基于SH模態(tài)導(dǎo)波桿的電站高溫結(jié)構(gòu)壁厚測(cè)量方法

徐 鴻 郭 鵬 李鴻源 田振華 鄧 博

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京，102206

基于SH模態(tài)導(dǎo)波桿的電站高溫結(jié)構(gòu)壁厚測(cè)量方法

徐 鴻 郭 鵬 李鴻源 田振華 鄧 博

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京，102206

提出了一種基于SH模態(tài)導(dǎo)波桿的電站高溫結(jié)構(gòu)壁厚測(cè)量方法，該方法使用導(dǎo)波桿將壓電傳感器與高溫被測(cè)結(jié)構(gòu)隔開(kāi)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)非頻散SH模態(tài)導(dǎo)波能通過(guò)矩形橫截面導(dǎo)波桿將導(dǎo)波信號(hào)由傳感器導(dǎo)入到高溫被測(cè)結(jié)構(gòu)中。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)特定夾具以干耦合方式將導(dǎo)波桿固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面可以獲得較好的信號(hào)。使用2 MHz中心頻率下的漢寧窗調(diào)制正弦波信號(hào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)處于不同溫度被測(cè)結(jié)構(gòu)壁厚的監(jiān)測(cè)，室溫(25 ℃)時(shí)，壁厚測(cè)量值與實(shí)際厚度相差0.016 mm，高溫被測(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)信號(hào)也非常好，波速測(cè)量值與擬合曲線所得速度值誤差范圍為0.1%～2.5%。

超聲導(dǎo)波; SH0模態(tài); 導(dǎo)波桿; 高溫; 壁厚監(jiān)測(cè); 數(shù)值模擬

0 引言

高溫、輻射環(huán)境下的設(shè)備在長(zhǎng)期的服役過(guò)程中，因持續(xù)不斷的腐蝕、侵蝕、沖蝕，設(shè)備中管道壁面會(huì)出現(xiàn)壁厚減薄的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致設(shè)備和管道失效破壞。材料一旦失效破壞，所引起的非計(jì)劃停工會(huì)給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，甚至造成人員傷亡。原料狀況、流體流動(dòng)特性、設(shè)備工況的差異性，使得管道的壁厚減薄具有明顯的局部性、突發(fā)性、風(fēng)險(xiǎn)性特征，如何實(shí)現(xiàn)這些設(shè)備和管道的失效預(yù)測(cè)和預(yù)防，一直是企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。

對(duì)于高溫部件局部腐蝕和磨損引起壁厚減薄的檢測(cè)，采用常規(guī)的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)時(shí)，壓電傳感器需與被測(cè)部件貼合，這在很大程度上限制了壓電傳感器的應(yīng)用環(huán)境。當(dāng)結(jié)構(gòu)溫度超過(guò)300 ℃時(shí)，常用壓電傳感器會(huì)因?yàn)榄h(huán)境溫度超過(guò)其居里溫度而使其壓電性能減弱甚至失效，進(jìn)而使壓電傳感器不能有效地激發(fā)和接收超聲波。為激發(fā)和接收高溫結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)波，文獻(xiàn)[3-4]對(duì)耐高溫的壓電材料和傳感器進(jìn)行了研究。此外，CAWLEY等[5]利用導(dǎo)波桿間接地激發(fā)和接收高溫結(jié)構(gòu)中的超聲波。導(dǎo)波桿可當(dāng)作導(dǎo)波、超聲波的傳輸媒介，將其置于被測(cè)結(jié)構(gòu)和壓電傳感器之間，可以有效地將壓電傳感器產(chǎn)生的超聲波傳輸?shù)奖粶y(cè)結(jié)構(gòu)中，用于超聲波激發(fā)；反之亦然，被測(cè)結(jié)構(gòu)中的超聲波可以通過(guò)導(dǎo)波桿傳輸?shù)綁弘妭鞲衅?，用于超聲波的接收。為了減小導(dǎo)波桿中波能量衰減，LYNNWORTH等[6]采用金屬線束作為導(dǎo)波桿，金屬線直徑較小，在頻散曲線上屬于低頻厚積范圍，導(dǎo)波桿中的波近似非頻散傳播；但是金屬線中傳播波信號(hào)較弱，要獲得較強(qiáng)的信號(hào)就必須將更多的金屬線捆綁在一起。為了測(cè)量高溫高壓管道壁厚，李金紅等[7]將與管材相同材料的金屬棒以全焊透的形式垂直焊接在管道外壁面用于壁厚檢測(cè)；但該方法易產(chǎn)生焊接缺陷，引起被測(cè)結(jié)構(gòu)變形及附加應(yīng)力，而且該方法采用冷卻裝置對(duì)導(dǎo)波桿進(jìn)行降溫，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且現(xiàn)場(chǎng)操作十分不便。YOUNGDAHL等[8]將導(dǎo)波桿銅焊在被測(cè)部件上，并在導(dǎo)波桿外表面添加翅片結(jié)構(gòu)用于空冷；但翅片結(jié)構(gòu)僅僅使導(dǎo)波桿端部溫度降到100℃，且焊接接頭區(qū)域的機(jī)械性能會(huì)受到影響。

