CN201993342U - 发电机护环端头裂纹超声波探伤装置 - Google Patents

Abstract

一种发电机护环端头裂纹超声波探伤装置，包括A型脉冲式超声波探伤主机和与主机连接的超声波探头、可调式探头支架。所述超声波探头是由可调探头支架连接的两只单晶探头组成单收发串列式，每只探头的外壳为矩形，所述外壳内置有连接联线的压电晶体，所述压电晶体粘结在透声楔块上后背灌声吸收体，所述联线经引线座引出并与A型脉冲式超声波探伤主机的信号输入、输出端分别连接组成单收发式；两只探头各横向穿有一根可调整距离、角度的支架杆。两根支架杆均在一端开有铰接孔，并由可调节两探头角度的铰轴相互铰接。本实用新型操作方便，检测准确率高，能有效发现发电机护环中垂直于探伤面的裂纹，可广泛应用于发电机护环裂纹探伤中。

Description

发电机护环端头裂纹超声波探伤装置

技术领域

本实用新型涉及一种无损检测超声波探伤装置。

背景技术

超声波探伤是利用超声能在材料的内部传播，当声波由一介质进入另一介质时，遇异质界面产生反射、折射的特点来检查零件缺陷的一种方法。探测时，探伤装置利用脉冲电讯号激励压电换能器发射超声波，超声波束自工件表面由探头入射到工件内部，遇异质界面时就发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些反射的脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

发电机护环是发电设备中较为重要的部件，它处于高转速、高应力状态下运行。常出现的问题是由于电晕放电内壁灼伤产生的裂纹，这是普遍公认的，也有成熟的探伤方法和探伤标准。在实施探伤时两端头会发现有间断出现的反射波，该波是由应力或透入波造成，属固有信号。产生的机理是当超声波以某一角度，从一介质入射到第二介质时，由于两种介质的声速不同就会产生反射射现象，往往会伴有波形转换。即使在同一介质中由于某种原因（如应力不同）各部分的声速出现差异，声波传播时就相当于遇到声阻抗不同的界面，也会发生声波的折射现象而产生回波。缺乏探伤经验时往往会误认为是裂纹波(这已有判错的先例)，若判为裂纹势必要将护环拔下，这会造成很大的经济损失。裂纹扩展到一定数值时会导致护环飞裂酿成设备和人员伤亡（这也有先例）。产生的原因是发动机护环运行时间较长，由于护环与轴颈是加热套装，属过应力配合。护环与轴颈刚度有差异，一般护环较轴颈刚度高，刚度低的就会在接触部位会发生永久性塑性变形，从而使两者之间过应力值降低，部分部位产生间隙而形成冲击印痕。在运行中，长期高速振动下就产生交变应力而酿成疲劳裂纹，裂纹不断扩展就会酿成事故。

此处产生的裂纹与上述固有信号处在同一部位，按常规探伤方法想要区分是很难的事，常把裂纹误认为是固有波。鉴于以上情况课题组经多年潜心研究和试验最终选用了交叉式串列探头法从中提取了裂纹动态波解决了上述难题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种发电机护环端头裂纹超声波探伤装置，要解决当固有讯号和缺陷讯号同时存在时难以提取裂纹动态讯号的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种发电机护环端头裂纹超声波探伤装置，包括A型脉冲式超声波探伤主机和与主机连接的超声波探头、可调式探头支架，所述超声波探头是由可调探头支架连接的两只单晶探头组成单收发串列式，每只探头的外壳为矩形，所述外壳内置有连接联线的压电晶体，所述压电晶体粘结在透声楔块上后背灌声吸收体，所述联线经引线座引出并与A型脉冲式超声波探伤主机的信号输入、输出端分别连接组成单收发式；探头角度为28°—40°，两只探头各横向穿有一根可调整距离、角度的支架杆，穿过外壳由紧钉螺钉紧固连接，两根支架杆均在一端开有铰接孔，并由可调节两探头角度的铰轴相互铰接，铰接处的夹角在30°～180°之间连续可调。工作角度一般在100°～160°。

所述A型脉冲式超声波探伤主机可以是数字式或模拟式。

所述压电晶体可以竖置倾斜摆放，短边在下，压电晶体的尺寸为7×16mm～9×18mm。

所述支架杆的横截面可以呈正方形或长方型。

所述支架杆的长度大于KT+50mm，K是探头K值, T是发电机护环厚度。

与现有技术相比本实用新型具有以下特点和有益效果：

本实用新型克服了传统检测技术当固有讯号和缺陷讯号同时存在时难以提取裂纹动态讯号的技术问题，由于采用了交叉串列式超声波探头且利用当有缺陷时波幅降低或消失理论来提取裂纹动态讯号，本实用新型可迅速而准确的查找出发电机护环内壁中的裂纹部位，操作方便、检测准确率高。可广泛应用于发电机护环裂纹探伤中。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型超声波探头正面结构示意图。

