球形封头结构缺陷的超声TOFD检测方法

球形封头结构缺陷的超声tofd检测方法
技术领域
1.本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及球形封头结构缺陷的超声tofd检测方法。


背景技术：

2.球形封头是压力容器常用的一种封头形式(王绍胜.整体球形封头的热成形[j].压力容器.1993,10(3):88-89)，通常与筒体等结构焊接，大量应用于核电、航空航天、军工等行业。焊接与安装过程中受人为因素影响，或在运行过程中受介质、压力等作用，接头焊缝内部会产生缺陷，需要通过无损检测对其进行评估。
[0003]
超声衍射时差法(time of flight diffraction,tofd)是当前应用较广泛的一类超声无损检测技术。其将一发一收探头对称放置在待检区域上方，通过读取缺陷端点衍射波到达时间进行缺陷定位定量。tofd具有定量精度高、缺陷检出率高、成本低、操作方便的优点，非常适合压力容器焊缝检测。(谢雪.提高压力容器焊缝tofd检测分辨率方法的研究[d].大连理工大学,2015)。目前，tofd多被用于平板结构缺陷定量检测，并且有良好的检出率。然而，对球形封头结构进行tofd检测时，半球体和筒体对接导致两个探头不在同一水平线上，焊缝两侧声束传播路径不对称，缺陷定量误差增大。同时，由于超声波具有一定脉冲宽度，直通波和缺陷端点衍射波混叠产生盲区，且较平板结构检测盲区范围更大，进一步导致缺陷检测困难。目前，相关研究一般假设发射探头和接收探头对称情况下，进行球形封头和筒体接头缺陷定位，在实际工程中应用受限(杨育伟,梁楠,朱稳.球形封头与筒体对接接头tofd检测深度定位计算[j].无损探伤.2021,45(4):18-21)。因此，有必要发展一种球形封头结构缺陷的超声tofd检测方法。


