爬波檢測厚壁管內壁缺陷的研究思路

傳統的無損檢測方法因其效率低,難以發現特殊位置及特殊狀態時設備和零件的缺陷等制約了其發展。近年來新型的爬波檢測技術以其高效和可發現內壁缺陷的特點引起了人們的關注。文章介紹爬波檢測厚壁管內壁缺陷的原理、研究步驟、研究的目的和意義、市場需求前景、創新點和技術水平。

1爬波檢測的原理

傳統的無損檢測方法因其效率低,難以發現特殊位置及特殊狀態時設備和零件的缺陷等制約了其發展。近年來新型的爬波檢測技術以其高效和可發現內壁缺陷的特點引起了人們的關注,但是在許多文獻中并沒有詳細的介紹爬坡原理,而是把它講的非常抽象復雜難懂。

爬波:在第一臨界角產生的并以縱波沿表面傳播的波。爬波的產生通常是超聲波由聲速小的介質向聲速大的介質中入射,當超聲縱波的折射角為90°時,產生爬波。然而爬波爬不遠。如圖1所示,當αL=αⅠ時,折射縱波聲軸折射角β=900。殘留在第二介質的“爬波”的最小折射角約為80度左右,它們與折射縱波聲軸夾角大約為100,接近零值半擴散θo,聲壓自然很低;再加上第二界面的分散折射,使折射波線向各方向上的聲壓普遍降低,這是爬波可檢測距離很小、爬不遠的原因。據說,“爬波”的回波波幅,與始脈沖幅度之間,可能有與距離4次方成反比的關系。

而在此研究中,超聲波從鋼中向空氣中入射,在弧形的介質界面上產生爬波。這種現象的提出較少出現在文獻中,其可靠性和轉換機制需要進一步研究。另外,爬波的檢測范圍較短,其靈敏度能否滿足檢測要求,都需在標準試塊上進行核實。

2研究步驟

2.1研究厚壁管內壁上超聲體波向爬波的轉換機制

首先利用數值方法模擬超聲波在厚壁管內的傳播過程,明確傳播過程中超聲波的屬性,觀察超聲體波在內壁上轉換為爬波的現象。然后,利用實驗方法來驗證數值模擬結果的有效性。實驗中通過觀察特征信號和回波信號,得到超聲波的傳播速度來判定超聲波的屬性。最后,通過幾何聲學理論確認爬波的轉換機制。

2.2設計超聲波在厚壁管內壁上傳播的幾何聲路

為了使超聲體波在內壁上能夠轉換為爬波,超聲體波在內壁上的入射角應確保在一定的數值內。根據數值模擬結果和幾何聲學理論,設計出合理的入射角度,并在標準試塊上進行試驗。

2.3研制爬波檢測用超聲探頭

為了研制出較好性能的爬波探頭,需要優選出匹配的探頭參數:頻率、入射角度、晶片尺寸等。首先,利用有限元方法找出參數的大致范圍,然后利用正交試驗的方法制作一批探頭,在標準試塊上確定出最優的參數組合。

3研究的目的、意義

厚壁管也稱厚壁鋼管,把鋼管外徑和壁厚之比小于20的鋼管稱為厚壁鋼管。石油、化工、電力等行業中存在著大量的厚壁管,這些管道起著輸送介質、傳導能量的作用。隨著運行時間的增加,會逐漸出現腐蝕坑、裂紋、點蝕群等缺陷。一旦厚壁管出現破裂或失效,將會造成重大的安全事故。厚壁管道的常規超聲檢測方法需要逐點掃查被檢工件,導致工作量巨大,效率低下,成本高,甚至有些部位由于探頭無法接觸到導致無法檢測,所以利用傳統超聲方法很難實現快速、可靠、全面的檢測。因此,急需一種新的無損檢測方法來解決厚壁管內壁缺陷的檢測難題。

爬波又稱為表面下縱波,是縱波以第一臨界角入射時在第二介質中產生的一種非均勻波。由于這種波傳播時,大部分能量主要集中在表面下某個范圍內,且不同于表面波,對工件表面粗糙度不敏感,因此適用于檢測粗糙表面下的缺陷。本課題提出在厚壁管外側激勵出在內壁上傳播的爬波檢測技術,具有長距離、對表面和近表面缺陷敏感的優點,可以很好地實現快速、全面的厚壁管內壁缺陷檢測。超聲體波在弧形表面轉換為爬波的機制鮮有研究,仍是一個新穎的、前沿的研究課題,具有重大的工程和科學研究價值。

4市場需求前景

厚壁管常見于鍋爐給水管道、主蒸汽管道、再熱器冷段和熱段管道等,在化工廠和電廠中占較大的比例。一旦厚壁管出現破裂或失效,將會造成重大的經濟和安全事故。如:元寶山熱電廠2#機組投入運行的10年期間,共發生泄漏160次,其中厚壁管泄漏125次,占總泄漏的78.1%。又如:2012年佛山市某公司1SHFx20-2.45/400PII型鍋爐發生水冷壁管爆管事故,事故間接造成1人死亡,直接經濟損失達30余萬元,并使該公司停產一周。另外,“四管”泄漏爆管是造成機組非計劃停運的主要原因,在火電廠鍋爐運行中,鍋爐四管的泄漏和爆破約占到各類事故總數的30%,有的機組甚至高達50%-70%的比例,由此造成火電廠機組的非計劃停運次數增加,且帶來相當的經濟損失,對機組的安全、穩定、經濟運行威脅極大,嚴重威脅著鍋爐的安全經濟運行。珠海寶塔石化有限公司、華峰石化有限公司等幾乎所有化工廠都有很多厚壁管道,這些都是本課題的需求前景和應用領域。因此,將爬波技術應用于厚壁管內壁缺陷的快速檢測,不僅將是一項創新的、應用前景廣闊的成果,而且還富含著重大的經濟和理論價值。

5創新點和技術水平

創新點:(1)將爬波技術應用于厚壁管的內壁缺陷檢測中;超聲波在內壁上轉變為爬波的聲學理論尚未完全明晰,仍需進一步研究;(2)研制了一款在厚壁管外壁激勵,在內壁形成爬波的超聲探頭:該探頭根據被檢厚壁管的幾何尺寸和爬波的轉變機制研制,可檢測出內壁上的裂紋、腐蝕等缺陷;(3)該檢測技術具有快速檢測的特點;利用爬波在表面上可傳播一定距離的特性,避免了對厚壁管進行逐點檢測,使得檢測效率大大提高;技術水平:(1)研制的超聲探頭在管外壁的四分之一區域上掃查,可快速檢測整個厚壁管的內壁缺陷;(2)研制的超聲探頭可連接在現有的超聲檢測儀器上,檢測方便;(3)研制的超聲探頭制作成本較低,可降低厚壁管的檢測成本。

文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管

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