中徑管超聲波檢測技術(shù)研究

中國電建集團(tuán)貴州工程公司 余登敏

中徑管超聲波檢測技術(shù)研究

中國電建集團(tuán)貴州工程公司 余登敏

在火電廠發(fā)電機(jī)組鍋爐的壓力管道中廣泛應(yīng)用著各類中徑管，中徑管道焊接頭焊縫質(zhì)量與管道內(nèi)流體輸送的安全性和穩(wěn)定性息息相關(guān)，直接影響著發(fā)電機(jī)組鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。超聲波檢測技術(shù)具有檢測范圍寬、靈敏度高、成本低廉、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是目前檢測中徑管道焊縫質(zhì)量的重要檢測手段。本文結(jié)合火電廠工作實(shí)際，首先介紹了超聲波檢測技術(shù)的原理及特點(diǎn)，介紹了中徑管焊縫進(jìn)行超聲波檢測的技術(shù)方法。

火電廠；中徑管；超聲波檢測

1 引言

在200MW以上火電廠發(fā)電機(jī)組中，中徑管的應(yīng)用十分普遍，中徑管是火電廠鍋爐的主要承壓部件，其外徑一般大于100mm，其焊縫質(zhì)量的可靠性對鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。例如，火電廠鍋爐中的汽包上升管、飽和導(dǎo)汽管和分散降水管等均屬于中徑管，其外徑為108～213mm,壁厚為10～22mm,這些管道是整個發(fā)電機(jī)組鍋爐的連接樞紐，也是主要的承壓部件。中徑管與汽包或其它部件的連接焊縫是鍋爐運(yùn)行時應(yīng)力集中系數(shù)較高、受力復(fù)雜的部件，因此，加強(qiáng)對中徑管焊縫的質(zhì)量檢測具有十分重要的意義。

目前，對焊縫質(zhì)量的檢測一般使用射線檢測技術(shù)和超聲波檢測技術(shù)。由于管道焊縫與其它壓力容器的對接焊縫在結(jié)構(gòu)形式、焊接工藝方面均有較大差別，而超聲波檢測技術(shù)具有使用靈活方便、對人體無害、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，對厚壁管道檢測靈敏度和檢測效率方面具有明顯的優(yōu)勢，檢測人員只需經(jīng)過一些基本的專業(yè)培訓(xùn)，就能有效確保管道焊縫的檢測質(zhì)量。

2 超聲波檢測技術(shù)概述

超聲波是指其頻率大于語音信號20kHz的頻率范圍，并能在連續(xù)介質(zhì)中傳播的機(jī)械波，超聲波檢測技術(shù)則是一種無損檢測技術(shù)，它綜合了信號處理技術(shù)、模式識別技術(shù)、圖像處理技術(shù)、傳感器技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)可以方便、快捷、直觀地檢測出工件的缺陷，例如管道是否受到外力破壞造成爆裂、管道使用年限是否過長、管道是否受到了腐蝕等。

1929年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Sokolov首次提出了應(yīng)用超聲波檢測工件結(jié)構(gòu)和缺陷的檢測方法，并研發(fā)了世界上第一臺超聲波檢測儀，電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了超聲波儀的不斷更新和發(fā)展，超聲波檢測儀的工作原理是激發(fā)超聲波，使超聲波傳入被測工件中，在超聲波傳播過程中，工件的邊界形態(tài)引起了超聲波回波信號的變化，因此，觀察和分析其回?fù)苄盘?即可推斷出被測工件的狀態(tài)。分析超聲波回波信號形態(tài)即可推斷出被側(cè)工件的狀態(tài)。超聲波檢測儀具有覆蓋范圍大、檢測精度高、操作便捷、成本低等特點(diǎn)，并具有存儲和處理數(shù)據(jù)的功能，減少了檢測人員勞動強(qiáng)度，提高了檢測精度。但是，超聲波檢測儀對外界環(huán)境的敏感度較高，環(huán)境噪聲、距離待測工件距離、超聲波檢測儀的轉(zhuǎn)換效率等都會對超聲波回波信號造成影響，使超聲波檢測的精度降低，此外，由于超聲波只能在液體介質(zhì)中傳導(dǎo)，且超聲波容易被臘吸收，并受到超聲波波長的限制，超聲波檢測技術(shù)更適合于檢測厚壁管道，且不適用于檢測臘含量高的管道。

目前，超聲波檢測技術(shù)的檢測方式主要有共振法、穿透法、脈沖反射法，其中脈沖反射法是用于檢測中徑管道的常用檢測方法，可檢測出中徑管道內(nèi)部缺陷的具體位置和大小。[1]儀器顯出波反射的信號變動是判斷入射信號與反射信號的相對區(qū)別和明確信號的強(qiáng)弱范圍的標(biāo)準(zhǔn)。另外，還需要運(yùn)算與評估每次檢測的結(jié)果之間的誤差，評估整體檢驗(yàn)檢測工作的不確定度的分量，最后明確檢測體系的不確定度。

3 中徑管對超聲波檢測的影響

1）若使用普通探頭進(jìn)行超聲波檢測時，由于超聲波檢測技術(shù)對面積和體積型缺陷的檢出靈敏度較高，但對角焊縫的檢測卻存在盲區(qū)，例如，將探頭置于中徑管根部內(nèi)側(cè)面進(jìn)行超聲波檢測，由于角焊縫結(jié)構(gòu)的固有特點(diǎn)，超聲波主聲束就會存在著無法掃查到的盲區(qū)，從而造成漏檢[2]。

