換熱器小徑薄壁管內(nèi)壁點(diǎn)聚焦水浸超聲波檢驗(yàn)技術(shù)研究

劉 奎 林百濤 劉 云 余小俠 歐陽標(biāo)

0 引言

換熱器小徑薄壁管在核電、石油、化工等行業(yè)一般作為流體傳輸?shù)耐ǖ篮蜔峤粨Q的場(chǎng)所，通常承受高溫高壓、沖擊、震動(dòng)、腐蝕等特殊惡劣的環(huán)境作用，這些因素會(huì)導(dǎo)致管材產(chǎn)生裂紋、腐蝕等缺陷。目前，由于換熱器管板阻擋等結(jié)構(gòu)原因，小徑薄壁管的在役檢查通常只能通過內(nèi)壁通道，采用內(nèi)穿軸繞式線圈渦流檢驗(yàn)技術(shù)。渦流檢驗(yàn)技術(shù)依賴交變電流對(duì)線圈的激勵(lì)，從而在導(dǎo)電金屬材料或能感生渦流的非金屬材料的近表面區(qū)域中產(chǎn)生電流，且集膚效應(yīng)極其明顯。因此，其局限性也比較明顯：（1）只適用于導(dǎo)電金屬材料或能感生渦流的非金屬材料的檢測(cè)；（2）只適用于檢測(cè)工件表面及近表面缺陷，不能檢測(cè)工件深層的內(nèi)部缺陷；（3）渦流效應(yīng)的影響因素多，目前對(duì)缺陷的定性和定量還比較困難，如蒸汽發(fā)生器傳熱管脹管過渡段[1]。

超聲波檢驗(yàn)不受材料電磁影響，穿透能力強(qiáng)，檢驗(yàn)深度范圍大，靈敏度高，對(duì)缺陷的定性和定量可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)面積型缺陷的檢出率較高[2]，可以彌補(bǔ)小徑薄壁管渦流檢驗(yàn)的局限性，提高在役檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性。小徑薄壁管管徑小，常規(guī)超聲檢驗(yàn)技術(shù)在其內(nèi)的通過性和耦合效果受影響；小徑薄壁管管壁薄，常規(guī)超聲檢驗(yàn)技術(shù)的盲區(qū)較大，缺陷檢出率較差。水浸超聲波檢驗(yàn)可以利用水作為耦合劑，同時(shí)，水層可有效減小探頭盲區(qū)，通過采取合適的探頭攜帶裝置可以取得較好的通過性。因此，有必要開展小徑薄壁管內(nèi)壁超聲波檢驗(yàn)技術(shù)研究。

1 換熱器小徑薄壁管的特性分析

換熱器小徑薄壁管的內(nèi)徑一般為10～16 mm，壁厚一般為1～3 mm左右。為充分隔絕一次側(cè)與二次側(cè)介質(zhì)，小徑薄壁管通常與管板焊接在一起，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括在管板內(nèi)的脹管，管口與管板的密封焊，如圖1所示。實(shí)際檢驗(yàn)的小徑薄壁管內(nèi)徑為15 mm，壁厚1.35 mm。

圖1小徑薄壁管在役檢查結(jié)構(gòu)示意圖

管板結(jié)構(gòu)使得小徑薄壁管的超聲波檢驗(yàn)只能通過內(nèi)壁通道進(jìn)行。同時(shí)，較小的內(nèi)徑使得常規(guī)超聲波探頭無法順利通過，也給探頭與小徑薄壁管內(nèi)壁的耦合帶來一定的困難。小徑薄壁管一般為無縫管，根據(jù)國內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋，小徑薄壁管的危害性缺陷主要為應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕或疲勞造成的起源于外壁的軸向或周向裂紋，這就要求檢驗(yàn)技術(shù)應(yīng)保證極高的缺陷分辨力和靈敏度。

