電站鍋爐水冷壁鋼管腐蝕電磁超聲檢測(cè)方法研究

丘國(guó)平，張?jiān)粷?，王曉林，金志?/p>

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

電站鍋爐運(yùn)行過程中的運(yùn)行狀況、水質(zhì)、燃燒工況以及水循環(huán)狀況等控制不良，容易造成鍋爐水冷壁鋼管的腐蝕[1]。定期的宏觀檢查可以發(fā)現(xiàn)水冷壁鋼管外壁的腐蝕，卻不能發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁腐蝕。由于水冷壁鋼管內(nèi)壁的腐蝕會(huì)造成鋼管厚度減薄及內(nèi)壁的凹凸不平，因此，垂直于鋼管外壁傳播的超聲波在凹凸不平的內(nèi)壁界面發(fā)生散射，能夠判斷水冷壁鋼管內(nèi)的壁腐蝕狀況。國(guó)內(nèi)對(duì)鍋爐水冷壁鋼管內(nèi)壁腐蝕狀況的常規(guī)壓電效應(yīng)超聲波檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的問題，所以，為了提高超聲檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中的檢測(cè)效率，本文采用電磁超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)電站鍋爐水冷壁鋼管進(jìn)行了內(nèi)壁腐蝕檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，觀察經(jīng)水冷壁鋼管內(nèi)壁反射后超聲波的衰減規(guī)律，分析了超聲波衰減原因，判斷出水冷壁內(nèi)壁腐蝕狀況，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種檢測(cè)方法的可行性。

1 常規(guī)壓電效應(yīng)超聲波檢測(cè)技術(shù)存在的問題

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)鍋爐水冷壁鋼管內(nèi)壁腐蝕狀況的檢測(cè)主要是采用常規(guī)壓電效應(yīng)超聲波檢測(cè)技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)它們主要存在下述問題:

1)檢測(cè)時(shí)需要采用耦合劑進(jìn)行耦合，耦合效果直接影響到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)耦合劑的透聲性及流動(dòng)性等要求比較高。

2)由于超聲波無法穿透水冷壁鋼管外壁上的灰焦和氧化物而進(jìn)入工件，因此，采用壓電超聲檢測(cè)水冷壁鋼管前，須清理表面灰焦和打磨外壁氧化物，并要求露出鋼管表面金屬光澤，需要耗費(fèi)大量的人力、物力。此外，打磨不當(dāng)還可能對(duì)水冷壁鋼管造成一定的損害，形成應(yīng)力集中源。

3)檢測(cè)時(shí)，由探頭發(fā)射出的超聲波穿透耦合劑，再進(jìn)入到工件中，能量損失比較大，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度下降。

4)由于受到探頭與工件的接觸面積以及耦合劑耦合效果的影響，掃查速度受到限制，檢測(cè)效率低，不能實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。

2 電磁超聲檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)

隨著超聲波電源控制能力和電磁超聲轉(zhuǎn)換效率的提高，電磁超聲換能器體積的減小，克服了電磁超聲波技術(shù)在工件內(nèi)激發(fā)信號(hào)弱的問題，所以電磁超聲檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中得以迅速發(fā)展[2]。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)是利用洛倫茲力或材料的磁致伸縮效應(yīng)，以非接觸的方式激發(fā)工件內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的一種超聲波檢測(cè)方法。電磁超聲與常規(guī)壓電超聲的區(qū)別在于激發(fā)和接收超聲波的方式不同。壓電超聲換能器靠壓電晶片的壓電效應(yīng)激發(fā)和接收超聲波，能量轉(zhuǎn)換發(fā)生在壓電晶片上，超聲波進(jìn)入工件需要耦合劑耦合;電磁超聲靠電磁效應(yīng)激發(fā)和接收超聲波，能量轉(zhuǎn)換在工件內(nèi)直接進(jìn)行，電磁超聲不需要任何耦合介質(zhì)[2-5]。由于在檢測(cè)時(shí)不需要耦合介質(zhì)進(jìn)行耦合，這種在工件內(nèi)部激發(fā)超聲波的電磁超聲檢測(cè)技術(shù)在工程應(yīng)用中的檢測(cè)效率遠(yuǎn)高于常規(guī)壓電超聲波檢測(cè)技術(shù)[6]。

3 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置及掃查方式如圖1所示。本文采用的電磁超聲檢測(cè)裝置包括電磁超聲換能器、換能器連接線、波形顯示器。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及掃查方式示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)材料

兩根相同材質(zhì)、相同規(guī)格的水冷壁鋼管(1根存在內(nèi)壁腐蝕，另1根不存在內(nèi)壁腐蝕)，材質(zhì)為20 G，規(guī)格為φ60×6 mm。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1)校核儀器的掃描線性和垂直線性。這種檢測(cè)方法是根據(jù)內(nèi)壁多次反射回波的衰減規(guī)律來判斷工件內(nèi)壁的腐蝕狀況，并以回波位置進(jìn)行輔助判斷，儀器的掃描線性和垂直線性是否準(zhǔn)確對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響非常大。

