探头旋转设备中多探头布置与横向检测螺距的关系

2020-12-19严欣贤周友鹏王子成左义锋

无损检测 2020年3期

严欣贤，周友鹏，王子成，左义锋

(武汉中科创新技术股份有限公司，武汉 430068)

探头旋转技术是一种检测速度较高的螺旋扫查技术，国内的探头旋转技术主要是从跟踪、学习国外的探头旋转技术发展而来的，国内探头旋转检测设备的发展壮大使得国内的探头旋转检测技术越来越成熟[1]。目前，针对如何确定螺距、如何布置探头等的分析还较少，以下仅对多探头布置与检测螺距的关系进行模拟分析，为相关技术人员提供借鉴和参考。

1 组合式多探头结构

在探头旋转设备转速一定的情况下，为了进一步提高检测速度，需要增加探头的数量。采用单晶片的独立探头时，由于探头晶片外部有外壳，所以随着探头数量的增多，旋转探头的结构会增大。为了减小结构体积，后来出现了组合式多探头。组合式多探头是由一整块晶片通过后期的切割做成的多个探头，由于组合式多探头共用一个外壳，所以相对于多个单体探头，其具有结构更紧凑、探头有效覆盖区之间的非检测区间更小的特点，因此在探头旋转设备中的应用更加广泛。其尽管是组合晶片，但晶片之间的有效覆盖区域也不能完全搭接，组合晶片长度与单晶片覆盖长度之间的关系如图1所示。

图1 组合晶片长度与单晶片覆盖长度之间的关系

2 多探头布置与螺距的关系

依据标准YB/T 4082-2011《钢管自动超声探伤系统综合性能测试方法》与GB/T 5777《无缝钢管超声波探伤方法》，超声波自动化设备可用于检测无缝钢管的纵向、横向缺陷，通常所说的检测速度也是设备对于纵向缺陷的检测速度[2-3]。由于横向缺陷在探头长度方向的尺寸更小(最大宽度不超过1.5 mm)，所以对于纵横向都需要检测的设备，横向缺陷的探头覆盖区域、检测速度对设备的影响更大，为了避免设备漏报，以检测横向缺陷的组合探头为例，对探头布置与螺距进行分析。

2.1 横向缺陷检测探头

横向检测用组合探头的单个晶片尺寸(长×宽)为12 mm×14 mm，单个晶片-6 dB的有效检测区域为6.8 mm(大于晶片尺寸的0.5倍)。依据标准YB/T 4082和GB/T 5777，横向检测为双向检测，为了研究方便，仅以单向检测用的横向检测探头为例进行分析。为了实现工件正转、反转的正常检测，同向检测的探头应在一个圆周上均匀分布。

2.1.1 2个探头180°布置

2个探头分为2组，每组1个探头，且在螺钉圆周上为180°分布。2个探头的布置及检测方法示意如图2所示，其检测参数如表1所示。

表1 2个探头的检测参数 mm

图2 2个探头的布置及检测方法示意

图2(a)中黄色部分表示右侧探头的检测区域，蓝色部分表示左侧探头的检测区域，凸起的白色区域表示该区域漏检,探头轴向距离表示呈180°分布的2个探头在工件轴向投影的位置距离。

2个探头的覆盖区间变化示意如图3所示，图3中的探头1,2表示设计的探头，阴影部分表示探头的有效覆盖，钢管左边的探头2和钢管右边的探头1在回转腔体的位置上相差180°，所以当探头1单独运动到探头2的位置时，探头1与初始位置相差半个螺距。位于钢管左边的探头2可上下移动，表示探头1和探头2之间的初始相对位置差。从钢管右侧的图形分析可知，为了确保横向检测100%覆盖，当且仅当两个探头的覆盖区刚好接触时，两个探头的有效覆盖区域最大。此时探头1、探头2在钢管长度方向上齐平。

图3 2个探头的覆盖区间变化示意

从以上分析可以看出，对于2组探头，实现100%覆盖时，探头分布和螺距之间有如下关系。

(1) 探头在轴向沿长度方向距离差为0 mm。

(2) 横向检测的最大螺距为13.6 mm。

(3) 组合探头的覆盖区长度为首尾探头的有效覆盖长度之和。

2.1.2 4个探头180°布置(2组合晶片)

