小管道超声在役检测的聚焦超声场研究

　　1　引　　言

　　目前,在役管道超声智能检测时主要采用多探头阵列式检测头,超声探头在周向呈阵列固定在检测头保持架上,检测头在检测过程中应始终与管道壁垂直,且保持距离不变。以Pipetronix公司1200mm(48in.)检测爬机UltraScan为例[1～2],它采用多探头阵列式检测头,超声探头数512个,探头之间周向距离为8mm。

　　小管道超声智能检测时,由于受结构限制,需采用多探头旋转式或单探头旋转反射镜式检测头[3～4]。其中,多探头旋转式检测头将数个宽频超声探头沿周向均匀分布于检测头保持架上,探头发射方向垂直于管道壁,检测头带动超声探头旋转,它兼具单探头旋转式与多探头阵列式检测头的特点。单探头旋转反射镜式检测头将单个宽频超声探头与管道轴线平行,超声探　　头发射的宽频超声波经由不锈钢反射镜反射,该结构特别适用于小管道的超声在役检测。

　　2　不漏检条件

　　在役检测时,超声探头与被检工件之间的相对运动称为扫查。管道扫查时,应保证管道内壁有足够的超声波声束覆盖,以避免漏检。

　　2.1　多探头阵列式检测头的不漏检条件

　　若聚焦超声探头沿周向呈阵列均布于检测头上,检测头行走速度为v,探头数为m,脉冲重复频率为fp,焦柱直径为p,引入轴向相邻扫描带重叠系数μ,于是,扫描带轴向不漏检条件为:

　　若管道内壁直径为d,引入周向相邻扫描带重叠系数ε,于是,扫描带周向不漏检条件为:

　　2.2　多探头旋转式检测头的不漏检条件

　　若聚焦超声探头沿周向呈阵列均布于检测头上,探头数为m,检测头旋转速度为np,轴向重叠系数为μ,周向重叠系数为ε,探头将在管道内表面作螺旋扫查,扫描带轴向不漏检条件为:

　　2.3　单探头旋转反射镜式检测头的不漏检条件

　　若反射镜旋转速度为ns,轴向重叠系数为μ,周向重叠系数为ε,探头仍将在管道内表面作螺旋扫查,扫描带轴向不漏检条件为:

　　3　液浸聚焦超声场模型

　　对选定的聚焦探头而言,探头在液体介质中的焦距F是一定的,而F与探头发射距离OS,即声透镜顶点与工件之间的距离有关。为了保证在被检管道内形成焦点,需要对液浸聚焦超声场予以讨论分析。

　　3.1　无平面反射镜时的聚焦超声场模型

　　如图1所示,在包含钢管轴线与探头轴线的平面(Y平面)内,设P′点为钢管中的焦点,则Y平面内液体介质中焦距Fy为:

　　如图2所示,在钢管内表面法线与钢管轴线垂直的平面(X平面)内,有:

　　为使X、Y平面内钢管中焦柱参数一致,A′S应等于B′S,故有: