；第一圓環(huán)形相控陣探頭組件、第二圓環(huán)形相控 陣探頭組件和圓錐形相控陣探頭組件均包括環(huán)形相控陣探頭、環(huán)形凹透鏡、探頭外殼、同軸 電纜、各陣元屏蔽線和阻尼塊。
[0008] 一個檢測腐蝕點和內(nèi)部體積型缺陷的第一圓環(huán)形相控陣探頭組件，其中的多個壓 電晶片長度方向與管道軸線平行，周向聚焦采用電子聚焦技術(shù)，設(shè)計相應(yīng)的聚焦法則控制 相控陣列探頭多個獨立的壓電晶片的發(fā)射，每個單元的陣列發(fā)射超聲波疊加形成一個新的 波前，以垂直的角度入射至工件（即待檢測管道），使之在特定位置聚焦；同時，在這個過程 中反射波接收，按照一定的規(guī)則和時序控制信號接收單元接收和合成，最后達(dá)到合成聲束 的結(jié)果。圓環(huán)形相控陣探頭組件軸向聚焦采用聲透鏡方式，采用大于水中聲速的有機玻璃 聲透鏡材料（即聲波在有機玻璃材料中的速度大于水中的聲波速度）制成的聲透鏡（即環(huán) 形凹透鏡，或環(huán)形聲透鏡，以下同），通過曲率設(shè)計使之在特定位置聚焦。精心設(shè)計電子聚焦 法則和環(huán)形凹透鏡的曲率，使周向電子聚焦和軸向聲透鏡聚焦在同一位置。
[0009] -個檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部周向缺陷的圓錐形相控陣探頭組件，與圓環(huán)形相控陣探 頭組件不同的是，各個陣列晶片（即壓電晶片）的長度方向不平行于管道軸線，而是其長度 延長線與管道軸線相交且形成一定角度：因此該相控陣探頭組件形狀是一個軸線與管道軸 線重合的圓錐形，聲束以傾斜的角度入射至工件表面。設(shè)計入射角度大于水/鋼界面的第 I臨界角（即鋼中縱波折射角為90°時所對應(yīng)的水中縱波入射角，其值為14.5° )，使之在 工件中產(chǎn)生全折射橫波，采用大于水中聲速的有機玻璃聲透鏡材料制成的聲透鏡，通過曲 率設(shè)計使之在特定位置聚焦。周向聚焦采用電子聚焦技術(shù)，使之在特定位置聚焦。精心設(shè) 計電子聚焦法則和環(huán)形凹透鏡曲率，使周向電子聚焦和軸向聲透鏡聚焦在同一位置。
[0010] 一個檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部軸向缺陷的第二圓環(huán)相控陣探頭組件，與第一圓環(huán)形相 控陣探頭組件不同的是，各個陣列晶片的長度方向延長線與管道橫截面平行且陣列晶片發(fā) 射面的法線與被檢管道橫截面的直徑形成一定的角度；因此，周向電子聚焦形成的超聲波 聲束不是垂直入射于工件，而是與管道橫截面平行且與入射點法線成一定的角度入射至工 件，并在工件中產(chǎn)生全折射橫波，利用該橫波進行檢測；軸向聚焦方式完全與檢測腐蝕點采 用的聲透鏡方式相同，只是環(huán)形凹透鏡的曲率不同，以實現(xiàn)與周向電子聚焦形成的超聲波 聲束焦點的匹配。
[0011] 所述第一圓環(huán)形相控陣探頭組件、第二圓環(huán)形相控陣探頭組件、圓錐形相控陣探 頭組件以及相應(yīng)的探頭夾持裝置組成探頭組合裝置安裝在探頭座上，相控陣模塊裝置安裝 在探頭座內(nèi)，管道爬行機器人、支撐架、探頭座相互連接采用金屬撓管，使之能方便通過彎 管和三通等。檢測時管道應(yīng)清除雜物，并充滿水，由管道爬行機器人帶動裝有探頭組合裝 置、支撐架和相控陣模塊裝置的探頭座，并帶有編碼器，記錄行走位置，扶正器（扶正器用 于保持探頭座運動時的對中），管道爬行機器人供電電線、相控陣模塊供電電線和信號傳輸 電纜裝在外帶保護層的整根組合電纜線內(nèi)，中間充以泡沫塑料，整根組合電纜線的比重與 水接近，以盡量減少摩擦阻力。