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超声导波理论、探测原理及其在电力中的运用

时间:2015-11-21 来源:未知 作者:小韩 本文字数:2922字

  目前我国电力供应仍由火电主导,火力发电厂作为重要的电力供给单位,其运行的安全可靠性直接影响我国经济的发展。我国已经制定了一系列火电厂金属监督方面的规程、导则和技术标准。随着众多火电机组服役时间的增长以及新装机组参数的提高,因不可避免的腐蚀、自然及人为等因素造成管道壁厚减薄、泄露爆裂等事故频频出现,严重影响了电厂及电网的安全运行。国家电监会要求各有关火电厂切实加强对在建及运行火电厂高温高压设备的安全管理,采取定期检验、全面监督检测、寿命评估等手段,排除在安装和检修过程中发现的缺陷,消除隐患,确保高温高压管道的运行安全,具有十分重要的意义。

  1 超声导波技术的特点

  应用常规无损检测方法(射线检测RT,超声检测UT,磁粉检测MT,渗透检测1)检测管道,尽管有着众多的优势,如技术成熟、只需对工人稍加培训就可利用现有的专门设备进行检测等优势,但常规无损检测方法存在一个严重的不足:逐点扫查式的工作过程导致工作量巨大,效率低下,对于长达数百米的电站四大管道系统来说,若进行全面检测,任务将是非常艰巨的。故此,对于四大管道的检验采用常规无损检测方法有着很大的不足,因此,需要研究一种更为有效的检测手段。

  超声导波与传统超声波技术相比具有两个明显的优势。首先,超声导波在固体中传播时,沿传播路径衰减很小,所以在结构的一点处激励超声导波,可以沿构件传播非常远的距离,最大可达几十米。若接收探头位于距激励源较远处,则接收信号就包含了有关发射和接收两点间结构整体性的信息。因此,这种检测技术实质上是监测了一条线,而非一点,大大节省了检测时间,提高了效率;另一方面,由于超声导波在管(或板)的内外(上下)表面和中部都有质点的振动,声场遍及整个壁厚(或板厚),因此既可检测构件内部缺陷,也可检测两表面缺陷。同时超声导波也可在充液、带包层的管道中传播,使得检测费用大大降低。因此利用超声导波检测管道缺陷具有快速、可靠、经济且无需剥离外包层的优点,弥补了传统检测方法的不足。

  目前针对电站锅炉四大管道的全面检测方法主要是超声横波检测,该方法检测效率很低。以直径0.448m、长度1m长的一段管道检测为例,需要探头进行58次环向扫查、80次纵向扫查,累计扫查长度160m,扫 查 速 度 以 每 秒0.05m计 算,耗 时 达54min.这种方法考虑到手动扫查人员疲劳的因素,可靠性低,不能满足四大管道长度数百米的检测需求。

  据相关技术文献介绍,超声导波在没有介质和外包覆层的影响下,一次传播距离可达百米以上,可发现1厚度的腐蚀坑,其检测效率以直径0.448m、长度1m长的一段管道检测为例,需要探头进行1次环向扫查、1次纵向扫查,检测效率可提高70倍以上。

  2 超声导波理论及探测原理

  超声导波检测的工作原理:探头阵列发出一束超声能量脉冲,此脉冲充斥整个圆周方向和整个管壁厚度,向远处传播,导波传输过程中遇到缺陷时,缺陷在径向截面上有一定的面积,导波会在缺陷处返回一定比例的反射波,因此可由同一探头阵列检出返回信号-反射波来发现和判断缺陷的大小。管壁厚度中的任何变化,无论内壁或外壁,都会产生反射信号,被探头阵列接收到,因此可以检出管子内外壁由腐蚀或侵蚀引起的金属缺损(缺陷),根据缺陷产生的附加波型转换信号,可以把金属缺损与管子外形特征(如焊缝轮廓等)识别开来。

