[发明专利]圆管在线应力的超声测试装置及方法

摘要

圆管在线应力的超声测试装置及方法，涉及管道安全测试领域，为了解决现有测量管道缺陷的方法只能在管道已经存在缺陷损伤时才能测试到，无法进行预测，所采用的设备复杂昂贵、不便携带的问题。一对压电换能器沿待测圆管的轴向分布，另一对压电换能器沿待测圆管的环向分布，每对压电换能器中的一个压电换能器用于发射超声纵波，超声纵波以临界折射纵波即LCR波的形式沿圆管传输，另一个压电换能器用于接收临界折射纵波，测量发射和接收超声波的时间间隔，采用温度补偿修正公式计算圆管轴向应力，采用管道弧度修正公式计算圆管环向应力。本发明适用于测量圆管在线应力。 1

主权项

1.圆管在线应力的超声测试装置，其特征在于，该装置包括两对压电换能器、时间测量电路模块、液晶显示及交互模块和低功耗处理器；

一对压电换能器沿待测圆管的轴向分布，另一对压电换能器沿待测圆管的环向分布，每对压电换能器中的一个压电换能器用于发射超声纵波，超声纵波以临界折射纵波即L_CR波的形式沿圆管传输，另一个压电换能器用于接收临界折射纵波；

时间测量电路模块，用于测量发射和接收超声波的时间间隔；

液晶显示及交互模块，用于参数设定及显示；

低功耗处理器，用于控制超声波发射的频率，读取发射和接收超声纵波的时间间隔并计算应力，还用于向液晶显示及交互模块发送显示信号。

2.根据权利要求1所述的圆管在线应力的超声测试装置，其特征在于，还包括两个有机玻璃楔块；

每对压电换能器通过一个有机玻璃楔块固定在待测圆管上，有机玻璃楔块与待测圆管吻合的面为凹面，每个压电换能器与相应有机玻璃楔块凹面的法线成第一临界角。

3.圆管在线应力的超声测试方法，基于上述任意一项权利要求所述的圆管在线应力的超声测试装置实现，其特征在于，包括实验室标定步骤和现场测试步骤：

实验室标定步骤用于标定零应力时L_CR波飞行时间t₀、材料应力系数K，获得温度补偿修正公式和管道弧度修正公式；还用于将获得的结果存储于低功耗处理器；

现场测试步骤具体为：

步骤二一、耦合压电换能器的探头；

步骤二二、参数设定；

步骤二三、采用圆管在线应力的超声测试装置进行测试，获得发射和接收超声纵波的时间间隔；

步骤二四、根据发射和接收超声纵波的时间间隔，采用温度补偿修正公式计算圆管轴向应力，采用管道弧度修正公式计算圆管环向应力。

4.根据权利要求3所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，现场测试步骤中在步骤一之前还包括如下步骤：

对被测圆管表面进行打磨，使其表面粗糙度满足要求。

5.根据权利要求3所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，实验室标定步骤具体为：

步骤一一、选取与被测圆管相同材质的试件作为标定试件；

步骤一二、对试件进行处理得到零应力试件；

步骤一三、标定零应力时L_CR波传输时间t₀；

步骤一四、标定材料应力系数K；

步骤一五、进行温度补偿修正，得到温度补偿修正公式；进行管道弧度修正，得到管道弧度修正公式。

6.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一二具体为：对试件进行表面处理和热处理得到零应力试件：

对试件表面进行打磨，使其表面粗糙度满足要求，再对试件进行热处理，将试件加热至480℃，恒温2小时，然后随炉冷却。

7.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一三具体为：

在压电换能器的探头探测面上均匀涂抹固定量的耦合剂，并固定探头；

将零应力试件放置在标定温度下的恒温箱内，等待5分钟‑10分钟；

每隔固定时间测量一次发射和接收超声纵波的时间间隔即零应力时L_CR波传输时间t₀，当t₀变化小于±0.5ns时，则认为耦合状态稳定；

耦合状态稳定后，多次测量t₀，求取平均值作为零应力时L_CR波传输时间t₀。

8.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一四具体为：

将试件固定在拉伸试样机上，试件温度保持恒定；

在压电换能器的探头探测面上均匀涂抹固定量的耦合剂，并固定探头，超声纵波加载方向与拉伸试样机加载的应力方向平行；

每隔固定时间测量一次发射和接收超声纵波的时间间隔t₀，当t₀变化小于±0.5ns时，则认为耦合状态稳定；

耦合状态稳定后，拉伸试样机开始加载多组应力，计算每组应力变化量Δσ下相对于零应力状态的声时差Δt；

对Δσ‑Δt进行拟合，Δσ＝KΔt，拟合出的比例系数即为材料应力系数K。

9.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一五的温度补偿修正公式为：

σ＝K[t‑(0.41405T‑0.87406)]

其中，T为圆管温度，σ为温度补偿后的圆管应力，t为发射和接收超声纵波的时间间隔。

10.根据权利要求5所述的圆管在线应力的超声测试方法，其特征在于，步骤一五的管道弧度修正公式为：

其中，σ为管道弧度补偿后的圆管应力，R为圆管外表面曲率半径，L为平面试件时圆管内的声程，V_couplant为耦合剂中的声速。