本文研究了矩形截面導(dǎo)波桿中SH模態(tài)傳播，并通過(guò)干耦合方式將壓電傳感器激發(fā)的SH導(dǎo)波有效地導(dǎo)入高溫結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了高溫及變溫情況下的壁厚檢測(cè)。

1 基于SH模態(tài)的導(dǎo)波桿

1.1 SH模態(tài)的頻散關(guān)系

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向的不同，板狀波導(dǎo)介質(zhì)中的超聲導(dǎo)波主要分為SH波和Lamb波。Lamb波分對(duì)稱模態(tài)(S)和非對(duì)稱模態(tài)(A)兩種類型:對(duì)稱Lamb波特點(diǎn)是薄板上下表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，中心質(zhì)點(diǎn)做縱向振動(dòng)，振動(dòng)相位相反并對(duì)稱于中心;非對(duì)稱Lamb波特點(diǎn)是薄板上下表面質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)，中心質(zhì)點(diǎn)做橫向振動(dòng)，振動(dòng)相位相同而不對(duì)稱，Lamb波以縱向振動(dòng)為主。薄板中SH波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于板面而垂直于波的傳播方向[1-2]。對(duì)于各向同性均勻介質(zhì)，由Navier運(yùn)動(dòng)方程(不考慮體力)可以推導(dǎo)得到SH波的頻散方程：

sin(qh)=0

(1)

cos(qh)=0

(2)

式中，h為平板厚度；cs為橫波波速；ω為角速度；k為波數(shù)。

板厚1 mm的不銹鋼板(彈性模量E=216.9 GPa, 泊松比ν=0.2865, 密度ρ=7932 kg/m3)中SH模態(tài)的頻散曲線如圖1所示，SH0作為無(wú)頻散的波以剪切波速度cs傳播，有cs=3.2 km/s。圖1繪出頻率0～5 MHz的頻散曲線，SH0模態(tài)導(dǎo)波屬于非頻散的超聲導(dǎo)波信號(hào)，包括垂直于超聲導(dǎo)波傳播方向并平行于導(dǎo)波桿寬度偏振的低階剪切波信號(hào)。本文選取的SH0模態(tài)導(dǎo)波避免了不需要的較高階模態(tài)超聲波的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了矩形橫截面導(dǎo)波桿中只有單一模態(tài)的目的。

(b)群速度圖1 不銹鋼板中SH模態(tài)的頻散曲線Fig.1 SH modal dispersion curves for a stainless steel plate

1.2 導(dǎo)波桿中SH模態(tài)的傳播

導(dǎo)波波場(chǎng)模擬是導(dǎo)波研究的重要手段，因?yàn)槟M不但可以提供詳細(xì)的導(dǎo)波信息(波信號(hào)、波場(chǎng)、波模態(tài)、波結(jié)構(gòu)和頻散關(guān)系等)以便于深入研究，而且可以直觀地顯現(xiàn)出導(dǎo)波是如何傳播的[9-10]。利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)SH0模態(tài)超聲導(dǎo)波在導(dǎo)波桿中的波形、能量衰減等特性進(jìn)行數(shù)值分析，可以驗(yàn)證波源和導(dǎo)波桿設(shè)計(jì)的正確性和合理性，優(yōu)化并確定最佳工作參數(shù)。

本節(jié)中，薄矩形橫截面導(dǎo)波桿的有限元模型采用3D實(shí)體單元，即8節(jié)點(diǎn)Solid185單元。在導(dǎo)波桿材料參數(shù)的定義上，選用304不銹鋼，其彈性模量E= 216.9 GPa,泊松比ν=0.2865,密度ρ=7932 kg/m3。選用導(dǎo)波桿的尺寸：板厚1 mm,板寬15mm,板長(zhǎng)100 mm[11]。