技术实现要素：

[0004]
本发明提供一种球形封头结构缺陷的超声tofd检测方法。其目的是针对半球体和筒体对接形成的球形封头结构进行tofd检测时，探头非对称布置导致焊缝两侧声束传播路径不对称，缺陷定量误差增大，并存在检测盲区的问题，基于tofd扫查图像与信号，建立直通波与球形封头外壁曲率半径和缺陷端点深度之间的声传播关系，实现球形封头结构tofd盲区内外缺陷的定量检测。
[0005]
本发明采用的技术方案是：一种球形封头结构缺陷的超声tofd检测方法，基于tofd检测系统，沿球形封头外壁实施轴向扫查与图像采集，读取扫查图像中直通波及缺陷端衍射波到达时间，同时结合球形封头外径及接收探头4位置之间的声传播关系，计算得到缺陷的深度和长度；tofd检测系统包括超声探伤仪1、一对tofd探头和楔块2；tofd探头包括发射探头3和接收探头4；
[0006]
该方法可以实现球形封头结构对接焊缝处缺陷定量检测，具体包括步骤如下；
[0007]
步骤1.确定tofd检测参数
[0008]
根据待检测对象的材料、尺寸及待检范围选取tofd检测参数，包括tofd探头频率、
楔块角度、探头水平位置、检测增益和采样频率；
[0009]
步骤2.采集tofd扫查图像
[0010]
球形封头外壁曲率半径为r，待检测对象的材料纵波声速、横波声速分别为c
l
和cs，焊缝处缺陷上端点深度为da；采用步骤1中确定的tofd检测参数，控制tofd探头沿球形封头外壁进行轴向扫查，获得扫查图像并进行直通波校准；其中，位于球形封头表面处的发射探头3与焊缝中心线方向夹角为θ，位于筒体表面处的接收探头4到焊缝中心处水平距离为s；从发射探头3至接收探头4的直通波到达时间为t0，从发射探头3至接收探头4的缺陷端点衍射纵波到达时间为t1；
[0011]
步骤3.缺陷深度定量
[0012]
tofd检测时，直通波和缺陷端点衍射波混叠产生盲区；缺陷位于盲区内、盲区外，缺陷深度定量方式不同；
[0013]
当缺陷位于盲区外时，从tofd扫查图像中读取衍射纵波弧顶处对应信号，直通波和衍射纵波到达时间t0与t1从接收信号中获取，其表达式分别为：
[0014][0015][0016]
式中，s、t0、t1、cs和c
l
均为已知量，由式1)与式2)联立反演得到夹角θ和缺陷上端点深度da；
[0017]
当缺陷位于盲区内时，球形封头结构的盲区深度d为：
[0018][0019]
式中，t
p
为tofd探头发射的超声波脉冲宽度；
[0020]
结合发生波型转换后的衍射横波实施深度定位；读取tofd扫查图像中衍射横波弧顶处的到达时间ta，根据tofd探头位置与缺陷上端点深度之间的定量关系，得ta：
[0021][0022]
式中，s、ta、cs和c
l
参数均为已知量；由式1)与式4)联立反演得到夹角θ和缺陷上端点深度da；
[0023]
步骤4.缺陷高度定量
[0024]
步骤3针对缺陷上端点，对于球形封头结构焊缝内部缺陷，重复步骤3，对缺陷下端点实施深度定位；在此基础上，给出缺陷高度定量结果。
[0025]
所述楔块2为倾斜有机玻璃楔块。
[0026]
本发明的有益效果是：这种球形封头结构缺陷的超声tofd检测方法，可对不同曲率半径、厚度的球形封头结构缺陷进行定量检测，同时可拓展应用于盲区内缺陷的识别与定量。该方法操作简单，可有效应用于工业中球形封头结构检测，辅助提高检测人员效率。
附图说明
[0027]
图1是加工底面开口槽的球形封头结构试块tofd检测示意图。
[0028]
图2是端点深度12.0mm底面开口槽的tofd轴向扫查图像。
[0029]
图3是端点深度5.0mm底面开口槽的tofd轴向扫查图像。
[0030]
图4是端点深度12.0mm底面开口槽tofd轴向扫查图像中衍射纵波弧顶对应a扫描信号。
[0031]
图5是端点深度5.0mm底面开口槽tofd轴向扫查图像中衍射横波弧顶对应a扫描信号。
[0032]
图中：1-超声探伤仪；2-楔块；3-发射探头；4-接收探头；5-底面开口槽。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
[0034]
球形封头结构缺陷的超声tofd检测方法，采用的超声检测系统如图1所示，其中包括超声检测仪1、一对tofd探头及楔块2。具体检测及处理步骤如下：
[0035]
步骤(a)、选取两铝合金试块，分别为试块一和试块二，二者外壁半径r＝220.0mm，壁厚20.0mm，材料纵波声速c
l
＝5890m/s，横波声速cs＝3230m/s。试块一内表面加工了端点深度12.0mm的底面开口槽5，试块二内表面加工了端点深度5.0mm的底面开口槽5。
[0036]
步骤(b)、如图1所示，采用中心频率5mhz的tofd探头进行检测。主要检测参数包括：楔块角度70
°
、楔块前沿长度6.0mm、采样频率100mhz、检测增益30db、扫查步进0.50mm。a扫描时间窗口起始位置设置为直通波到达接收探头4之前。
[0037]
步骤(c)、利用tofd探头对两个试块分别进行轴向扫查，获得如图2和图3所示扫查图像。从图2中可以观察到直通波以及缺陷端点衍射纵波，而图3中缺陷端点衍射纵波和直通波发生混叠，难以判断前者到达时间，需读取衍射横波弧顶处对应传播时间。
[0038]
步骤(d)、图4为图2中衍射纵波弧顶处的a扫描信号，读取其中直通波和缺陷端点衍射波到达时间，将已知数据s＝22.6mm，t0＝14.37μs，t1＝15.19μs代入式1)和式2)中，反演得到θ＝6.99
°
，da＝11.93mm。采用常规tofd检测方法得到的缺陷端点深度定量结果为16.28mm，相对误差达到35.7％。图5为图3中衍射横波弧顶处的a扫描信号，读取其中直通波到达时间和缺陷端点衍射横波到达时间，将已知数据s＝8.0mm，t0＝14.37μs，ta＝15.68μs代入式1)和式4)中，反演得到θ＝10.51
°
，da＝4.76mm。
[0039]
综上可知，盲区外缺陷端点深度相对定量误差不超过0.58％，盲区内缺陷端点深度相对定量误差不超过4.98％。因此，利用该方法可实现球形封头结构缺陷的定量检测，且检测精度满足工程需求。
[0040]
以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。