超聲導(dǎo)波理論探測原理及其在電力中的運用論文

2021-05-13 論文

　　目前我國電力供應(yīng)仍由火電主導(dǎo)，火力發(fā)電廠作為重要的電力供給單位，其運行的安全可靠性直接影響我國經(jīng)濟的發(fā)展。我國已經(jīng)制定了一系列火電廠金屬監(jiān)督方面的規(guī)程、導(dǎo)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著眾多火電機組服役時間的增長以及新裝機組參數(shù)的提高，因不可避免的腐蝕、自然及人為等因素造成管道壁厚減薄、泄露爆裂等事故頻頻出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了電廠及電網(wǎng)的安全運行。

　　國家電監(jiān)會要求各有關(guān)火電廠切實加強對在建及運行火電廠高溫高壓設(shè)備的安全管理，采取定期檢驗、全面監(jiān)督檢測、壽命評估等手段，排除在安裝和檢修過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷，消除隱患，確保高溫高壓管道的運行安全，具有十分重要的意義。

　　1 超聲導(dǎo)波技術(shù)的特點

　　應(yīng)用常規(guī)無損檢測方法（射線檢測RT,超聲檢測UT,磁粉檢測MT,滲透檢測1）檢測管道，盡管有著眾多的優(yōu)勢，如技術(shù)成熟、只需對工人稍加培訓(xùn)就可利用現(xiàn)有的專門設(shè)備進行檢測等優(yōu)勢，但常規(guī)無損檢測方法存在一個嚴(yán)重的不足：逐點掃查式的工作過程導(dǎo)致工作量巨大，效率低下，對于長達數(shù)百米的電站四大管道系統(tǒng)來說，若進行全面檢測，任務(wù)將是非常艱巨的。故此，對于四大管道的檢驗采用常規(guī)無損檢測方法有著很大的不足，因此，需要研究一種更為有效的檢測手段。

　　超聲導(dǎo)波與傳統(tǒng)超聲波技術(shù)相比具有兩個明顯的優(yōu)勢。首先，超聲導(dǎo)波在固體中傳播時，沿傳播路徑衰減很小，所以在結(jié)構(gòu)的一點處激勵超聲導(dǎo)波，可以沿構(gòu)件傳播非常遠的距離，最大可達幾十米。若接收探頭位于距激勵源較遠處，則接收信號就包含了有關(guān)發(fā)射和接收兩點間結(jié)構(gòu)整體性的信息。因此，這種檢測技術(shù)實質(zhì)上是監(jiān)測了一條線，而非一點，大大節(jié)省了檢測時間，提高了效率；另一方面，由于超聲導(dǎo)波在管（或板）的內(nèi)外（上下）表面和中部都有質(zhì)點的振動，聲場遍及整個壁厚（或板厚），因此既可檢測構(gòu)件內(nèi)部缺陷，也可檢測兩表面缺陷。同時超聲導(dǎo)波也可在充液、帶包層的管道中傳播，使得檢測費用大大降低。因此利用超聲導(dǎo)波檢測管道缺陷具有快速、可靠、經(jīng)濟且無需剝離外包層的優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)檢測方法的不足。

　　目前針對電站鍋爐四大管道的全面檢測方法主要是超聲橫波檢測，該方法檢測效率很低。以直徑0.448m、長度1m長的一段管道檢測為例，需要探頭進行58次環(huán)向掃查、80次縱向掃查，累計掃查長度160m,掃查速度以每秒0.05m計算，耗時達54min.這種方法考慮到手動掃查人員疲勞的因素，可靠性低，不能滿足四大管道長度數(shù)百米的檢測需求。

　　據(jù)相關(guān)技術(shù)文獻介紹，超聲導(dǎo)波在沒有介質(zhì)和外包覆層的影響下，一次傳播距離可達百米以上，可發(fā)現(xiàn)1厚度的腐蝕坑，其檢測效率以直徑0.448m、長度1m長的一段管道檢測為例，需要探頭進行1次環(huán)向掃查、1次縱向掃查，檢測效率可提高70倍以上。

　　2 超聲導(dǎo)波理論及探測原理

　　超聲導(dǎo)波檢測的工作原理：探頭陣列發(fā)出一束超聲能量脈沖，此脈沖充斥整個圓周方向和整個管壁厚度，向遠處傳播，導(dǎo)波傳輸過程中遇到缺陷時，缺陷在徑向截面上有一定的面積，導(dǎo)波會在缺陷處返回一定比例的反射波，因此可由同一探頭陣列檢出返回信號-反射波來發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷的大小。管壁厚度中的任何變化，無論內(nèi)壁或外壁，都會產(chǎn)生反射信號，被探頭陣列接收到，因此可以檢出管子內(nèi)外壁由腐蝕或侵蝕引起的金屬缺損（缺陷），根據(jù)缺陷產(chǎn)生的附加波型轉(zhuǎn)換信號，可以把金屬缺損與管子外形特征（如焊縫輪廓等）識別開來。