彈性波的有限元模擬屬于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分應(yīng)盡量規(guī)整，網(wǎng)格單元尺寸適當(dāng)。網(wǎng)格尺寸和積分時(shí)間步長(zhǎng)通常需要滿足以下關(guān)系式：

(3)

(4)

式中，Lmax、Lmin分別為單個(gè)網(wǎng)格上兩節(jié)點(diǎn)間的最大距離和最小距離；λmin為最小波長(zhǎng)；nmin為每個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)的最少網(wǎng)格數(shù)(為保證收斂，nmin取值為8～10)；fc為激勵(lì)的中心頻率；cmin為彈性波的最小群速度。

由此，本模型采取單元尺寸為0.2 mm的正方形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

為激發(fā)SH0模態(tài)，對(duì)導(dǎo)波桿端面寬度中心10 mm區(qū)域的節(jié)點(diǎn)施加水平剪切力載荷，位移載荷方向沿X軸(寬度方向)，計(jì)算總時(shí)間設(shè)為200 μs，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.0625 μs。本小節(jié)選用的激勵(lì)脈沖導(dǎo)波中心頻率fc為2MHz。圖2為頻率2MHz，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)t時(shí)SH0模態(tài)導(dǎo)波在導(dǎo)波桿中傳播的位移等值線云圖。

(a)t=8.0 μs (b)t=20.5 μs

(c)t=33.0 μs (d)t=45.5 μs圖2 2MHz時(shí)X方向的位移云圖Fig.2 Simulation results of displacements in X direction at 2MH

由2a、圖2b和圖2c可看出，在傳播過(guò)程中SH0模態(tài)導(dǎo)波傳播穩(wěn)定，波包能量集中，無(wú)頻散，無(wú)明顯的多種模態(tài)波，實(shí)現(xiàn)了在導(dǎo)波桿中只有單一模態(tài)的目的。圖2d為45.5 μs時(shí)的位移場(chǎng)，是導(dǎo)波桿底端端面反射波，反射波能量雖有所衰減但仍然集中，傳播穩(wěn)定性很高。在導(dǎo)波整個(gè)傳播過(guò)程中，導(dǎo)波桿邊界不存在波能量，說(shuō)明在導(dǎo)波桿邊界沒(méi)有發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，能夠獲得較高信噪比的波信號(hào)。

如圖3所示，提取導(dǎo)波桿軸線方向(Z方向)距離施加載荷端60 mm處質(zhì)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)。在中心頻率2 MHz附近質(zhì)點(diǎn)的位移最大，波包的能量最高、最為集中，無(wú)頻散現(xiàn)象，波場(chǎng)未受到導(dǎo)波桿邊界反射波影響，信號(hào)的信噪比也較高，說(shuō)明SH0模態(tài)導(dǎo)波傳播穩(wěn)定，且質(zhì)點(diǎn)位移隨著傳播距離增加，位移能量有所衰減，但能量依然集中，波場(chǎng)依然穩(wěn)定。

圖3 2MHz時(shí)導(dǎo)波桿軸線方向距激發(fā)端60 mm處質(zhì)點(diǎn)位移曲線 Fig.3 Particle displacement curve of 60 mm in waveguide axis direction at 2MHz

通過(guò)以上的SH0模態(tài)導(dǎo)波傳播特性的仿真結(jié)果分析可知，橫截面尺寸為1 mm×15 mm導(dǎo)波桿在2 MHz的模擬頻率下，SH0模態(tài)導(dǎo)波在矩形橫截面導(dǎo)波桿中傳播時(shí)波場(chǎng)穩(wěn)定，無(wú)頻散發(fā)生，且在界面反射時(shí)不發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，波形單一，能夠獲得較高信噪比的波信號(hào)。

2 導(dǎo)波桿溫度場(chǎng)分析

導(dǎo)波桿作為壓電傳感器和高溫被測(cè)部件之間的溫度緩沖波導(dǎo)介質(zhì)，必須具有良好的散熱性，因此，本節(jié)通過(guò)ANSYS軟件對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證導(dǎo)波桿散熱情況。