檢測時由機器人控制模塊啟動管道爬行機器人，管道爬行機 器人帶動扶正器以及裝有探頭組合裝置、支撐架、編碼器和相控陣模塊裝置的探頭座向前 移動進行檢測。檢測時，探頭組合裝置浸在水中，超聲波通過水耦合進入工件中，再以反射 波通過水回到探頭中，探頭組合裝置和編碼器用于采集信號并將信號傳輸至相控陣模塊裝 置，經(jīng)相控陣模塊裝置對信號進行預(yù)處理后由信號傳輸電纜輸送至位于管道外部的超聲波 檢測儀。通過成像軟件形成實時C掃描、B掃描圖像。C掃描周向采用電子掃描，軸向采用 機械掃查，將信號門閥套在壓力管道內(nèi)壁反射波和外壁反射波之間，檢測并記錄壓力管道 內(nèi)部缺陷的位置信息和超聲信息；另外，C掃描圖像顯示不僅針對缺陷檢測，也能以色彩方 式顯示壓力管道壁厚值；具體方式是通過超聲相控陣檢測自動檢測裝置實現(xiàn)厚度的自動測 量，設(shè)定系列的厚度范圍，并對系列的厚度范圍以不同的色彩標(biāo)識，可以實時通過在C掃描 圖上顏色的變化，看到整根壓力管道的壁厚情況。B掃描圖通過環(huán)向電子線掃描實現(xiàn)，腐蝕 檢測時可以檢測某一軸向位置壓力管道周向的壁厚變化以及壓力管道橢圓度的變化，缺陷 檢測時可以檢測到某一軸向位置壓力管道整個圓周的缺陷成像。通過C掃描、B掃描圖像 分析可以檢測到整個壓力管道（包括焊縫）的腐蝕、內(nèi)部各個方向的缺陷、內(nèi)外表面各個方 向的缺陷，從而判斷整個壓力管道系統(tǒng)的安全狀況。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0013] 1、配置大陣元數(shù)（高達(dá)128陣元的數(shù)倍以上）的相控陣探頭組件，以滿足直徑較 大的管道對檢測頻率、波長、焦距、陣元間距等參數(shù)的要求，從而實現(xiàn)超聲相控陣技術(shù)在直 徑較大的管道超聲相控陣內(nèi)檢測中的應(yīng)用
[0014] 2、采用相控陣電子線周向掃描方式，可以避免機械周向掃查引起的探頭組件振動 和液體擾動以及電纜線的纏繞問題，減少上述問題對檢測產(chǎn)生的干擾。而且電子線周向掃 描比機械周向掃查快上百倍，極大地提高檢測效率。
[0015] 3、圓環(huán)形相控陣探頭組件周向聚焦采用電子聚焦技術(shù)，軸向聚焦采用聲透鏡方 式，通過精心設(shè)計電子聚焦法則和環(huán)形凹透鏡的曲率，使周向電子聚焦和軸向聲透鏡聚焦 在同一位置，其效果相當(dāng)于超聲點聚焦，可解決鋼/水界面聲能損失和聲波衰減過多使回 波太弱的問題；
[0016] 4、結(jié)合壓力管道腐蝕和缺陷檢測的需求，研制專門的掃查裝置，周向采用電子線 掃查技術(shù)，軸向采用機械掃查技術(shù)，達(dá)到管壁100%覆蓋，不容易漏檢；
[0017] 5、形成實時C掃描、B掃描圖像?？梢詸z測某一軸向位置壓力管道（包括焊縫）整 個圓周的腐蝕、內(nèi)部各個方向的缺陷、內(nèi)外表面各個方向的缺陷，從而判斷整個壓力管道系 統(tǒng)的安全狀況。
[0018] 6、成像系統(tǒng)可有效克服面積性缺陷（如裂紋、未熔合等）的漏檢問題，準(zhǔn)確地確定 缺陷的長度、深度，并能實現(xiàn)掃描一次成像，檢測速度快。
[0019] 7、采用一個檢測腐蝕點和內(nèi)部體積型缺陷的第一圓環(huán)形相控陣探頭組件、一個檢 測內(nèi)外表面和內(nèi)部軸向缺陷的第二圓環(huán)形相控陣探頭組件、一個檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部周向 缺陷的圓錐形相控陣探頭組件等多組相控陣探頭組件，通過編碼器位置核準(zhǔn)檢測到的缺陷 是否為同個缺陷，并對缺陷進行多方位的分析。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明中的壓力管道超聲相控陣檢測自動檢測裝置示意圖。