  超声导波检测装置主要由固定在管子上的探伤套环(探头矩阵)、检测装置本体(低频超声探伤仪)和用于控制和数据采样的计算机三部分组成。不同的超声导波模式(导波技术中使用的三种主要波型为纵向波、扭转波和弯曲波)对管道的腐蚀缺陷特征有不同的灵敏度,因此新发展的超声导波技术采用多模式(多探头模块)检测,即同时进行例如纵向波和扭转波操作,可以收集到被检测管道更全面的信息而不致发生漏检。

  对于长距离管道超声导波检测,每次可以检测多长的管线,这要考虑超声导波在管道中传输的距离,它取决于管道的表面状况(例如是否为裸管、保温层、防腐层以及埋地情况等)、管道的几何形状(分支、弯管、支撑和法兰的情况)、管道中流通的介质(气体、液体或固体),还有管道本身的腐蚀情况等,这些都会造成超声波传播的能量损失,减少其传播距离。长距离管道超声导波检测系统的检测精度一般是指管道横截面积的损失量,包括可达到精度(也称检 测 精度,但是是指 可以部 分检出,不能达 到100%检出)和可靠精度(100%可以检出),两者是有重要区别的。
  
  3 超声导波技术的研究现状

  国外对超声导波技术的研究始于20世纪初,研究者们首先对在不同波导中弹性波的传播特性进行了理论研究。从最开始无限介质中波的传播理论到板中导波的传播理论,又从板中导波理论的研究到与实际应用更为接近的柱面导波的研究。最早的工作主要是进行理论求解,60年代,人们开始进行实验研究,验证超声导波技术对管道损伤检测的可能性以及可行性。国外开发的导波检测系统也主要是梳状传感器(探头组)检测系统。近年来,导波被应用到无损检测领域中,特别是对薄板和管道进行无损检测。由于超声导波在管状结构、板材检测上的优越性,利用导波对多种类型、结构进行缺陷检测和性能评价已经成为近年来导波检测技术研究与应用1国内超声导波检测技术方面的研究较国外起步略晚,国内开发的导波检测系统主要集中在薄壁管或小直径圆棒的多探头检测系统上,在导波的频散及多模式特征,超声导波的模式和频率选择、导波的激励和接收方式、导波与缺陷的相互作用、信号处理与特征提取,缺陷定位等方面做了大量研究工作。

  国内外导波检测的思路主要是经过管道频散曲线计算,通过设置一定数量的导波探头来抑制多模态的影响,从而得到单一模态导波实现检测的目的。

  4 超声导波技术在电厂的应用
  
  国内有单位进行试验研究用高频导波对主蒸汽管道进行检测。图3是导波探头距主蒸汽管道对比试块上内壁直槽(尺寸为1.5mm(深)×20mm(长)×0.2mm(宽)630mm处的缺陷回波反射图,此时系统增益为57db.图4是导波探头距离主蒸汽管道对比试块上的外壁直槽(1.5mm(深)×20mm(长)×0.2mm(宽))598.1mm处缺陷回波反射图,此时系统增益为57db.

  图5是主蒸汽管道超标缺陷的超声导波检测反射回波波形图,此时系统增益为72db.此缺陷采用TOFD进行验证,确认该缺陷长度1200mm,埋藏深度为18.9mm,自身高度为5.5mm.此实验证明,导波检测在电站管道无损间歇普查方面有着明显优势,准备时间段,检测速度快对检修工期基本没有影响。

  5 结语

  导波检测技术在电力系统四大管道及受热面管母材全面检测方面有着明显优势,具有准备工作时间短、检测速度快且能保证检测灵敏度等优势,但由于其机理复杂目前无相关的标准与之配套,使得该技术尚未得到广大无损检测人员的重视和普遍应用。但相信随着超声导波检测技术的进一步发展,随着检测标准的制定与完善,导波检测技术将在电力系统的金属技术监督方面发挥更加重要的作用。

  [参考文献]

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