[發明專利]鋼管焊縫自動超聲波檢測的水柱耦合監視裝置及設計方法

有效

• 申請號: 201410240366.6
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103983696A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 黃磊;趙新偉;李記科;王長安;楊專釗
• 申請（專利權）人: 北京隆盛泰科石油管科技有限公司
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/28
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務所 11337
• 代理人: 趙建剛

1.一種鋼管焊縫自動超聲波檢測的水柱耦合監視裝置，其特征在于：包括至少三個單體水柱耦合監視裝置，每個所述單體水柱耦合監視裝置均包括支撐架、檢測探頭、耦合監視探頭、檢測水柱通道、耦合監視水柱通道、水柱出水口和水柱進水口；所述支撐架的底部設置有鋼管匹配接觸面，所述鋼管匹配接觸面上設置所述水柱出水口；所述檢測水柱通道和所述耦合監視水柱通道成V型設置，其底部相交于所述水柱出水口；所述檢測水柱通道和所述耦合監視水柱通道均與所述水柱進水口連通；

經過所述水柱出水口的中心的所述鋼管匹配接觸面的垂線與所述檢測水柱通道中心線之間的夾角為α_l，經過所述水柱出水口的中心的所述鋼管匹配接觸面的垂線與所述檢測水柱通道中心線之間的夾角為α_l′，且α_l＝α_l′；

所述檢測水柱通道的上端設置所述檢測探頭，所述耦合監視水柱通道的上端設置所述耦合監視探頭；所述檢測探頭的沿所述檢測水柱通道對準所述水柱出水口的中心，所述耦合監視探頭的沿所述耦合監視水柱通道也對準所述水柱出水口的中心；

至少一個所述單體水柱耦合監視裝置中的α_l＝18.9°；并且至少一個所述單體水柱耦合監視裝置中的α_l＝23.4°；并且至少一個所述單體水柱耦合監視裝置中的α_l＝25.5°。

2.根據權利要求1所述的鋼管焊縫自動超聲波檢測的水柱耦合監視裝置，其特征在于：包括三個單體水柱耦合監視裝置。

3.根據權利要求1所述的鋼管焊縫自動超聲波檢測的水柱耦合監視裝置，其特征在于：所述水柱進水口上設置有進水開關。

4.根據權利要求1所述的鋼管焊縫自動超聲波檢測的水柱耦合監視裝置，其特征在于：所述鋼管匹配接觸面為圓弧面。

5.根據權利要求1所述的鋼管焊縫自動超聲波檢測的水柱耦合監視裝置，其特征在于：還包括相互通過探頭線連接的信號采集處理裝置、顯示裝置和信號保存裝置，所述檢測探頭和所述耦合監視探頭均通過探頭線連接到所述信號采集處理裝置。

6.一種根據權利要求1至5任意之一所述的鋼管焊縫自動超聲波檢測的水柱耦合監視裝置的設計方法，其特征在于，包括步驟如下：

第一步，確定水柱耦合檢測中的聲波傾斜入射到界面時的反射、折射原理：

當超聲縱波L傾斜入射到水/鋼界面時，除在水中產生反射縱波L′和在鋼中產生折射縱波L″外，還會在鋼中產生折射橫波S；各種反射波和折射波方向符合反射、折射定律：

SinαlCl1=Sinαl′Cl1=SinβlCl2=SinβsCs---(1)]]>

式中：C_l1為水中波速；

C_l2、Cs為鋼中縱波、橫波波速；

α_l、α_l′為縱波入射角、反射角；

β_l、β_s為橫波折射角；

由于在同一介質中縱波波速不變，因此α_l＝α_l′；又由于在同一介質中縱波波速大于橫波波速，因此β_l>β_s；

第一臨界角α_Ⅰ：由(1)式可得：當C_l2>C_l1時，β_l>α_l，隨著α_l的增加，β_l也增加，當α_l增加到一定程度時，β_l＝90°，這時所對應的縱波入射角稱為第一臨界角，用α_Ⅰ表示；通過計算可知，縱波入射到水/鋼界面時，第一臨界角α_Ⅰ＝14.5°；

第二臨界角α_Ⅱ：由(1)式可得：當Cs>C_l1時，β_s>α_l，隨著α_l的增加，β_s也增加，當α_l增加到一定程度時，β_s＝90°，這時所對應的縱波入射角稱為第二臨界角，用α_Ⅱ表示；通過計算可知，縱波入射到水/鋼界面時，第二臨界角α_Ⅱ＝27.3°；

第二步，確定水柱耦合探頭的入射角、反射角及折射角的選擇：

縱波入射到水/鋼界面時，當入射角選擇在第一臨界角α_Ⅰ與第二臨界角α_Ⅱ之間即14.5°～27.3°時，鋼中沒有折射縱波，只有折射橫波；

油氣輸送鋼管焊縫自動超聲波檢測中水柱耦合法檢測應用的是將入射縱波在水/鋼界面經過反射在水中反射縱波和經過折射在鋼中折射橫波；

由于油氣輸送鋼管焊縫自動超聲波檢測中水柱耦合探頭常用折射角為45°、60°和70°，因此，常用水柱耦合探頭的折射角、反射角和入射角選擇如下表；

水柱耦合探頭入射角α_l折射角βs反射角α_l′1#18.9°45°18.9°2#23.4°60°23.4°3#25.5°70°25.5°

注：1、入射角等于反射角；

2、入射角應在14.5°～27.3°范圍內；

3、實際檢測參數選擇時，入射角和反射角由折射角決定；

第三步，確定水柱耦合探頭耦合監視的設計：

通過以上的聲波入射、反射和折射原理及入射角、反射角和折射角選擇原則的分析可知，油氣輸送鋼管焊縫自動超聲波檢測中水柱耦合探頭的耦合監視設計應遵循如下原則：

①檢測探頭的入射波為縱波；

②耦合監視探頭的接收聲波為縱波；

③檢測探頭的入射角等于耦合監視探頭的反射角；

④檢測探頭的入射角應在14.5°～27.3°范圍內；

⑤實際檢測中折射角的選擇決定了檢測探頭的入射角和耦合監視探頭的反射角；

根據以上選擇原則，油氣輸送鋼管焊縫自動超聲波檢測中水柱耦合探頭的耦合監視設計主要由檢測探頭、耦合監視探頭和支撐架構成；

為了有效地檢測油氣輸送鋼管焊縫將2個水柱耦合探頭對等分布在焊縫兩側。