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1、中国电机工程学会第十三届青年学术会议论文集火电厂管道超声导波检测技术研究刘宇哲，丘国平（上海明华电力技术工程有限公司 上海 200090）Technology of pipeline ultrasonic guided wave detection in thermal power plantYuzhe Liu,Guoping Qiu（Shanghai minghua power technology engineering CO.LTD SHANGHAI200090）处，受到 Lamb 波可以检测板材缺陷的事实的启发，对比检测过程中二者的相同和异同，对超声 导波检测管道缺陷的可行性进行了探讨
2、。2.1 实验装置实验系统试件的布置则如图 1 所示。其中， 薄壁板厚度为 16mm，薄壁管道厚度也为 16mm 。 超声探头为 1MHz 斜探头。斜探头通过藕合剂作 用于试件(薄壁板和薄壁管道)的表面，为了便于 对比， 在板 上斜探 头 至 V 形槽距离设 置为 ABSTRACT:Research on the basic theory of ultrasonic guided waves, determine the wavedetection technique of ultrasonic guided, and expounds the detection signalanalysis
3、 principle and matters needing attentionKEYWORD:Guidedwave; modal;pipeline; sheet; detection摘要：研究了超声导波的基本理论，确定了超声导波波检测的工艺方法，阐述了检测信号分析的原则及注意事 项。300mm，而在管道斜探头至 V300mm。形槽距离也设置关键词：导波；模态；管道；板材；检测1 引言火力发电厂锅炉受热面通常用优质无缝钢 管加工而成，过热器、再热器、水冷壁管等使用 过程中常因无缝钢管原始制造缺陷、磨损、腐蚀、 变形、裂纹等而发生损坏。特别是炉管中存在轴 向缺陷时（如裂纹、划伤、重皮、折叠等），
4、对 炉管的危害很大。传统超声检测技术是单点检 测，该方法只适用于管子未进行加工或安装之前 的检测，而管排加工、装配完成以后上述检测很 难进行，不能满足在役管排检测的要求。因而， 在检测密集排列管道时，该方法遇到很大困难。 利用超声在管子中传播的周向导波模式，以快速 提取表征管子纵向缺陷的超声信号，实现对管子 的快速检测。可以缩短检测时间，检测出管子的 隐患。2 管道导波的基本理论管道中的导波模态与板材有许多相似之A 钢板式样B 钢管式样图 1 式样示意图为使被激励的信号在传播过程中频散现象 尽可能的降低，原理上激励信号应选取单频信266火电厂管道超声导波检测技术研究号。考虑到严格的单频信号很难
5、产生，在实验中只能选择频带较窄的信号。实验中选取激励信号 为 Hanning 窗调制 10 周期的正弦信号。经功率 放大器放大后，峰值可达 150V。这种窄带激励 既可以提高信号强度，又可以增加导波的传播距 离。2.2 实验结果分析为观察薄壁板和薄壁管道中导波的传播关 系，从频散曲线中选取相同的频厚积(df)分别在 薄壁板和薄壁管道中激励导波，作出入射角相同 时的板和管的导波模态图。需要说明的是，在图 2 中，每个波形图中有 两个信号波形，下面为激励信号波形，上面为接 收信号波形。在各个相互对应的波形图中，相同 斜探头入射角、频厚积的板和管道接收到信号的 时域位置非常吻合。这说明对于实验所用斜
6、探头 在薄壁板中激励出的导波与在薄壁管道中激励 出的周向导波具有高度的一致性。对薄壁板和薄 壁管道而言，在二者中传播的导波具有相同的特性。道的能量要明显小于传给板的能量，在波形图上就表现为薄壁管道中周向导波的幅度比板波的 幅度要小。需要指出的是，虽然管道外壁为曲面，但斜探头与管道的接触面垂直于管道外表面的法平 面，因此 其导波的 激励也必 须满足式 =sin (CL/Cp)。尽管无论在板还是管中的频散曲线-1中同一频率都对应至少两个以上的模态，但只要选择合适的 df 值和入射角，是可以在管道中实 现单模态的传播的。图 2 中管道的波形图接收信 号均为单一模态，就是很好的证明。3 超声波标样管的
7、制作方法管道导波检测时灵敏度和缺陷的评定参照 JB/T4730.3-2005 标准。标样管的加工按照上述 标准的规定执行。对比试样用钢管与被检验钢管 应具有相同的名义尺寸并具有相似的化学成分、 表面状况、热处理状态和声学性能。制作对比试 样用钢管上不得有影响探伤设备综合性能测试 的自然缺陷。检验纵向缺陷和横向缺陷所用的人工缺陷 应分别为平行于管轴的纵向槽口和垂直于管轴 的横向槽口，其断面形状均可为矩形或 V 形图。钢管纵向缺陷检测试块的尺寸、V 形槽和位置应符合图 3 的规定。a 板中波形图 3 对比试样4 超声导波波形的鉴别4.1 导波的波形鉴别在用实验方法选出入射角后,还要鉴别该入 射角条