矩形橫截面導(dǎo)波桿采用三維模型，選取8節(jié)點(diǎn)Solid90單元，304不銹鋼導(dǎo)波桿的相關(guān)物理參數(shù)為：導(dǎo)熱系數(shù)15 W/(m·K)，質(zhì)量熱容460 J/( kg·K )，密度7932 kg/m3，空氣換熱系數(shù)0.025 W/(m·K)。建立導(dǎo)波桿模型，尺寸為：板厚1 mm，板寬15 mm，板長(zhǎng)300 mm。使用單元格尺寸0.5 mm×0.5 mm對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在導(dǎo)波桿一端的矩形橫截面施加700 ℃的溫度載荷，其余的5個(gè)面因考慮其與空氣(25 ℃)的對(duì)流換熱施加面載荷，對(duì)導(dǎo)波桿進(jìn)行穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析。圖4a示出了導(dǎo)波桿軸線方向(Z方向)的溫度場(chǎng)梯度變化。分別提取導(dǎo)波桿軸線上20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、200 mm、300 mm處節(jié)點(diǎn)的溫度繪制700 ℃模擬溫度分布曲線，如圖4b所示，在導(dǎo)波桿250 mm左右處溫度降至室溫，說(shuō)明導(dǎo)波桿具有很好的散熱性能。

將K型熱電偶分別布置于導(dǎo)波桿的20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、480 mm處測(cè)量溫度，將導(dǎo)波桿0 mm端插在履帶陶瓷加熱器中，整個(gè)加熱器用石英棉包裹嚴(yán)實(shí)，通過(guò)熱處理溫度控制箱設(shè)定溫度，從室溫25 ℃到700 ℃，當(dāng)加熱器穩(wěn)定在設(shè)定溫度時(shí)，使用安捷倫測(cè)量管理軟件讀取熱電偶測(cè)點(diǎn)的溫度，大約250 mm長(zhǎng)的不銹鋼導(dǎo)波桿就能將700 ℃降到室溫25 ℃，與導(dǎo)波桿中溫度場(chǎng)模擬結(jié)果一致，如圖4b所示，驗(yàn)證了1 mm×15 mm矩形橫截面導(dǎo)波桿具有很好的散熱性能。

(a)溫度場(chǎng)分布云圖

(b)溫度分布曲線圖4 導(dǎo)波桿(1 mm×15 mm)Fig.4 Rectangular steel strip of 15 mm and 1 mm

3 基于導(dǎo)波桿的高溫結(jié)構(gòu)壁厚檢測(cè)

3.1 導(dǎo)波桿與被測(cè)部件干耦合方式固定

本節(jié)通過(guò)特定夾具的夾持力將兩個(gè)端面都處理過(guò)的導(dǎo)波桿以干耦合方式固定在被測(cè)部件上，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)波桿的尺寸為：長(zhǎng)500 mm、寬15 mm、厚1 mm，材質(zhì)采用304不銹鋼，在夾具夾持的導(dǎo)波桿一端布置可用于測(cè)試金屬材料應(yīng)變的電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)為2.08，敏感柵尺寸為3 mm×2 mm，基底尺寸為6.5 mm×4.0 mm。通過(guò)YSV8320靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀測(cè)試導(dǎo)波桿所受的應(yīng)變?chǔ)?，同時(shí)采集被測(cè)鋼板反射回來(lái)的導(dǎo)波信號(hào)。根據(jù)胡克定律σ=Eε(E是彈性模量，E=216.9 GPa)將應(yīng)變儀獲得的應(yīng)變?chǔ)呸D(zhuǎn)換成應(yīng)力σ，再依據(jù)σ=F/S(S是導(dǎo)波桿與被測(cè)鋼板接觸面面積，S=15 mm2)獲得導(dǎo)波桿與被測(cè)鋼板之間干耦合所需夾持力F大小，就可以得到干耦合所需夾持力F與導(dǎo)入到被測(cè)鋼板中波能量的關(guān)系曲線，如圖6所示，波包1是導(dǎo)波桿的端部反射，波包2是被測(cè)鋼板后壁一次反射，波包3是被測(cè)鋼板后壁二次反射。

圖5 高溫鋼板壁厚測(cè)量裝置Fig.5 Steel plate thickness measurement equipment at high temperature

(a)導(dǎo)波信號(hào)

(b)反射波信號(hào)幅值曲線圖6 不同夾持力與反射波信號(hào)Fig.6 Reflection signal amplitude and different clamping force

