爬波检测厚壁管内壁缺陷的研究思路

传统的无损检测方法因其效率低,难以发现特殊位置及特殊状态时设备和零件的缺陷等制约了其发展。近年来新型的爬波检测技术以其高效和可发现内壁缺陷的特点引起了人们的关注。文章介绍爬波检测厚壁管内壁缺陷的原理、研究步骤、研究的目的和意义、市场需求前景、创新点和技术水平。

1爬波检测的原理

传统的无损检测方法因其效率低,难以发现特殊位置及特殊状态时设备和零件的缺陷等制约了其发展。近年来新型的爬波检测技术以其高效和可发现内壁缺陷的特点引起了人们的关注,但是在许多文献中并没有详细的介绍爬坡原理,而是把它讲的非常抽象复杂难懂。

爬波:在第一临界角产生的并以纵波沿表面传播的波。爬波的产生通常是超声波由声速小的介质向声速大的介质中入射,当超声纵波的折射角为90°时,产生爬波。然而爬波爬不远。如图1所示,当αL=αⅠ时,折射纵波声轴折射角β=900。残留在第二介质的“爬波”的最小折射角约为80度左右,它们与折射纵波声轴夹角大约为100,接近零值半扩散θo,声压自然很低;再加上第二界面的分散折射,使折射波线向各方向上的声压普遍降低,这是爬波可检测距离很小、爬不远的原因。据说,“爬波”的回波波幅,与始脉冲幅度之间,可能有与距离4次方成反比的关系。

而在此研究中,超声波从钢中向空气中入射,在弧形的介质界面上产生爬波。这种现象的提出较少出现在文献中,其可靠性和转换机制需要进一步研究。另外,爬波的检测范围较短,其灵敏度能否满足检测要求,都需在标准试块上进行核实。

2研究步骤

2.1研究厚壁管内壁上超声体波向爬波的转换机制

首先利用数值方法模拟超声波在厚壁管内的传播过程,明确传播过程中超声波的属性,观察超声体波在内壁上转换为爬波的现象。然后,利用实验方法来验证数值模拟结果的有效性。实验中通过观察特征信号和回波信号,得到超声波的传播速度来判定超声波的属性。最后,通过几何声学理论确认爬波的转换机制。

2.2设计超声波在厚壁管内壁上传播的几何声路

为了使超声体波在内壁上能够转换为爬波,超声体波在内壁上的入射角应确保在一定的数值内。根据数值模拟结果和几何声学理论,设计出合理的入射角度,并在标准试块上进行试验。

2.3研制爬波检测用超声探头

为了研制出较好性能的爬波探头,需要优选出匹配的探头参数:频率、入射角度、晶片尺寸等。首先,利用有限元方法找出参数的大致范围,然后利用正交试验的方法制作一批探头,在标准试块上确定出最优的参数组合。

3研究的目的、意义

厚壁管也称厚壁钢管,把钢管外径和壁厚之比小于20的钢管称为厚壁钢管。石油、化工、电力等行业中存在着大量的厚壁管,这些管道起着输送介质、传导能量的作用。随着运行时间的增加,会逐渐出现腐蚀坑、裂纹、点蚀群等缺陷。一旦厚壁管出现破裂或失效,将会造成重大的安全事故。厚壁管道的常规超声检测方法需要逐点扫查被检工件,导致工作量巨大,效率低下,成本高,甚至有些部位由于探头无法接触到导致无法检测,所以利用传统超声方法很难实现快速、可靠、全面的检测。因此,急需一种新的无损检测方法来解决厚壁管内壁缺陷的检测难题。

爬波又称为表面下纵波,是纵波以第一临界角入射时在第二介质中产生的一种非均匀波。由于这种波传播时,大部分能量主要集中在表面下某个范围内,且不同于表面波,对工件表面粗糙度不敏感,因此适用于检测粗糙表面下的缺陷。本课题提出在厚壁管外侧激励出在内壁上传播的爬波检测技术,具有长距离、对表面和近表面缺陷敏感的优点,可以很好地实现快速、全面的厚壁管内壁缺陷检测。超声体波在弧形表面转换为爬波的机制鲜有研究,仍是一个新颖的、前沿的研究课题,具有重大的工程和科学研究价值。

4市场需求前景

厚壁管常见于锅炉给水管道、主蒸汽管道、再热器冷段和热段管道等,在化工厂和电厂中占较大的比例。一旦厚壁管出现破裂或失效,将会造成重大的经济和安全事故。如:元宝山热电厂2#机组投入运行的10年期间,共发生泄漏160次,其中厚壁管泄漏125次,占总泄漏的78.1%。又如:2012年佛山市某公司1SHFx20-2.45/400PII型锅炉发生水冷壁管爆管事故,事故间接造成1人死亡,直接经济损失达30余万元,并使该公司停产一周。另外,“四管”泄漏爆管是造成机组非计划停运的主要原因,在火电厂锅炉运行中,锅炉四管的泄漏和爆破约占到各类事故总数的30%,有的机组甚至高达50%-70%的比例,由此造成火电厂机组的非计划停运次数增加,且带来相当的经济损失,对机组的安全、稳定、经济运行威胁极大,严重威胁着锅炉的安全经济运行。珠海宝塔石化有限公司、华峰石化有限公司等几乎所有化工厂都有很多厚壁管道,这些都是本课题的需求前景和应用领域。因此,将爬波技术应用于厚壁管内壁缺陷的快速检测,不仅将是一项创新的、应用前景广阔的成果,而且还富含着重大的经济和理论价值。

5创新点和技术水平

创新点:(1)将爬波技术应用于厚壁管的内壁缺陷检测中;超声波在内壁上转变为爬波的声学理论尚未完全明晰,仍需进一步研究;(2)研制了一款在厚壁管外壁激励,在内壁形成爬波的超声探头:该探头根据被检厚壁管的几何尺寸和爬波的转变机制研制,可检测出内壁上的裂纹、腐蚀等缺陷;(3)该检测技术具有快速检测的特点;利用爬波在表面上可传播一定距离的特性,避免了对厚壁管进行逐点检测,使得检测效率大大提高;技术水平:(1)研制的超声探头在管外壁的四分之一区域上扫查,可快速检测整个厚壁管的内壁缺陷;(2)研制的超声探头可连接在现有的超声检测仪器上,检测方便;(3)研制的超声探头制作成本较低,可降低厚壁管的检测成本。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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