2）在發(fā)電機(jī)組中，汽包壁厚一般是85～203mm，中徑管管座的壁厚為10～22mm，兩者相差較大，中徑管與汽包壁之間的角焊縫尺寸也較小，若使用普通探頭對中徑管根部進(jìn)行檢測，由于焊縫外表面的回波聲程與缺陷的回波聲程相差不大，極易引起檢測人員的誤判。

3）中徑管的側(cè)避效益對超聲波檢測的靈敏度也有一定影響，例如，當(dāng)使用普通直探頭對中徑管焊縫根部位置進(jìn)行檢測時,若探頭距離開孔位置邊緣較近，這時，開孔側(cè)邊的發(fā)射波就會對超聲波的回波信號造成干擾，改變探頭的指向性和對稱性，造成超聲波檢測的靈敏度下降。

4 中徑管超聲波檢測技術(shù)應(yīng)用方法

在應(yīng)用超聲波檢測的過程中，探頭的設(shè)計(jì)與選擇是關(guān)鍵，筆者根據(jù)多年工作實(shí)踐，對中徑管檢測時，推薦使用小角度探頭，它是在普通直探頭的基礎(chǔ)上增加一個透聲楔構(gòu)成的，其主聲束與探頭晶片軸線偏離一定的角度，從而在使用時，能夠掃查到更寬的區(qū)域，此外，還可以避免來自底面和寒風(fēng)外表面的發(fā)射波信號的干擾，減少檢測人員進(jìn)行誤判的概率。應(yīng)用小角度探頭時，應(yīng)注意選擇合適的探頭入射角度，根據(jù)斯涅耳定律，當(dāng)超聲波入射到異質(zhì)界面時會產(chǎn)生反射和折射，入射角、反射角和折射角存在以下關(guān)系：

其中，α1表示超聲波縱波入射角，β1表示超聲波縱波折射角，β2表示橫波折射角，CL1表示超聲波在第一介質(zhì)中的縱波速度，CL2表示超聲波在第二介質(zhì)中的縱波速度，CS2表示超聲波在第二介質(zhì)中的橫波速度。當(dāng)入射角小于全反射臨界角時，折射縱波和橫波的聲程差滿足下式[3]：

上式表明，使用小角度探頭對中徑管進(jìn)行檢測時，橫波聲程落后于缺陷超聲波回波信號0.8T聲程，對回波信號的干擾有限。一般來說，在滿足指向性的條件下選擇折射角大的探頭，以便使探頭能夠掃查到最大的區(qū)域范圍，為增強(qiáng)探頭的指向性，常用探頭的頻率是5MHz。

需要注意的是，實(shí)際應(yīng)用中要嚴(yán)格按照相關(guān)檢測工藝流程，進(jìn)行超聲波檢測時，首先，應(yīng)先垂直放置于中徑管道的中心位置的分割線上,安裝測量探頭,輕觸或輕壓探頭,使探頭與管道完全接觸,然后再分別對管道的各個測量點(diǎn)進(jìn)行測量，最后，在考慮儀器本身的誤差因素的情況下，參考相關(guān)儀器檢測標(biāo)準(zhǔn)，對測量結(jié)果進(jìn)行分析和判定，得出測試結(jié)果，確定中徑管道中缺陷的具體位置，作出檢測報(bào)告。對中徑管道缺陷的判定一般依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)主要有：JB4730-1994《壓力容器無損檢測》以及DL/T820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，若中徑管點(diǎn)狀缺陷的最大尺寸超過其壁厚，或檢測人員判定缺陷性質(zhì)為裂紋、未熔合等危險性缺陷時，均可判定焊縫不合格，此時應(yīng)立即制定相應(yīng)的改善或處置措施。

5 結(jié)論

中徑管是發(fā)電機(jī)組中主要的承壓部件，在鍋爐運(yùn)行過程中，中徑管承受著拉應(yīng)力、擠壓應(yīng)力等各種應(yīng)力的作用，此外，還需要在高溫的環(huán)境下作業(yè)，因此，定期對發(fā)電機(jī)組中徑管進(jìn)行檢測，是避免管道爆管，保障鍋爐安全運(yùn)行的重要技術(shù)手段。超聲波檢測技術(shù)是一項(xiàng)重要的無損檢測方法，在應(yīng)用超聲波檢測技術(shù)時，要注意根據(jù)中徑管各連接焊縫的特點(diǎn)選擇相適應(yīng)的探頭，從而提高超聲波回波信號的清晰度，避免造成對缺陷的誤判，提高檢測質(zhì)量。

[1]張清,李全安,文九巴,張興淵.超聲波檢測技術(shù)在工業(yè)測量中的應(yīng)用[J].科技信息(學(xué)術(shù)研究),2007,21:87-86.

[2]鄭暉,林樹青.超聲檢測[M].中國勞動社會保障出版社,2008；

[3]韋東繁.關(guān)于壓力管道超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)應(yīng)用的研究[J].低碳世界,2014,1:32-33；

余登敏(1984一)，女，貴州貴陽人，碩士，無損檢測專工，主要從事焊縫無損檢測檢驗(yàn)、技術(shù)方案及檢測報(bào)告編制等工作。