2)根據(jù)水冷壁鋼管的規(guī)格，調(diào)整檢測(cè)系統(tǒng)的掃描比例和掃查范圍。為了能夠清晰直觀地觀察水冷壁鋼管內(nèi)壁多次反射回波的衰減規(guī)律，調(diào)節(jié)波形顯示器的顯示范圍，在可視范圍內(nèi)顯示6～8次反射回波。

3)調(diào)整儀器的檢測(cè)靈敏度。將電磁超聲換能器放置在無腐蝕的水冷壁管上，然后將一次反射回波調(diào)整至滿屏的80%～90%作為檢測(cè)靈敏度。檢測(cè)壁厚較薄的水冷壁鋼管時(shí)，一次反射回波容易被始波占寬覆蓋，可以將二次反射回波調(diào)整至滿屏的80% ～90%作為檢測(cè)靈敏度。

4)不進(jìn)行任何表面清理及打磨，將探頭與水冷壁鋼管接觸或者在探頭與水冷壁鋼管之間放上一層耐磨材料，然后將換能器沿著水冷壁鋼管外壁進(jìn)行鋸齒形掃查，觀察多次反射回波的波幅變化規(guī)律。

5)存儲(chǔ)并記錄數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 無腐蝕水冷壁鋼管掃查結(jié)果

無腐蝕水冷壁鋼管檢測(cè)結(jié)果波形如圖2所示，顯示屏中出現(xiàn)8次反射回波。由于始波占寬的原因，一次反射回波被始波覆蓋，不易區(qū)分;二次反射回波波幅達(dá)到滿屏的83%。具體反射次數(shù)對(duì)應(yīng)反射波波幅如表1所示。以二次反射回波(即滿屏83%)為基準(zhǔn)波高，根據(jù)公式△=20 lg(P2/P1)=20 lg(H2/H1)[7]，計(jì)算其余各次反射回波達(dá)到基準(zhǔn)波高時(shí)儀器的增益值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。繪制距離波幅曲線如圖3所示。

表1 無腐蝕情況下反射次數(shù)對(duì)應(yīng)反射回波波幅

從圖2、圖3可以看出，隨著超聲波在鋼管內(nèi)壁反射次數(shù)的增加，反射回波波幅逐漸降低，呈現(xiàn)出線性衰減的規(guī)律，其距離波幅曲線為一條直線。計(jì)算得出距離波幅曲線的斜率K=2.25，即超聲波在鋼管內(nèi)壁每反射1次，反射回波衰減2.25 dB。此外，從圖2中儀器顯示深度可以看出，二次反射回波出現(xiàn)在12.2 mm處，即水冷壁鋼管2倍壁厚處。

超聲波在無腐蝕水冷壁鋼管內(nèi)傳播如圖4所示。由于工件的磁致伸縮效應(yīng)，電磁超聲換能器在工件中激發(fā)出垂直于工件表面?zhèn)鞑サ某暡āo腐蝕的水冷壁鋼管內(nèi)壁光滑平整且與外壁平行。當(dāng)超聲波傳播到水冷壁鋼管內(nèi)壁界面時(shí)，其傳播方向與工件內(nèi)壁垂直，大部分能量將被反射回來，形成一次反射回波;一次反射回波遇上工件外壁界面，同樣也會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，反射回波與工件內(nèi)壁垂直，內(nèi)壁反射形成二次反射回波……，周而復(fù)始，從而形成多次反射回波。此外，一次反射回波、二次反射回波、三次反射回波……分別出現(xiàn)在1倍壁厚(T)、2倍壁厚(2T)、3倍壁厚(3T)……處。

圖4 超聲波在無腐蝕水冷壁鋼管內(nèi)傳播示意圖

超聲波始終垂直于水冷壁鋼管內(nèi)外壁界面?zhèn)鞑ィ瓷渎屎芨?，其能量的衰減主要來自于擴(kuò)散衰減，即超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴(kuò)散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增大而減弱[7]。在遠(yuǎn)離聲源的聲場(chǎng)中，球面波的擴(kuò)散衰減量會(huì)隨著傳播距離的增加而線性增大[7]。因此，超聲波多次反射回波的波幅衰減非常有規(guī)律，呈線性衰減現(xiàn)象。

4.2 存在腐蝕的水冷壁鋼管掃查結(jié)果

存在腐蝕的水冷壁鋼管檢測(cè)結(jié)果波形如圖5所示。顯示屏中只出現(xiàn)4次反射回波，一次反射回波因始波占寬而無法區(qū)分，二次反射回波波高為滿屏70%，三次反射回波急劇下降至滿屏15%，四次反射回波下降至滿屏10%以下，很難與電噪聲信號(hào)區(qū)分。從儀器顯示深度可知，二次反射回波出現(xiàn)在2倍壁厚之前的位置10.4 mm處。因超聲波垂直于水冷壁鋼管內(nèi)壁傳播，超聲波傳播的距離可以反映出水冷壁鋼管的剩余壁厚。從二次反射回波出現(xiàn)的位置可知，實(shí)驗(yàn)中水冷壁鋼管內(nèi)壁腐蝕坑處的剩余壁厚約為5 mm，從而可以估算出腐蝕坑的深度大約為1 mm。