4个探头分2组，每组2个探头，且每组之间在圆周上为180°分布。4个探头的覆盖情况和螺距如表2所示，其布置及检测方法示意如图4所示。

图4 4个探头的布置及检测方法示意

表2 4个探头的覆盖情况和螺距 mm

图4中，当螺距减到26 mm时，探头之间还存在0.4 mm的区域漏检，实际的螺距=探头长度+2×单晶片覆盖长度，无漏检时，探头轴向距离为单晶片覆盖。

4个探头的覆盖区间变化示意如图5所示，图5中的探头1～4表示设计的探头，阴影部分表示探头的有效覆盖区域，钢管左边的探头1，2和钢管右边的探头3，4在回转腔体的空间位置上相差180°，所以左右两侧的探头组(3，4)位置相差半个螺距。位于钢管左边的探头1，2可上下移动的距离，表示探头1，2和探头3，4之间的初始相对位置差。从钢管右侧的图形分析可知，为了确保横向检测100%覆盖，当且仅当探头1，3或探头2，4的覆盖区刚好接触时，4个探头的有效覆盖区域最大。此时探头1，3在钢管长度方向的位置差为半个螺距减去1个探头的有效覆盖长度。

图5 4个探头的覆盖区间变化示意

从以上分析可知，对于2组各2个探头，实现100%覆盖时，探头分布和螺距之间有如下关系。

(1) 探头在轴向沿长度方向距离差为6 mm(半螺距减去1个晶片的覆盖区域长度)。

(2) 横向检测的最大螺距为25.6 mm。

(3) 组合探头的覆盖区间长度为前后2个覆盖区之和再加上一个晶片的长度。

2.1.3 6个探头180°布置(三组合晶片)

6个探头的覆盖情况和螺距如表3所示，6个探头的布置和检测方法示意如图6所示。

表3 6个探头的覆盖情况和螺距 mm

图6的三维图中黄色部分表示右侧探头的检测区域，蓝色部分表示左侧探头的检测区域，凸起的白色区域表示该区域漏检，探头轴向距离表示呈180°分布的两个探头在工件轴向投影的位置距离。

图6 6个探头的布置及检测方法示意

6个探头的覆盖区间变化示意如图7所示，图7中的探头1～6表示设计的探头，阴影部分表示探头的有效覆盖区域，在钢管左边有探头1～3，钢管右边有探头4～6。由于钢管左右两侧的探头4～6位置相差180°，所以左右两侧的4～6探头组位置相差半个螺距。位于钢管左边的探头1～3可上下移动的距离，表示探头1～3和探头4～6之间的初始相对位置差。从钢管右侧的图形分析可知，为了确保横向检测100%覆盖，当且仅当探头1，4或探头3，6的覆盖区刚好接触时，6个探头的有效覆盖区域最大。此时探头1、探头4在钢管长度方向的位置差为半个螺距减去1个探头的有效覆盖长度。如果左右两侧的探头位置差大于一个晶片的长度，可以减去1个探头的晶片长度，表示上一个螺距和当前螺距互补后可实现100%覆盖。

图7 6个探头的覆盖区间变化示意

从以上分析可知，对于2组各3个探头，实现100%覆盖时，探头分布和螺距之间有如下关系。

(1) 探头在轴向沿长度方向距离差为0 mm(半个螺距减去1个晶片的覆盖区域长度和1个晶片长度)。

(2) 横向检测的最大螺距为37.6 mm。

(3) 组合探头的覆盖区间长度为前后2个覆盖区之和再加上2个晶片的长度尺寸。

2.1.4 8个探头180°布置(四组合晶片)

同上，8个探头的覆盖情况和螺距如表4所示，8个探头的布置及检测方法示意如图8所示。

表4 8个探头的覆盖情况和螺距 mm

图8的三维图中黄色部分表示右侧探头的检测区域，蓝色部分表示左侧探头的检测区域，凸起的白色区域表示该区域漏检，探头轴向距离表示呈180°分布的两个探头在工件轴向投影的位置距离。

图8 8个探头的布置及检测方法示意

8个探头的覆盖区间变化示意如图9所示。图9中的探头1～8表示设计的探头，阴影部分表示探头的有效覆盖，钢管左边有探头1～4，钢管右边有探头5～8。由于钢管左右两侧的探头5～8位置相差180°，所以左右两侧的5～8探头组位置相差半个螺距。位于钢管左边的探头1～4可上下移动的距离，表示探头1～4和探头5～8之间的初始相对位置差。从钢管左侧的图形分析可知，为了确保横向检测100%覆盖，当且仅当探头1，5或探头4，8的覆盖区刚好接触时，8个探头的有效覆盖区域最大。此时探头1、探头5在钢管长度方向的位置差为半个螺距减去1个探头的有效覆盖长度。如果左右两侧的探头位置差大于一个探头的距离，可以减去1个或多个探头的晶片长度，表示上一个螺距和当前螺距互补后实现100%覆盖。