2 技術(shù)分析

隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)化的發(fā)展，自動(dòng)超聲波檢驗(yàn)技術(shù)日新月異，可實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的實(shí)時(shí)在線采集與保存，提供數(shù)據(jù)離線分析模式，便于缺陷的定性和定量分析。同時(shí)，配合管理軟件，可實(shí)現(xiàn)小徑薄壁管全自動(dòng)定位和掃查。因此，選用自動(dòng)超聲波檢驗(yàn)技術(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)械裝備和控制系統(tǒng)。

2.1 超聲探頭

2.1.1 探頭類型

由于小徑薄壁管內(nèi)徑較小，為保證探頭通過性，其尺寸不能過大，結(jié)構(gòu)不宜太復(fù)雜；管內(nèi)徑小，曲率較大，常規(guī)探頭與管材接觸面小，易造成耦合不良，波束嚴(yán)重?cái)U(kuò)散和靈敏度低；在實(shí)際檢驗(yàn)過中，接觸法的磨損較大，易引起入射角變化，降低了檢測(cè)靈敏度；管壁較薄，探頭的盲區(qū)應(yīng)盡可能小，以實(shí)現(xiàn)對(duì)近表面區(qū)域缺陷的探測(cè)和定量。點(diǎn)聚焦水浸探頭通過聲透鏡產(chǎn)生聚焦聲束，聲場(chǎng)能量集中，分辨力和靈敏度高，可以利用水進(jìn)行耦合，不接觸管壁，并且盲區(qū)可以通過調(diào)整水層的厚度進(jìn)行消除。因此，設(shè)計(jì)點(diǎn)聚焦水浸探頭。

2.1.2 探頭波型

小徑薄壁管壁厚較薄，可不考慮波型在管壁中的衰減。為便于缺陷分析，應(yīng)盡量減少管壁內(nèi)可能產(chǎn)生的變型波，橫波的波型轉(zhuǎn)換比縱波少，同時(shí)，橫波對(duì)裂紋等缺陷的靈敏度高，因此，選用橫波探頭。

2.1.3 探頭角度

橫波入射時(shí)，35°～60°的端角反射率較高，對(duì)于根部裂紋的檢測(cè)靈敏度高[2]。水浸超聲會(huì)在液固界面產(chǎn)生額外的回波，對(duì)檢驗(yàn)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。軸向檢查時(shí)，為降低固液界面的回波強(qiáng)度，增加管壁內(nèi)聲程范圍，入射角度采用60°；周向檢查時(shí)，固液界面的回波強(qiáng)度較低，入射角采用45°。

2.1.4 探頭頻率

根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，超聲波檢驗(yàn)的靈敏度約為λ/2（λ為波長(zhǎng)）。一般要求，小徑薄壁管至少能夠發(fā)現(xiàn)20%T（T為壁厚）的裂紋。由c=λf，其中c為聲速，λ為波長(zhǎng)，f為頻率，可知頻率至少為6MHz。為保證足夠的缺陷分辨力，通常選用較高的頻率，而過高的頻率易引入較高的噪聲干擾，所以選用10～15MHz頻率的探頭。

2.1.5 探頭頻帶寬度

窄脈沖寬頻帶探頭的脈沖周期數(shù)少，在聲束方向得到較好的分辨率，同時(shí)可以確保較高的信噪比，所以易選用頻帶寬度較高的探頭（≥80%）。

2.1.6 探頭焦距參數(shù)

水浸聚焦探頭的有效聚焦要求在探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度以內(nèi)，才能保證足夠的聚焦作用。實(shí)際點(diǎn)聚焦水浸探頭的焦點(diǎn)并非一點(diǎn)，而呈柱形，如圖2所示。根據(jù)近場(chǎng)區(qū)、焦柱直徑和長(zhǎng)度的理論計(jì)算公式N=Fs/πλ，d≈λF/2R，L≈λF2/R2，其中N為近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，F(xiàn)s為晶片面積，d為焦柱直徑（以焦點(diǎn)處最大聲壓降低6dB測(cè)定）；L為焦柱長(zhǎng)度（以焦點(diǎn)處最大聲壓降低6dB測(cè)定），λ為波長(zhǎng)，F(xiàn)為焦距，R為波源半徑，10 MHz探頭的近場(chǎng)區(qū)及焦距參數(shù)計(jì)算值見表1。