由圖6a可知，夾持力由298 N增大到871 N時(shí)，通過(guò)導(dǎo)波桿導(dǎo)入被測(cè)鋼板中的導(dǎo)波信號(hào)能量增加，導(dǎo)波桿端面反射波波包1幅值降低，被測(cè)鋼板下表面反射波波包2和波包3幅值增大，與圖6b中波包1、2和3的幅值曲線趨勢(shì)一致，在1 kN附近波包幅值都達(dá)到極值，之后幅值降低并趨于穩(wěn)定。導(dǎo)波桿所受的夾持力過(guò)大(1809 N)時(shí)，導(dǎo)波桿會(huì)發(fā)生彎曲，造成導(dǎo)波桿端面與被測(cè)鋼板之間力變小，接觸面積也會(huì)減小，使導(dǎo)波桿導(dǎo)入到被測(cè)鋼板中的波能量減少，被測(cè)鋼板中反射波能量未能很好地導(dǎo)入到導(dǎo)波桿中，導(dǎo)致干耦合效果變差。綜上，導(dǎo)波桿中的波能量在1000 N附近時(shí)能被很好地導(dǎo)入到被測(cè)鋼板中，且被測(cè)鋼板中反射波能量能很好地通過(guò)連接處被探頭接收。

3.2 高溫鋼板壁厚測(cè)量實(shí)驗(yàn)

超聲導(dǎo)波的測(cè)厚是通過(guò)聲波的脈沖回波方法實(shí)現(xiàn)的。圖7展示了SH0波在導(dǎo)波桿和被測(cè)鋼板中的傳播路徑，在后面的實(shí)驗(yàn)中，我們只關(guān)注前三個(gè)反射波，因?yàn)榍叭畏瓷洳ǖ哪芰枯^高、幅值大、信噪比較高。在導(dǎo)波桿端部的直入射橫波探頭接收到的第一個(gè)反射波是導(dǎo)波桿端面的反射波，第二個(gè)反射波是被測(cè)鋼板后壁的一次反射波，第三個(gè)反射波是被測(cè)鋼板后壁的二次反射波。

圖7 超聲導(dǎo)波測(cè)厚原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of thickness measurement by ultrasonic guided wave

在被測(cè)鋼板壁厚測(cè)量實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)波桿的尺寸為：長(zhǎng)500 mm、寬15 mm、厚1 mm。被測(cè)鋼板的尺寸為：長(zhǎng)150 mm、寬80 mm、厚10 mm。導(dǎo)波桿、被測(cè)鋼板和夾具的材料都采用304不銹鋼，探頭采用直徑12.5 mm直入射橫波探頭(Olympus V154)，將其通過(guò)蜂蜜耦合到矩形導(dǎo)波桿的端面，探頭的極化方向與導(dǎo)波桿的寬度方向平行，能夠在導(dǎo)波桿中激發(fā)出SH0波。導(dǎo)波桿與被測(cè)部件采用特定夾具實(shí)現(xiàn)干耦合。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

本文采取單激單收模式，在實(shí)驗(yàn)裝置處于室溫(25 ℃)環(huán)境中，任意函數(shù)發(fā)生器(Tektronix AFG 3022)產(chǎn)生頻率為2 MHz時(shí)，激發(fā)5周期漢寧窗調(diào)制正弦波信號(hào)給直入射橫波探頭，再經(jīng)過(guò)導(dǎo)波桿，導(dǎo)入到被測(cè)平板上，被測(cè)平板產(chǎn)生的反射波會(huì)沿原路返回被探頭接收，獲得的反射波信號(hào)如圖8所示，該套設(shè)備能接收到平板底面1次和2次反射，信噪比較好，波包易于分辨。已知平板厚10 mm，反射信號(hào)時(shí)間差6.26 μs，計(jì)算得到波速3.19 mm/μs，接近SH0模態(tài)波速3.2 mm/μs(2 MHz時(shí))，誤差為0.3%，壁厚測(cè)量值為10.016 mm，與實(shí)際平板厚度相差0.016 mm，說(shuō)明此裝置在室溫下能較好地測(cè)量平板壁厚。

圖8 不同溫度時(shí)反射波信號(hào)Fig.8 Reflected wave signal under different temperature

將固定好的壁厚測(cè)量裝置放置在履帶陶瓷加熱器上，并進(jìn)行嚴(yán)密包裹，在被測(cè)鋼板上下表面和導(dǎo)波桿上不同位置100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、480 mm處布置高溫?zé)犭娕?，如圖5所示，通過(guò)熱處理溫度控制箱控制加熱毯的溫度，從室溫25 ℃逐漸升溫到700 ℃，350 ℃和700 ℃時(shí)反射波信號(hào)如圖8所示。由圖8可知,隨著溫度升高，反射信號(hào)的信噪比變好，波包信號(hào)更明顯。同時(shí)可以明顯看出反射波波包的延遲，為了直觀地觀察幅值和能量的變化情況，我們通過(guò)溫度-時(shí)間曲線來(lái)分析，如圖9所示。隨著溫度升高，三個(gè)波包傳播時(shí)間延長(zhǎng)，與圖8的反射波波包延遲相一致。隨著溫度升高，波包2和波包3幅值有增大的趨勢(shì)，說(shuō)明通過(guò)干耦合方式能將信號(hào)能量導(dǎo)入到平板中。