8、件下所激励的超声波是否就是导波,特别 要注意与横波相区别。这主要是根据示波屏上显 示的回波来鉴别,主要有以下几个特点:b 钢管中波形图 2 钢板和钢管中的导波模态但是二者也存在一些差异。这是因为激励板 中导波时，斜探头与板为面接触。而在激励管中 的导波时，由于管道表面的曲率影响，斜探头与 管道外壁几乎为线接触。因此通过斜探头传给管267中国电机工程学会第十三届青年学术会议论文集(1)当探头沿声束传播方向前后移动时,导波的板端回波(或柱孔回波)将作连续的前后移 动,而横波回波则会因板端上下棱边反射变换而 呈现跳跃式移动。(2)随着声程加大,即探头距离板端越远,兰 姆波的板端回波包络形状越宽,这是
9、由导波的频散特性决定的。横波无频散现象,在距离增大时其板端回波的包络形状基本上保持原状而不会图 5 接收信号波形变宽。(3)导波在板端反射时往往同时有波型转换 现象,产生出几个不同模式的导波,它们的传播 速度不同,在板端回波包络中呈现有数个波峰, 其频率相同或不同,而横波回波则无此特征。42 实验结果实验系统如图 4 所示,所用超声脉冲发射/ 接收和数据采集为 UT-350,UT-350 通过 USB 接 口与 PC 虚拟示波器连接,试样采用厚度为 6mm 的薄钢板,长和宽分别为 600mm300mm。探头采 用 1.0M H z 的可变角斜探头。采用单探头发射 和接收板端回波。5 检测准备5
10、.1 检测面的准备检测时，先将管子外表面任意 50mm 宽放置 导波探头区域的油漆、氧化皮除去如图 6 所示， 以利于管子表面与探头圆弧的接触和声耦合，耦 合剂采用黏度较大的机油。图 6 探头移动区对于无缝薄壁管，导波在管内、外壁的振 动位移形态相仿，对同一管子内外壁上同等缺陷有着相近的检出能力。当导波入射到裂纹等危险性缺陷时，反射波信号强烈，波形尖锐，而当内 外壁上的腐蚀坑等缺陷，其反射声压低，动态变 化反应迟缓，因此容易区分。5.2 扫查方式探头在管道的一条线上移动，可不做前后移 动。探头移动到达指定位置后，将探头翻转 180向回移动到起始位置。5.3 探头的选择5.3.1 探头频率的选择
11、检测频率一般为 0.3MHz1MHz。原则上 优先选择 1MHz 的探头，对于直径大于 273mm、图 4 实验系统示意图从波形图图 5 可以看出,该波形随着探头的 前后移动,波形也作连续的前后移动；随着距离 的增加,波形也逐渐变宽；如果再远一点,则会看 到数个波峰。从以上特征可以判定,该波就是导 波,而不是普通的横波。268火电厂管道超声导波检测技术研究壁厚大于 30mm 且内、外壁腐蚀较严重的管道宜选择较低频率的探头。 5.3.2 探头晶片尺寸的选择对于直径小于等于 89mm 的管子，应选择 812mm2 的晶片。对于直径大于 89mm 的管子， 应选择 2020mm2 的晶片.5.4 探
12、头接触面的修磨检测时应对探头接触面进行修磨，使探头 接触面的曲率半径与被检测管子曲率半径之差 应小于 10%。探头接触面修磨后，应注意探头入 射点和折射角的变化，保证导波模态不发生变 化。如图 7 所示。对于直径大于 500mm 的管道，检测时可不修磨探头接触面。图 7 探头接触面的修磨6 现场应用情况本方法在东北地区多家电厂进行了应用，检 测出的缺陷与解剖验证的结果吻合。以下为部分 现场检测出的缺陷情况。670T 锅炉再热器管内壁腐蚀423.5670T 锅炉汽包饱和蒸汽引出管15915269中国电机工程学会第十三届青年学术会议论文集670T 锅炉水冷壁上联箱至汽包导管15913670T 锅炉
13、水冷壁上联箱至汽包导管159132008T 锅炉主给水管道42640术、分析应力波散射规律，提高导波的入射强度，抑制能量衰减，增加传播强度；应用方面则期望 能用于带覆层管道检测，在不拆除保温层或其他 覆盖层的状况下，实现长距离大范围的导波检 测；此外，在大型压力容器、海洋石油平台管桩、 孔道灌浆后的预应力钢筋的锈蚀以及桥梁结构7结论超声导波检测是一种以超声波为物理基础 的一种新型高效率的检测方法，可以应用到火力 发电厂管子、管道的质量检测和在役损伤检测领 域。在理论研究上应继续深入研究模态声发射技270火电厂管道超声导波检测技术研究的检测等，前景非常广阔。2超声导波技术检测管道腐蚀的波形特征与识别 。无损检测 -2007 年 7 期蔡国宁，章炳华，严锡明参考文献：3电力铁塔用角钢型材超声导波检测研究。 河北电力技术1弯管缺陷超声导波检测的有限元分析 。北京工业大学学-2009 年 3 期马崇，杜筝报 -2006 年 4 期何存富，孙雅欣，刘增华，王秀彦，吴斌。4271