圖2探頭參數(shù)設(shè)計(jì)

焦距和探頭的長(zhǎng)度之和應(yīng)能保證探頭在管內(nèi)的通過性，焦距取6 mm。為增加一次掃查覆蓋范圍，應(yīng)使聚焦區(qū)的焦柱直徑較大，焦柱長(zhǎng)度覆蓋全壁厚范圍。實(shí)際焦距、焦柱直徑和長(zhǎng)度在管壁中將進(jìn)一步縮短。

2.1.7 探頭晶片

當(dāng)焦距為6 mm時(shí)，通過表1的焦柱直徑和長(zhǎng)度計(jì)算值，為

保證焦柱長(zhǎng)度至少為一倍壁厚，晶片尺寸應(yīng)不超過φ4 mm。設(shè)計(jì)的超聲波檢測(cè)探頭如表2所示。

2.1.8 水層厚度

為利于缺陷的判別，水層厚度應(yīng)將小徑薄壁管內(nèi)壁的橫波反射處于水層的第一次和第二次反射之間。取水層厚度同焦距，為6 mm。

圖3探頭固定裝置

2.1.9 偏心距計(jì)算

軸向探頭可不考慮偏心距。周向探頭根據(jù)聲波折射定律和三角公式，偏心距為2 mm。

2.1.10 探頭角度的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)探頭焦距、水層厚度和偏心距設(shè)計(jì)探頭固定裝置，如圖3。

2.2 超聲儀

為適應(yīng)自動(dòng)超聲波檢驗(yàn)，超聲儀必須具有足夠的獨(dú)立通道，較高的采樣率、較強(qiáng)的抗干擾能力和豐富的數(shù)字接口。同時(shí)，需配備專業(yè)化的軟件，可實(shí)現(xiàn)柵格、螺旋等采樣模式，以及較好的人機(jī)交互界面。因此，選用Dynaray多通道超聲儀。

2.3 機(jī)械裝置

根據(jù)小徑薄壁管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了二軸機(jī)械裝置，如圖4。該裝置包括基座、滑動(dòng)齒條、滑動(dòng)導(dǎo)桿、轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿以及滑動(dòng)基座，其中，滑動(dòng)齒條、滑動(dòng)導(dǎo)桿和轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿平行設(shè)置；滑動(dòng)導(dǎo)桿以及轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿通過滑動(dòng)軸承安裝在滑動(dòng)基座上，在滑動(dòng)基座上設(shè)有帶編碼器的軸向電機(jī)，其通過與滑動(dòng)齒條相配合的齒輪傳動(dòng)將滑動(dòng)基座的直線運(yùn)動(dòng)通過周向編碼器進(jìn)行編碼；轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿末端安裝有帶編碼器的周向組件，可將轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)桿的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行周向運(yùn)動(dòng)的位置編碼；采用端面和外圓對(duì)設(shè)備進(jìn)行定位，針對(duì)小管徑薄壁管外徑設(shè)計(jì)了定位圓及夾緊結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)小徑薄壁管超聲波半自動(dòng)和全自動(dòng)檢測(cè)。

圖4檢查裝置

表1探頭聚焦參數(shù)

表2超聲探頭參數(shù)表

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括通用兩軸運(yùn)動(dòng)控制器以及對(duì)應(yīng)的控制軟件，可實(shí)現(xiàn)按照預(yù)定的模式使機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將位置編碼直接傳給超聲儀。

2.5 試塊

參考試塊采用材料和熱處理狀態(tài)與被檢件相同的管材制作。參考試塊反射體為20%壁厚、長(zhǎng)度5 mm的外壁周向和軸向電火花槽。采用一次波反射方式設(shè)置靈敏度，周向和軸向探頭對(duì)應(yīng)試塊上周向槽和軸向槽分別標(biāo)定。