　　超聲導(dǎo)波檢測裝置主要由固定在管子上的探傷套環(huán)（探頭矩陣）、檢測裝置本體（低頻超聲探傷儀）和用于控制和數(shù)據(jù)采樣的計算機三部分組成。不同的超聲導(dǎo)波模式（導(dǎo)波技術(shù)中使用的三種主要波型為縱向波、扭轉(zhuǎn)波和彎曲波）對管道的腐蝕缺陷特征有不同的靈敏度，因此新發(fā)展的超聲導(dǎo)波技術(shù)采用多模式（多探頭模塊）檢測，即同時進行例如縱向波和扭轉(zhuǎn)波操作，可以收集到被檢測管道更全面的信息而不致發(fā)生漏檢。

　　對于長距離管道超聲導(dǎo)波檢測，每次可以檢測多長的管線，這要考慮超聲導(dǎo)波在管道中傳輸?shù)木嚯x，它取決于管道的表面狀況（例如是否為裸管、保溫層、防腐層以及埋地情況等）、管道的幾何形狀（分支、彎管、支撐和法蘭的情況）、管道中流通的介質(zhì)（氣體、液體或固體），還有管道本身的腐蝕情況等，這些都會造成超聲波傳播的能量損失，減少其傳播距離。長距離管道超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)的檢測精度一般是指管道橫截面積的損失量，包括可達到精度（也稱檢測精度，但是是指可以部分檢出，不能達到100%檢出）和可靠精度（100%可以檢出），兩者是有重要區(qū)別的。

　　3 超聲導(dǎo)波技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　國外對超聲導(dǎo)波技術(shù)的研究始于20世紀(jì)初，研究者們首先對在不同波導(dǎo)中彈性波的傳播特性進行了理論研究。從最開始無限介質(zhì)中波的傳播理論到板中導(dǎo)波的傳播理論，又從板中導(dǎo)波理論的研究到與實際應(yīng)用更為接近的柱面導(dǎo)波的研究。最早的工作主要是進行理論求解，60年代，人們開始進行實驗研究，驗證超聲導(dǎo)波技術(shù)對管道損傷檢測的可能性以及可行性。國外開發(fā)的`導(dǎo)波檢測系統(tǒng)也主要是梳狀傳感器（探頭組）檢測系統(tǒng)。

　　近年來，導(dǎo)波被應(yīng)用到無損檢測領(lǐng)域中，特別是對薄板和管道進行無損檢測。由于超聲導(dǎo)波在管狀結(jié)構(gòu)、板材檢測上的優(yōu)越性，利用導(dǎo)波對多種類型、結(jié)構(gòu)進行缺陷檢測和性能評價已經(jīng)成為近年來導(dǎo)波檢測技術(shù)研究與應(yīng)用1國內(nèi)超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)方面的研究較國外起步略晚，國內(nèi)開發(fā)的導(dǎo)波檢測系統(tǒng)主要集中在薄壁管或小直徑圓棒的多探頭檢測系統(tǒng)上，在導(dǎo)波的頻散及多模式特征，超聲導(dǎo)波的模式和頻率選擇、導(dǎo)波的激勵和接收方式、導(dǎo)波與缺陷的相互作用、信號處理與特征提取，缺陷定位等方面做了大量研究工作。

　　國內(nèi)外導(dǎo)波檢測的思路主要是經(jīng)過管道頻散曲線計算，通過設(shè)置一定數(shù)量的導(dǎo)波探頭來抑制多模態(tài)的影響，從而得到單一模態(tài)導(dǎo)波實現(xiàn)檢測的目的。

　　4 超聲導(dǎo)波技術(shù)在電廠的應(yīng)用

　　國內(nèi)有單位進行試驗研究用高頻導(dǎo)波對主蒸汽管道進行檢測。圖3是導(dǎo)波探頭距主蒸汽管道對比試塊上內(nèi)壁直槽（尺寸為1.5mm（深）×20mm（長）×0.2mm（寬）630mm處的缺陷回波反射圖，此時系統(tǒng)增益為57db.圖4是導(dǎo)波探頭距離主蒸汽管道對比試塊上的外壁直槽（1.5mm（深）×20mm（長）×0.2mm（寬））598.1mm處缺陷回波反射圖，此時系統(tǒng)增益為57db.

　　圖5是主蒸汽管道超標(biāo)缺陷的超聲導(dǎo)波檢測反射回波波形圖，此時系統(tǒng)增益為72db.此缺陷采用TOFD進行驗證，確認該缺陷長度1200mm,埋藏深度為18.9mm,自身高度為5.5mm.此實驗證明，導(dǎo)波檢測在電站管道無損間歇普查方面有著明顯優(yōu)勢，準(zhǔn)備時間段，檢測速度快對檢修工期基本沒有影響。

　　5 結(jié)語

　　導(dǎo)波檢測技術(shù)在電力系統(tǒng)四大管道及受熱面管母材全面檢測方面有著明顯優(yōu)勢，具有準(zhǔn)備工作時間短、檢測速度快且能保證檢測靈敏度等優(yōu)勢，但由于其機理復(fù)雜目前無相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與之配套，使得該技術(shù)尚未得到廣大無損檢測人員的重視和普遍應(yīng)用。但相信隨著超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的進一步發(fā)展，隨著檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善，導(dǎo)波檢測技術(shù)將在電力系統(tǒng)的金屬技術(shù)監(jiān)督方面發(fā)揮更加重要的作用。

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