基于AutoCAD的超聲場模擬在超聲檢測中的應(yīng)用

張 杰,周 進(jìn),羅宏建

(浙江省電力試驗(yàn)研究院,杭州 310014)

火力發(fā)電廠的金屬部件檢測中,有許多工件形狀比較復(fù)雜,往往無法實(shí)現(xiàn)超聲波檢測。其難點(diǎn)在于,用超聲波檢測其內(nèi)部缺陷時,結(jié)構(gòu)回波較多,無法判斷超聲波的路徑,缺陷回波與結(jié)構(gòu)回波不易區(qū)分,無法對缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。解決這一難點(diǎn)必須對復(fù)雜工件中的超聲場進(jìn)行模擬分析。

AutoCAD是一款設(shè)計和工程應(yīng)用軟件,將AutoCAD用于模擬超聲場,讓超聲波所經(jīng)過的路徑清晰地呈現(xiàn)出來,然后精確測量出探頭與各反射波之間的相對位置,有助于對缺陷的判別。

1 AutoCAD對超聲場模擬的方法

超聲場模擬用于輔助超聲波檢測時主要應(yīng)用于以下兩個方面：①檢測中發(fā)現(xiàn)可疑信號,對可疑信號進(jìn)行識別判定,找出可疑信號的發(fā)生機(jī)理。②檢測前對可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)信號進(jìn)行預(yù)演,有效排除檢測中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)信號,提高檢測效率。

為找出可疑信號的發(fā)生機(jī)理,當(dāng)發(fā)現(xiàn)反射信號時,在現(xiàn)場準(zhǔn)確量取探頭所在的位置等數(shù)據(jù)。然后用AutoCAD按照實(shí)際尺寸畫出被檢工件二維圖像,模擬出探頭所在位置發(fā)出的超聲波所經(jīng)過的路徑,從而推斷出反射波的來源。

為提高復(fù)雜工件的檢測效率,也可對可能出現(xiàn)的信號進(jìn)行預(yù)演。檢測之前,明確被檢工件的確切結(jié)構(gòu),初步判斷探頭移動時的主要反射點(diǎn)。采用AutoCAD模擬超聲場,首先按照實(shí)際尺寸畫出工件的二維圖形,然后按照既定的檢測方法和掃查入射點(diǎn),將探頭移動的范圍確定下來,按照探頭的移動路徑,逐步模擬出超聲波聲場的路徑,由此可以觀察到發(fā)生結(jié)構(gòu)回波時探頭的位置。這樣就可以據(jù)此得知出現(xiàn)缺陷時探頭的位置及超聲波出現(xiàn)的反射路徑,使檢測者得到提前預(yù)知,從而果斷剔除結(jié)構(gòu)回波,提高檢測效率。

2 工程實(shí)例

2.1 溫包角焊縫——找出可疑信號的發(fā)生機(jī)理

某電廠600MW哈鍋“Л”型爐主蒸汽管道全插入式測溫?zé)犭娕继坠芙呛缚p,主蒸汽管道規(guī)格為φ569mm×75mm,焊縫的設(shè)計要求全熔透。選用2.5P13×13K1及2.5P8×10K2兩種探頭(測得探頭前沿為10mm)配合掃查[1](圖1)。當(dāng)采用K2探頭在管道的徑向掃查時,在多個溫包角焊縫上發(fā)現(xiàn)疑似缺陷波,而K1探頭掃查時則未發(fā)現(xiàn)該反射信號。因發(fā)現(xiàn)缺陷波時探頭所處的位置大致相同,懷疑為結(jié)構(gòu)性反射信號。由于僅憑現(xiàn)場的測量數(shù)據(jù)無法判定,于是采用AutoCAD軟件進(jìn)行徑向掃查時的聲場模擬。逐步模擬探頭從遠(yuǎn)離套管向套管推進(jìn)時超聲波的路徑變化。發(fā)現(xiàn)當(dāng)K2探頭出現(xiàn)在特定位置時,溫包的小孔會對超聲波進(jìn)行垂直反射,形成幅度較強(qiáng)的小孔反射回波;而K1探頭掃查時,卻不會出現(xiàn)該小孔反射波(圖2)。對K2探頭的入射點(diǎn)O到套管外壁M點(diǎn)距離為112.9mm。當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)最大反射信號時,量取探頭入射點(diǎn)到套管外壁距離約114mm,這與小孔反射回波時探頭所處的位置相同,因此可以判定該反射信號即為小孔反射信號,排除為缺陷信號的可能。