2.6 數(shù)據(jù)采集

利用一次波在基準(zhǔn)靈敏度基礎(chǔ)上提高14dB進(jìn)行螺旋式掃查；發(fā)現(xiàn)可疑信號(hào)后，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行柵格掃查。

2.7 信號(hào)分析

檢驗(yàn)完成后，檢驗(yàn)范圍內(nèi)全部顯示均應(yīng)針對(duì)性分析，對(duì)于超標(biāo)缺陷應(yīng)予以記錄并分析。體積型缺陷采用-6dB法測(cè)量缺陷長(zhǎng)度，面積狀缺陷采用端點(diǎn)衍射法測(cè)量缺陷高度，采用-12dB法或噪聲法測(cè)量缺陷長(zhǎng)度。

表3實(shí)驗(yàn)樣管編號(hào)及缺陷類型

圖5半自動(dòng)掃查示意圖

圖6全自動(dòng)掃查示意圖

表4 1號(hào)管軸向槽半自動(dòng)檢查結(jié)果

表5 1號(hào)管軸向槽全自動(dòng)檢查結(jié)果

表6 2號(hào)管周向槽半自動(dòng)檢查結(jié)果

表7 2號(hào)管周向槽全自動(dòng)檢查結(jié)果

對(duì)于超過記錄標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，均應(yīng)加以分析和記錄，記錄信息主要包括缺陷位置、幅值、長(zhǎng)度、高度等。平面型缺陷采用尖端衍射法進(jìn)行測(cè)高，-12dB衰減法進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)，對(duì)于體積型缺陷以-6dB法測(cè)長(zhǎng)，不要求測(cè)高。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試試塊

實(shí)驗(yàn)樣管編號(hào)和缺陷類型如表3所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果

針對(duì)上表中的1、2號(hào)管分別實(shí)施半自動(dòng)檢查和全自動(dòng)檢查，檢查示意圖分別如圖5、6所示，檢查結(jié)果如下。

1號(hào)管軸向槽半自動(dòng)檢查結(jié)果如表4所示。

1號(hào)管軸向槽全自動(dòng)檢查，F(xiàn)和G相隔太近，無法完全分開，兩個(gè)缺陷連在一起按一個(gè)缺陷處理，檢查結(jié)果如表5所示。

2號(hào)管周向槽半自動(dòng)檢查結(jié)果如表6所示。

2號(hào)管周向槽全自動(dòng)檢查結(jié)果如表7所示。

4 結(jié)果分析

（1）試管中的20%壁厚高度及以上的槽均被測(cè)出，無漏檢。

（2）缺陷測(cè)量精度較高，其中半自動(dòng)模式時(shí)，軸向缺陷長(zhǎng)度測(cè)量偏差為0～1 mm，高度測(cè)量偏差為-0.14～0.08 mm；周向缺陷長(zhǎng)度測(cè)量偏差為0～1.1 mm，高度測(cè)量偏差為0～0.14 mm；全自動(dòng)模式時(shí)，軸向缺陷長(zhǎng)度測(cè)量偏差為0.4～0.5 mm，高度測(cè)量偏差為0.01～0.22 mm；周向缺陷長(zhǎng)度測(cè)量偏差為0.5～1.3 mm，高度測(cè)量偏差為0.05～0.18 mm。

（3）可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)及全自動(dòng)檢驗(yàn)，其中半自動(dòng)模式可以完成柵格矩形運(yùn)動(dòng)，全自動(dòng)模式可以完成矩形運(yùn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)論

根據(jù)換熱器小徑薄壁管在役檢查的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了點(diǎn)聚焦水浸超聲檢驗(yàn)技術(shù)和檢驗(yàn)設(shè)備，并對(duì)實(shí)驗(yàn)試塊進(jìn)行了半自動(dòng)及全自動(dòng)檢查，證明該技術(shù)可有效檢測(cè)出20%壁厚及以上的裂紋缺陷。該技術(shù)可以彌補(bǔ)小徑薄壁管渦流檢驗(yàn)的局限性，提高在役檢查結(jié)果的準(zhǔn)確性。