图3是本实用新型超声波探头侧面结构示意图。

图4是本实用新型超声波探头俯视结构示意图。

图5是本实用新型超声波探头前后放置时结构示意图。

图6是本实用新型超声波探头平行放置时结构示意图。

图7是本实用新型超声波探头交叉串联放置时结构示意图。

图8是本实用新型超声波探头交叉串联放置时另一张结构示意图。

图9是本实用新型连接杆结构示意图。

图10是本实用新型连接杆另一张结构示意图。

图11是本实用新型紧钉螺钉结构示意图。

附图标记：1－超声波探头、1.1－外壳、1.2－铭牌槽、1.3－声吸收体、1.4－联线、1.5－压电晶体、1.6－透声楔块、1.7－支架杆穿孔、1.8－紧钉孔、2－引线座、3－紧钉螺钉、4－支架杆、5－铰轴、6－脉冲式超声波探伤主机。

具体实施方式

实施例参见图1-图4所示，一种发电机护环端头裂纹超声波探伤装置，包括A型脉冲式超声波探伤主机6和与主机连接的超声波探头1、可调式探头支架，其特征在于：所述超声波探头1是由可调探头支架连接的两只单晶探头组成单收发串列式，每只探头的外壳1.1为矩形，所述外壳1.1内置有连接联线1.4的压电晶体1.5，所述压电晶体1.5粘结在透声楔块1.6上后背灌声吸收体，所述联线1.4经引线座2引出并与A型脉冲式超声波探伤主机6的信号输入、输出端分别连接组成单收发式；探头角度为28°—40°，两只探头各横向穿有一根可调整距离、角度的支架杆4，穿过外壳1.1由紧钉螺钉3紧固连接，两根支架杆4均在一端开有铰接孔，并由可调节两探头角度的铰轴5相互铰接，铰接处的夹角在30°～180°之间连续可调。工作角度一般在100°～160°。所述A型脉冲式超声波探伤主机6是数字式或模拟式。所述压电晶体1.5竖置倾斜摆放，短边在下，压电晶体的尺寸为7×16mm～9×18mm。所述支架杆4的横截面呈正方形或长方型。所述支架杆4的长度大于KT+50mm，K是探头K值, T是发电机护环厚度。

参见图5-图8，本实用新型的工作过程：利用本实用新型提取裂纹，此种方法在常规探伤中的目的，一是为了测定当工件厚度和试块厚度不同时dB差值，或测试试块与工件由于表面粗燥度引起的声能损失；其二是为了发现与工件面平行的缺陷。而本实用新型与其相反，则是利用了当缺陷垂直于探伤工件面时，声波受到阻挡而接受探头接受不到声波这一特点而进行判伤的。

本实用新型是靠一发一收两只探头进行探伤。探头按常规有三种摆放形式，一种是两只探头压电晶片同向放置，即一前一后摆放；一种是两只探头并列摆放，这两种探头摆放形式，当工件无缺陷时则收不到回波，或收到较弱的焦点波（属固有波），有缺陷时会收到缺陷波。第三种是两只探头压电晶片相对摆放呈交叉式，当无缺陷时发射探头发射的声波在工件底部发生反射，由于两只探头频率、角度、尺寸都相同，接受探头会全部接收到底面反射波。一旦有缺陷时发射探头的声波受到阻挡，接受探头接受不到声波或接收到少量回波则底面反射波会明显降低或完全消失，本实用新型就是利用这一特点判定了裂纹存在与否。

探头角度选定：考虑到护环较厚，材质为奥氏型，又加上采用两只探头，若采用较大的角度则两探头跨距大，声能在介质中会造成大的衰减，本实用新型将探头角度选定28°-40°左右。

频率选定原则：

由平面波声压衰减方程P_x=P₀e^-ax（1）

式中

Po——波源的起始声压；

P_x――至波源距离为x处的声压；

x——至波源的距离；

a——介质衰减系数，单位为NP/mm；

e——自然对数的底数（e=2.718……）。

a=a_a+a_s

a_a=c₁f

a_s=                                               

式中 f——声波频率；

d——介质的晶粒直径；

λ——波长；

c₁、c₂、c₃、c₄——常数。

由以上公式（1）可知：

（1）介质的吸收衰减与频率成正比。（2）介质的散射衰减与介质的晶粒直径成正比。在实际探伤中，当介质的晶粒粗大时或选用了高的频率时就会引起严重衰减，使超声波穿透能力显著降低。过去中小型发电机组护环常用材质一般为40Mn18Cr3、40Mn18Cr4V、50Mn18Cr4V、50Mn18Cr4N、50Mn18Cr4WN属奥氏体钢。对于老机组，发电机护环材质晶粒较粗大，声能在介质中传播时损失较大，宜采用低频率探头。对于近来大机组护环目前300-600MW发电机组护环常用材质一般为1Mn18Cr18N等材，情况有了很大改善，晶粒一般较细小，可采用中等频率探头，本实用新型鉴于两者之间选用了1.8-2.5MHｚ。