圖5 存在腐蝕的水冷壁鋼管檢測(cè)結(jié)果波形圖

有腐蝕情況下反射次數(shù)對(duì)應(yīng)反射回波波幅如表2所示。由于水冷壁鋼管內(nèi)壁腐蝕坑的存在，超聲波在水冷壁鋼管內(nèi)壁界面發(fā)生散射，可接收的反射回波次數(shù)只有4次。以二次反射回波(即滿屏70%)為基準(zhǔn)波高，根據(jù)公式△=20 lg(P2/P1)=20 lg(H2/H1)[7]，可以計(jì)算其余各次反射回波達(dá)到基準(zhǔn)波高時(shí)儀器的增益值，計(jì)算結(jié)果如表2所示。據(jù)此繪制的距離波幅關(guān)系圖(如圖6所示)顯示反射回波衰減速度極快，高于4次的回波已經(jīng)無法被接收識(shí)別。

表2 有腐蝕情況下反射次數(shù)對(duì)應(yīng)反射回波波幅

圖6 φ 60×6 mm有腐蝕水冷壁鋼管距離波幅關(guān)系

超聲波在有腐蝕水冷壁鋼管內(nèi)傳播如圖7所示，被腐蝕后的水冷壁鋼管內(nèi)壁存在很多凹凸不平的腐蝕坑，垂直于外壁傳播的超聲波遇上內(nèi)壁凹凸不平的腐蝕坑，將在腐蝕坑界面發(fā)生散射現(xiàn)象，反射率很低，只有小部分能量被反射回去，并被換能器接收。因此，在檢測(cè)儀器顯示屏上顯示的超聲波反射回波的波高急劇下降，反射回波雜亂，衰減無規(guī)律，或者多次反射回波消失;腐蝕坑存在一定的深度，一次反射回波將在1倍壁厚之前的位置(T-△T)處出現(xiàn)。

將實(shí)驗(yàn)中的2根水冷壁鋼管解剖，觀察其內(nèi)壁的腐蝕狀況，并用測(cè)厚儀測(cè)量腐蝕處水冷壁鋼管的剩余厚度，計(jì)算腐蝕坑的深度。解剖后的水冷壁鋼管內(nèi)壁截面圖如圖8所示。

由實(shí)驗(yàn)可知，存在腐蝕坑處的超聲波反射回波與完好無損處的超聲反射回波的衰減規(guī)律明顯不同，檢測(cè)出水冷壁鋼管內(nèi)壁1 mm深的腐蝕坑，說明其檢測(cè)靈敏度較高。

通過觀察水冷壁鋼管內(nèi)壁超聲反射回波的衰減規(guī)律，可以判斷電站鍋爐水冷壁鋼管內(nèi)壁的腐蝕狀況。采用電磁方式激發(fā)和接收超聲波，不需要耦合劑進(jìn)行耦合，不需要表面清理及打磨，可以提高實(shí)際工程應(yīng)用中的檢測(cè)效率。

5 結(jié)論

1)采用電磁超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)電站鍋爐水冷壁鋼管進(jìn)行內(nèi)壁腐蝕檢測(cè)方法準(zhǔn)確，能夠快速地檢測(cè)出電站鍋爐水冷壁鋼管內(nèi)壁的腐蝕狀況。

2)這種檢測(cè)方法對(duì)工件表面條件要求低，不必進(jìn)行表面清理、打磨，檢測(cè)過程不用耦合劑耦合，操作方便，工作效率高，檢測(cè)靈敏度高。

[1]呂玉，丁旭生.富拉爾基發(fā)電總廠3號(hào)爐水冷壁管氫腐蝕爆管原因分析[J].黑龍江電力，2009，31(3):212-214.

[2]Masahiko Hirao，Hirotsugu Ogi.EMATS for science and industry:noncontacting ultrasonic measurements[M].London:Kluwer Academic Publishers，2003.

[3]李振才.電磁超聲(EMA)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].無損探傷，2006，30(6):13-14.

[4]張廣純.電磁聲技術(shù)的進(jìn)展與應(yīng)用[J].無損檢測(cè)，1990，12(4):103-105，111.

[5]許守平.ASTME816—96利用電磁聲換能器(EMAT)技術(shù)進(jìn)行超聲檢查的標(biāo)準(zhǔn)方法[J].無損探傷，2003，27(2):20-28.

[6]張勇，陳強(qiáng).用于無損檢測(cè)的電磁超聲換能器研究進(jìn)展[J].無損檢測(cè)，2004，26(6):275-279.

[7]李克明，劉德榮.超聲波探傷[M].北京:電力工業(yè)出版社，1980.