(a)溫度-時(shí)間

(b)溫度-波速圖9 高溫壁厚測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.9 Experimental data curve of wall thickness measurement at high temperature

被測(cè)鋼板厚10 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)波桿長(zhǎng)度(500 mm)，可以不考慮平板中溫度分布不均勻性所產(chǎn)生的影響。如圖9a所示，隨著被測(cè)鋼板溫度的升高，對(duì)傳感器接收到的反射波信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)反映壁厚信息的三個(gè)波包均發(fā)生時(shí)間延遲，反射信號(hào)時(shí)間差也由常溫時(shí)的6.26 μs增大至700 ℃時(shí)的7.06 μs。不同溫度時(shí)，不銹鋼的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)波傳播速度也相應(yīng)發(fā)生變化，造成反射波波包發(fā)生延遲現(xiàn)象，如圖9b所示。速度測(cè)量值與擬合曲線所得速度值誤差范圍為0.1%～2.5%，波速相差0.08～0.003 mm/μs。擬合的校正決定系數(shù)可以反映擬合結(jié)果的好壞，越接近1，擬合結(jié)果越好。本文中高溫實(shí)驗(yàn)的校正決定系數(shù)為0.93，說(shuō)明高溫實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果很好。導(dǎo)波傳播速度由常溫時(shí)3.2 mm/μs減小至700 ℃時(shí)2.86 mm/μs，但是被測(cè)鋼板由室溫升至700 ℃的過(guò)程中，被測(cè)鋼板壁厚測(cè)量值范圍為9.63～10.1 mm，誤差范圍為0.16%～3.7%。上述結(jié)果驗(yàn)證了即使在高溫環(huán)境中，利用導(dǎo)波桿和直入射橫波探頭可以對(duì)被測(cè)鋼板壁厚進(jìn)行測(cè)量或監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論及展望

本文研究表明2MHz中心頻率下的SH0模態(tài)導(dǎo)波在尺寸1 mm×15 mm×500 mm矩形橫截面導(dǎo)波桿中傳播的波形穩(wěn)定，無(wú)頻散發(fā)生，且在界面反射時(shí)無(wú)波形轉(zhuǎn)換，導(dǎo)波傳輸信噪比高；通過(guò)特定夾具以干耦合方式將導(dǎo)波桿固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫被測(cè)部件實(shí)時(shí)定點(diǎn)測(cè)厚，在25～700 ℃溫度變化范圍內(nèi)，鋼板壁厚的測(cè)量誤差較小，在0.16%～3.7%之間。未來(lái)，在此測(cè)厚技術(shù)的基礎(chǔ)上添加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)壁厚測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)街锌厥?，通過(guò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，具有一定的創(chuàng)新性和應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯 袁興玲)

Thickness Measuring Method of High-temperature Power Plant Structures Based on SH Mode Waveguide

XU Hong GUO Peng LI Hongyuan TIAN Zhenhua DENG Bo

School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing,102206

It is significant to put forward a thickness measuring method of high temperature power plant structures based on SH mode, which used a waveguide to isolate the transducers from the high-temperature measurement zones. It was found that a nondispersive SH mode guided wave in rectangular waveguide was employed to transmit the guided wave signals from the transducers to the measurement zones. In addition, experiments were investigated by dry-coupled to attach the waveguides to the components, which shows that clamping the waveguides to the component surfaces may get best results. By using Hanning window modulated sine wave signals with 2 MHz center frequency, the thickness difference of the measured values and actual values of wall thickness is 0.016 mm at the room temperature(25 ℃). Performance at high temperatures was tested without signal degradation. The error ranges of wave velocity measurement values and the velocities of the fitting curve are 0.1% to 2.5%.

ultrasonic guided wave; SH0 mode; waveguide; high temperature; thickness monitoring; numerical simulation

2016-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51134016)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2016XS25)

TB559;O347.4

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.07.001

徐 鴻，男，1959年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娬驹O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、控制與運(yùn)行，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，超聲無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)。發(fā)表論文70余篇。E-mail：xuhong@ncepu.edu.cn。郭 鵬，男，1986年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。李鴻源，男，1985年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。田振華，男，1987年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。鄧 博，男，1981年生。華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。