晶片尺寸选定原则：

dp=

sin(

t-kr)   (2)

式中P₀——波源的起始声压;

ds——点波源的面积；

λ——波长；

r——点波源至Q点的距离；

k——波数，k=ω/c=2π/λ；

ω——圆频率，ω=2πf；

t——时间。

考虑到发电机护环一般较厚，又属奥氏体钢需要交大的发射功率。

对于粗晶材质的发电机护环宜采用较大尺寸探头，对于细晶材质的发电机护环宜采用中等尺寸探头，本实用新型鉴于两者之间选用了7×16mm压电晶片竖直放置，短边在下。其另一个原因是力求发现较小裂纹，其机理为：由式（2）得知声压与压电晶片的面积成正比，当裂纹尺寸较小时若选用了较大尺寸压电晶片，则声波具有绕射特性可能绕过裂纹仍然产生底面反射波，裂纹起不到隔离声波作用。反之若选用了较小面积尺寸的压电晶片，则声波发射能量不足裂纹会检测不到，所以又不能将压电晶片选的过小。选用了7×16mm压电晶片竖直放置即保证了发现小缺陷又保证了探头的发射功率。

探头支架研制：为保证两只探头相对稳定本实用新型研制了可调整式探头支架。其作用之一，两只探头之间距离可以调整，其二两只杆角度可以调整，以保证两只探头良好与护环外表面接触。以适应不同厚度的发电机护环的探伤要求。

试块研制：为满足检测需要，研制成弧形超声波护环试块， 其厚度值可选用接近本单位护环厚度，用Ф0.3mm钼丝线切割出槽三只，槽深尺寸为0.5 mm、1 mm或3mm。其目的是为了能发现较小的裂纹和掌握裂纹动态。

超声波探伤仪选定原则：目前通用的Ａ型脉冲式超声波探伤仪，模拟机或数字机均可。

仪器调试：用其中一只探头在CSK-ⅠA试块上测定探头入射点和探头K值 ,在CSK-ⅢA试块上调整扫描速度然后将探伤方式改为双探头工作。

探头组装及探伤：将两只探头分别装入两只方形杆内，在发电机护环圆弧面上找出底面最高回波将其调整到80%波高后固定连接杆和两探头定位螺丝即可进行正常探伤。

模拟辨认：将调整好的探头放置于试块上0.5mm线切割槽两侧，使探头逐渐跨越线切割槽，此时会发现随探头移动波幅产生突降而后又突生现象，波幅降低幅度为原来50%即降低6dB，或波幅降低幅度为原来25%即降低12dB，当后一只探头跨过线切割槽时底面回波又立即恢复到80%。

进行实际探伤裂纹辨认：先将发电机护环底面回波调整为80%。探伤时当发现波形突降低时可反复左右移动探头若有再现性且降低幅度≥6dB时可判为裂纹；探伤时，有时发现底面回波出现抖动现象即快速升高和降低也可进行判伤。

Claims (5)

1.一种发电机护环端头裂纹超声波探伤装置，包括A型脉冲式超声波探伤主机（6）和与主机连接的超声波探头（1）、可调式探头支架，其特征在于：所述超声波探头（1）是由可调探头支架连接的两只单晶探头组成单收发串列式，每只探头的外壳（1.1）为矩形，所述外壳（1.1）内置有连接联线（1.4）的压电晶体（1.5），所述压电晶体（1.5）粘结在透声楔块（1.6）上后背灌声吸收体，所述联线（1.4）经引线座（2）引出并与A型脉冲式超声波探伤主机（6）的信号输入、输出端分别连接组成单收发式；探头角度为28°—40°，两只探头各横向穿有一根可调整距离、角度的支架杆（4），穿过外壳（1.1）由紧钉螺钉（3）紧固连接，两根支架杆（4）均在一端开有铰接孔，并由可调节两探头角度的铰轴（5）相互铰接，铰接处的夹角在30°－180°之间连续可调，工作角度一般在100°－160°。

2.根据权利要求1所述的发电机护环端头裂纹超声波探伤装置，其特征在于：所述A型脉冲式超声波探伤主机（6）是数字式或模拟式。

3.根据权利要求2所述的发电机护环端头裂纹超声波探伤装置，其特征在于：所述压电晶体（1.5）竖置倾斜摆放，短边在下，压电晶体（1.5）的尺寸为7×16mm～9×18mm。

4.根据权利要求2所述的发电机护环端头裂纹超声波探伤装置，其特征在于：所述支架杆（4）的横截面呈正方形或长方型。

5.根据权利要求2所述的发电机护环端头裂纹超声波探伤装置，其特征在于：所述支架杆（4）的长度大于KT+50mm，K是探头K值, T是发电机护环厚度。

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