[0021] 圖2-1為本發(fā)明的第一圓環(huán)形相控陣探頭組件正視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2-2為圖2中圓環(huán)形相控陣探頭組件的左視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖3為本發(fā)明的第一圓環(huán)形相控陣探頭組件周向聚焦原理圖。
[0024] 圖3-1為圖3的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖4為第一圓環(huán)形相控陣探頭組件聚焦法則計算原理圖。
[0026] 圖5為第一圓環(huán)形相控陣探頭組件聚焦法則簡易計算原理圖。
[0027] 圖6為第一圓環(huán)形相控陣探頭軸向聲透鏡聚焦原理圖（水中聚焦與水/鋼中聚焦 對比圖）。
[0028] 圖7為第一圓環(huán)形相控陣探頭超聲檢測工作原理圖。
[0029] 圖8-1為檢測周向缺陷的圓錐形相控陣探頭組件的正視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖8-2為圖8-1中圓錐形相控陣探頭組件的左視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖8-3為圖8-1中圓錐形相控陣探頭組件的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖9為圓錐形相控陣探頭聲透鏡聚焦原理圖。
[0033] 圖10為圓錐形相控陣探頭周向聚焦情況。
[0034] 圖11為圓錐形相控陣探頭超聲檢測工作原理圖。
[0035] 圖12為檢測軸向缺陷的第二圓環(huán)形相控陣探頭組件周向聚焦原理圖。
[0036] 圖13為陣元數(shù)為452的圓柱形相控陣探頭組件示意圖。
[0037] 圖14為陣元數(shù)為452的圓柱形相控陣探頭組件工作原理圖。
[0038] 圖15是本發(fā)明所述聲透鏡的立體放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]

【具體實施方式】
[0040]本發(fā)明設(shè)計一種壓力管道超聲內(nèi)檢測自動化裝置，包括超聲波檢測儀1、一個檢測 腐蝕點和內(nèi)部體積型缺陷的第一圓環(huán)形相控陣探頭組件2、一個檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部軸向 缺陷的圓錐形相控陣探頭組件3、一個檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部周向缺陷的第二圓環(huán)相控陣探 頭組件4、管道爬行機器人6、電纜線7、編碼器8、扶正器9、支撐架10、機器人控制模塊11、 金屬撓管12以及探頭座13,相控陣模塊裝置安裝在探頭座13內(nèi)，探頭組合裝置、支撐架以 及編碼器均安裝在探頭座13上，扶正器用于保持對中；其中的探頭組合裝置包括第一圓環(huán) 形相控陣探頭組件、第二圓環(huán)形相控陣探頭組件以及圓錐形相控陣探頭組件以及相應(yīng)的探 頭夾持裝置5,在壓力管道14內(nèi)部發(fā)射和接收超聲波進行檢測。對液體壓力管道不需要專 門的耦合介質(zhì)，如對氣體壓力管道進行檢測，則需利用管道水壓試驗的時機進行（用水作 為耦合劑），檢測時機在壓力管道14壓力試驗前，如壓力管道不進行壓力試驗，檢測時也要 將壓力管道灌滿水。