2.2 小徑管——對可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)信號波進(jìn)行預(yù)演

某電廠300MW上鍋“Л”型爐高溫過熱器出口集箱短管角焊縫,短管為小徑管,規(guī)格φ51mm×7mm,設(shè)計允許未焊透。根據(jù)DL820—2002[2],選用特別研制的小徑管檢測專用雙晶探頭5P6×6β70°進(jìn)行檢測(圖3)。這種專用探頭的特點(diǎn)是：當(dāng)對聯(lián)箱角焊縫進(jìn)行探測時,超聲波束達(dá)到小徑管內(nèi)壁時聲束不會產(chǎn)生太大的散射,同時聲束的能量不會造成太大的損失,經(jīng)小徑管內(nèi)壁反射后達(dá)到焊接接頭時,仍具有較高的探傷靈敏度和較高的分辨力,能將這類特殊角焊縫的危險缺陷信號和固有信號清晰地分辨出來。通常的做法是由檢驗(yàn)人員通過對波形的動態(tài)變化以區(qū)分結(jié)構(gòu)波、變型波和缺陷波。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,檢測時通常要對出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)回波及變型波進(jìn)行逐個判別,檢測比較費(fèi)時。于是在檢測之前對可能出現(xiàn)反射信號時探頭在短管上所處的位置進(jìn)行AutoCAD模擬：①當(dāng)橫波以70°角斜入射至小徑管下端角N點(diǎn)時,這是探頭從A點(diǎn)貼近焊趾往上拖動時出現(xiàn)的第一個結(jié)構(gòu)信號,可以測量出此時探頭前沿到集箱外壁的距離為9.33mm。②探頭繼續(xù)往上滑動,如無缺陷則會出現(xiàn)第二個結(jié)構(gòu)反射信號,即M點(diǎn)(上端角反射信號),橫波以70°角斜入射至小徑管上端角M點(diǎn)時,可以測量出此時探頭前沿到集箱外壁的距離為21.2mm。依此方法可以模擬出發(fā)生各種結(jié)構(gòu)反射信號及可能的缺陷時探頭在小徑管外壁上所處的位置。在實(shí)際檢測中,當(dāng)發(fā)生結(jié)構(gòu)反射信號難以從波形及走向上判定時,可以借助AutoCAD模擬的探頭所處的位置參數(shù)對信號加以判別,提高檢測效率。

圖3 小徑管超聲波檢測前預(yù)演示意圖

此外AutoCAD聲場模擬還可以用來輔助檢測如汽輪機(jī)葉片根部、聯(lián)箱角焊縫等許多復(fù)雜的工件,其在實(shí)踐應(yīng)用中都取得了較好的效果。

3 結(jié)論

采用AutoCAD模擬聲場在復(fù)雜工件超聲波檢測時輔助進(jìn)行缺陷判別,通過對檢驗(yàn)結(jié)果的分析,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)借助超聲場模擬法可有效地對復(fù)雜工件的超聲波檢驗(yàn)時發(fā)生的可疑信號進(jìn)行判別,對缺陷波的判別起到有效的輔助作用。

(2)使用超聲場模擬法在復(fù)雜工件超聲波檢測前對可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)波信號和缺陷信號進(jìn)行預(yù)演,可使檢測者對復(fù)雜工件檢測時的波形提前預(yù)知,提高檢測效率。

[1]張杰,周進(jìn),羅宏建.火力發(fā)電廠測溫?zé)犭娕继坠芙呛缚p質(zhì)量的超聲檢測[J].無損檢測,2009(8)：661-663.

[2]DL/T 820—2002 管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程[S].