超声组合探头的扫描轨迹和设计使用原则

　　1　超声组合探头的由来

　　对普通无缝钢管的超声自动化无损检测研究工作始于90年代初。最早的检验设备是让管材旋转,只用一只超声探头放在水箱里(或用水膜)进行探伤。为提高检测速度,随着多通道超声波探伤仪的应用,开始采用多个探头对钢管进行探伤。探头是围着钢管圆周均匀分布并且旋转,钢管直线前进,这样在钢管表面上形成了像多头螺纹一样的螺旋形扫描轨迹。这种方式在探头恒速旋转的情况下,只要调节钢管的行走速度就能非常方便地改变探头扫描轨迹的密度,盲区也几乎为零(只有边缘效应的影响),是一种令人满意的扫描方式。

　　近年来,我国钢管市场对大直径钢管的需求增加,生产发展迅速。随着钢管直径的加大,采用上述探头旋转探伤设备的技术困难增加很多,因此目前对直径100 mm～300 mm左右的钢管多采用钢管旋转前进、探头不动的探伤方式。为了提高探伤速度同样需要增加探头数量,这些探头如果仍然沿钢管圆周摆放就给耦合剂(水)的供给带来困难。所以大都采取探头放在钢管下方、半水箱的水浸探方式。多个探头沿钢管轴向摆放,并尽可能紧密排列,以增加扫描密度和减少盲区,为此把多个压电晶片装在一个长方形的探头壳内,即本文要讨论的“组合探头”。

　　2　名词定义

　　超声波组合探头—含有多个压电晶片的超声波探头,这里专指晶片是按一字并行排列组合的方式。探伤速度—指每分钟检测钢管的轴向长度,单位:米/分钟。而探头在钢管表面的移动速度为检测线速度。钢管旋转速度—指每分钟钢管自身旋转圈数,单位:周/分钟。旋转角—钢管旋转时,如果同时产生轴向位移,合成的轨迹与钢管横断面的夹角称旋转角,它取决于旋转辊道的偏角,单位:度。旋转螺距—钢管旋转一周时,由旋转角产生的钢管的轴向位移长度,单位:毫米。扫描间距—钢管旋转时,组合探头的每只晶片都有一条螺旋形的扫描轨迹,任意相邻两条轨迹之间的距离称为扫描间距,单位:毫米。晶片间距—组合探头中相邻两个压电晶片间的中心距离,单位:毫米。

　　3　组合探头的扫描轨迹

　　设计组合探头的目的是为了增加钢管的旋转螺距,提高探伤速度。图1是一种用于探纵向缺陷的组合探头,此图描绘了扫描间距大于探头晶片自身宽度时的扫描轨迹。为了在任何情况下至少保证有一个探头可靠地扫过人工伤,这个扫描间距不能大于伤长的12。这种探头允许的钢管旋转螺距会随晶片数的增加而成倍数增加。从而成倍地提高探伤速度。但旋转螺距不能过大,否则将在钢管旋转的每圈之间产生一条过大的扫描间距而发生漏检现象。但旋转螺距减小时,由于旋转中两圈间的搭接会使局部扫描线重叠加密,这个加密部分是以一定宽度螺旋状分布的。不过,加密线的间距是随着实际的旋转螺距的大小而改变,或者完全重合。这种加密现象的局部性和随意性使得其没有实际意义。综上所述:每种刷子探头都有一个最佳旋转螺距。这个最佳螺距应该作为探头的特征参数明显地标明在探头的铭牌上。