[0041]下面以注滿水的壓力管道為例說明發(fā)明的【具體實施方式】：啟動機器人控制模塊 11 (位于管道外部），通過機器人控制模塊啟動管道爬行機器人6以一定速度向前運動， 管道爬行機器人6通過金屬撓管12帶動扶正器9以及裝有探頭組合裝置和相控陣模塊裝 置的探頭座13向前移動，編碼器8安裝在支撐架10上，扶正器9和支撐架10保證探頭座 通過彎管時定位在彎管中心附近，并保護探頭座通過彎管時不與管壁產(chǎn)生碰撞。爬行機器 人、扶正器9以及探頭座13用金屬撓管12進行連接，使之能夠順利通過彎管。管道爬行機 器人供電電線、相控陣模塊供電電線和信號傳輸電纜裝在外帶保護層的整根組合電纜線7 內(nèi)，中間充以泡沫塑料，整根組合電纜線的比重與水接近，以盡量減少摩擦阻力。同時啟動 超聲檢測儀1。檢測時，3個相控陣探頭組件浸在水中，超聲波通過水耦合進入管道工件14 中，反射波再通過水回到探頭中，3個相控陣探頭組件和編碼器8用于采集信號并將信號傳 輸至相控陣模塊裝置，經(jīng)相控陣模塊裝置對信號進行預(yù)處理后由信號傳輸電纜輸送至超聲 波檢測儀1。由于水浸法中聲束指向性差，能量損失大，本發(fā)明采用周向和軸向都聚焦的方 法來改善信噪比。
[0042] 第一、一個檢測腐蝕點的第一圓環(huán)形相控陣探頭組件2 (如圖2-1、圖2-2所示）， 包括相控陣陣列晶片（也稱為陣元，采用壓電晶片）15、環(huán)形凹透鏡16 (如圖15所示）、探 頭座17、同軸電纜18、各陣元信號線19和阻尼塊20 ;圓環(huán)形相控陣探頭組件2周向聚焦采 用電子聚焦技術(shù)，其原理如圖3所示，設(shè)計相應(yīng)的聚焦法則控制相控陣列探頭多個獨立的 壓電晶片15的發(fā)射，每個單元的陣列發(fā)射超聲波疊加形成一個新的波前，使之在特定位置 聚焦，同時，在這個過程中反射波接收，按照一定的規(guī)則和時序控制信號接收單元接收和合 成，最后達(dá)到合成聲束的結(jié)果。
[0043] 聚焦法則計算原理圖如圖4所示，壓力管道內(nèi)的水/鋼二層介質(zhì)近場球面波束 形成模型，在平面坐標(biāo)系XOY中，直線ri、r2、…、rm為超聲波在鋼中的傳播路徑，直線Ii、I2、…、Im為超聲波在水耦合劑中的傳播路徑。設(shè)A(x，y)為聚焦點（回波聲源）坐標(biāo)位 置，C(Xm，ym)為第m號陣元的坐標(biāo)值，B(x'm，y'J為入射到第m號陣元的聲波折射點坐標(biāo)。 O(^ytl)為參考點，D(x'J為聚焦點到水鋼界面的最短距離對應(yīng)的點，a、0是第m號 陣元接收的由鋼界面入射到水耦合劑時的入射角與反射角，C1是超聲波縱波在鋼中的傳播 速度，〇2是超聲波在水耦合劑中的傳播速度，r^是鋼中超聲傳播的最短距離，I^是耦合劑中 超聲傳播的最短距離，由此求得第m號陣元的延時時間T^
[0044]由于本發(fā)明采取聲束不偏轉(zhuǎn)聚焦，故位于參考點兩邊的相控陣列陣元信號的延時 量相等，即：Ti=TT2= T_2，…，Tm= T_m。因此，僅需要計算右邊陣元的信號延時 量。
[0045] 以0為參考點，則第m陣元的信號延時量為：

【權(quán)利要求】
1. 一種壓力管道超聲內(nèi)檢測自動化裝置，包括： 可在壓力管道內(nèi)運動前進的管道爬行機器人（6)、由管道爬行機器人帶動的配有相控 陣模塊的探頭組合裝置和編碼器（8)、用于保持探頭組合裝置正確位置的扶正器（9)和支 撐架，對探頭組合裝置測得信號進行預(yù)處理的相控陣模塊裝置，以及在壓力管道外部對相 控陣模塊裝置預(yù)處理后輸出的信號進行最終處理和顯示的超聲波檢測儀（1); 其特征在于： 所述探頭組合裝置包括檢測腐蝕點和內(nèi)部體積型缺陷的第一圓環(huán)形相控陣探頭組件 (2)、檢測內(nèi)外表面和內(nèi)部軸向缺陷的第二圓環(huán)形相控陣探頭組件（4)、檢測內(nèi)外表面和內(nèi) 部周向缺陷的圓錐形相控陣探頭組件（3)以及相應(yīng)的探頭夾持裝置（5);所述第一圓環(huán)形 相控陣探頭組件、第二圓環(huán)形相控陣探頭組件以及圓錐形相控陣探頭組件均由3個以上 128陣元相控陣探頭組成；各探頭組件中的壓電晶片發(fā)射的超聲波先經(jīng)過環(huán)形凹透鏡再對 周向的管道管壁掃查； 所述第一圓環(huán)形相控陣探頭組件中的各個壓電晶片的長度方向與管道軸線平行，以使 壓電晶片發(fā)射的超聲波垂直于管道管壁的法線；并采用聚焦法則控制各個獨立的壓電晶片 的圓周方向發(fā)射次序，又由該探頭組件中的環(huán)形凹透鏡焦距使得發(fā)射的超聲波在軸線方向 上與前述圓周方向聚焦于同一位置； 所述第二圓環(huán)形相控陣探頭組件中的各個壓電晶片的長度方向延長線與管道橫截面 平行且壓電晶片發(fā)射面的法線與被檢管道橫截面的直徑形成一定的角度，以使壓電晶片發(fā) 射的超聲波傾斜進入管道管壁；并采用聚焦法則控制各個獨立的壓電晶片的發(fā)射次序，又 由該探頭組件中的環(huán)形凹透鏡焦距使得發(fā)射的超聲波在軸線方向上與前述圓周方向聚焦 于同一位置； 所述圓錐形相控陣探頭組件中的各個壓電晶片的長度方向與管道軸線相交且形成一 定角度，以使壓電晶片發(fā)射的超聲波傾斜進入管道管壁；并采用聚焦法則控制各個獨立的 壓電晶片的發(fā)射次序，又由該探頭組件中的環(huán)形凹透鏡焦距使得發(fā)射的超聲波在軸線方向 上與前述圓周方向聚焦于同一位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力管道超聲自動檢測裝置，其特征在于：所述聚焦法則 為
式中：τ ^為第m號陣元的延時時間 R為環(huán)形凹透鏡的曲率半徑， F環(huán)形凹透鏡在水中的焦距， AC為A、C兩點的坐標(biāo)距離， 〇2為超聲波在水中的傳播速度， Θ m為第m號陣元中心和探頭圓心的連線與陣元組中心線之間的夾角；環(huán)形凹透鏡在 水中的焦距F為：
式中：〇3為環(huán)形凹面透鏡聲速； 凹透鏡在鋼中的二次聚焦后的焦距F'為：
式中：H為探頭至水/鋼界面的距離； C1是超聲波縱波在鋼中的傳播速度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種壓力管道超聲內(nèi)檢測自動化裝置，其特征在于：所述編 碼器、探頭組合裝置、支撐架均安裝在探頭座上，相控陣模塊裝置安裝在探頭座內(nèi)，扶正器 和支撐架保證探頭座通過彎管時定位在彎管中心附近，以保護探頭組合裝置通過彎管時不 與管壁產(chǎn)生碰撞；爬行機器人、扶正器與探頭座用金屬撓管12進行連接，使之能夠順利通 過彎管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種壓力管道超聲內(nèi)檢測自動化裝置，其特征在于：所述第 一圓環(huán)形相控陣探頭組件或第二圓環(huán)形相控陣探頭組件或圓錐形相控陣探頭組件中的各 個128陣元相控陣探頭均配有單獨控制的相控陣模塊，每個相控陣模塊除同步電路由同步 控制模塊統(tǒng)一控制外，其他發(fā)射控制、接收控制、高速A/D采集、波束合成、數(shù)字處理、顯示 控制功能均單獨完成，由信號集成模塊集成所有相控陣模塊的成像信息。
【文檔編號】G01N29/06GK104515807SQ201410581346
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】郭偉燦, 王亞珍 申請人:浙江省特種設(shè)備檢驗研究院