[发明专利]支柱瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种瓷绝缘子表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，属于超声波相控阵检测领域，可以实现对电网高压支柱瓷绝缘子（以下简称“瓷瓶”）表面及近表面缺陷超声波相控阵检测。

背景技术

国家电力行业推荐的“瓷瓶”表面及近表面缺陷超声波检测方法为爬波检测法。

爬波系是折射角为接近90°的压缩纵波，其引起的质点振动是纵波和横波的叠加，声束中包含有横波的成分，速度变化范围为0.8-0.95C（C为纵波声速）。爬波是当第一介质中的纵波入射角位于第一临界角附近时，在第二介质中产生的。这时第二介质中除了表面下纵波外，还存在折射横波。这种表面下纵波不是纯粹的纵波，还存在有垂直方向的位移分量。爬波检测表面粗糙的工件的表面及近表面缺陷，其灵敏度和分辨力均比表面波高。目前为止解决“瓷瓶”被检区域表面有粘沙、水泥和铸铁法兰等覆盖物的特定条件下超声波检测唯有此法。

爬波检测法是建立在纵波倾斜入射，利用探头前方声楔块产生波型转换而获得。本发明是利用超声相控阵检测技术，利用纵波直接入射到工件中，对表面及近表面缺陷进行检测。超声波相控阵探头是多个压电晶片的集成，各个晶片按一定的规律分布排列，逐次按预先确定的延迟时间激发各个晶片，所有晶片发射的超声波形成一个整体波阵面，能有效地控制超声波束（波阵面）的形状和偏转，可以实现超声波的波束偏转和聚焦。为确定缺陷的位置、形状、大小和方向提供出传统的超声波检测更多信息。我们通过采用本发明的检测方法，对“瓷瓶”表面及近表面缺陷进行检测，取得了良好的检测效果。经过实验，可有效检出探头入射点前50mm范围内深度为3mm的表面模拟裂纹缺陷，缺陷波的可辨识性由于爬波检测。

爬波检测存在一定的局限性。爬波在传播过程中连续发生由纵波向横波的波型转换，导致在传播过程中波幅衰减也相当严重，其衰减规律大致与声程的四次方成反比，使得检测范围受到很大限制。在目前大多数实际应用中，都采用双晶探头对焦点附近的缺陷进行检测。通过多年来的实验证实存在以下不足：

a.缺陷反射波不单一，多为一束波，缺陷波与杂波很难区分。结合图1，从图2可以看出，当声程为34.84mm时，杂波与缺陷反射波反射当量之比已接近50%；

b.探伤系统始波范围大，实际检测中，探头前20mm范围内基本无法发现缺陷或根本无法区分始波与缺陷波；

c.爬波探头能量损耗很快，有效检测范围较小。

实际工件检测中，杂波反射更为强烈。基于上述种种原因，实际应用中基层检测人员对爬波检测法难以掌握，检测难以开展。

发明内容

本发明的目的是，充分利用超声波相控阵的声束偏转和聚焦特性，摒弃传统的相控阵探头前方加装楔块，纵波检测只扫查工件内部较小的角度限定范围，对表面和近表面缺陷无法检测的理念；进而研发一种更为合理的、操作性强的检测方法，克服表面波检测法对工件表面粗糙度要求高，以及爬波检测法波形不单一、衰减极快和杂波波幅过高的缺点，改善“瓷瓶”表面及近表面缺陷的检测现状；并通过试验研究，解决类似条件的其它工件的表面及近表面缺陷的检测问题。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

“瓷瓶”表面及近表面缺陷超声波相控阵检测方法，包括，探头前方不使用楔块，将压电晶片直接作用于被检工件表面产生纵波，主声束在传播过程中不发生波型转换，通过相控阵超声检测的声束偏转和聚焦法则，实现对被检工件表面全角度（接近180°范围）的扫查。

优选的，在探头前方只安装一层较薄的保护膜。

压电晶片的数量选择20-32个。

探头选择5MHz，9×0.5mm，32晶片探头，纵波波长为：1.27mm，半波长：0.635mm。

由于压电晶片与工件直接接触，产生的纵波只在第一介质(工件)中传播，主声束不发生波型转换。换能器中的单个晶片的宽度（0.5mm）都远小于自身长度(9mm)，每一个晶片在较小的声程范围内，可以简化近似地被理解为发射单一柱面波的波源。通过调整仪器控制单个晶片的激励延时，使单个晶片产生的柱面波在换能器前方接近水平方向一定范围内，按一定步长逐点合成聚焦。当传播过程中遇到反射体时，反射体又成为新的波源，探头接收后在仪器界面形成缺陷显示。

在超声波相控阵无楔块、纵波扇形扫描模式下，扫描角度控制在60-80°范围进行扇形扫描。通过对探头前方50mm范围内，深度为3mm模拟裂纹（国网公司执行标准扫查灵敏度为深度5mm，长度30mm）缺陷进行检测，获得的缺陷波型单一，无非相干反射波信号，完全满足“瓷瓶”表面及近表面缺陷的检测要求。