基于A(yíng)utoCAD的超聲場(chǎng)模擬在超聲檢測(cè)中的應(yīng)用

張 杰,周 進(jìn),羅宏建

(浙江省電力試驗(yàn)研究院,杭州 310014)

火力發(fā)電廠(chǎng)的金屬部件檢測(cè)中,有許多工件形狀比較復(fù)雜,往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)超聲波檢測(cè)。其難點(diǎn)在于,用超聲波檢測(cè)其內(nèi)部缺陷時(shí),結(jié)構(gòu)回波較多,無(wú)法判斷超聲波的路徑,缺陷回波與結(jié)構(gòu)回波不易區(qū)分,無(wú)法對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。解決這一難點(diǎn)必須對(duì)復(fù)雜工件中的超聲場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。

AutoCAD是一款設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用軟件,將AutoCAD用于模擬超聲場(chǎng),讓超聲波所經(jīng)過(guò)的路徑清晰地呈現(xiàn)出來(lái),然后精確測(cè)量出探頭與各反射波之間的相對(duì)位置,有助于對(duì)缺陷的判別。

1 AutoCAD對(duì)超聲場(chǎng)模擬的方法

超聲場(chǎng)模擬用于輔助超聲波檢測(cè)時(shí)主要應(yīng)用于以下兩個(gè)方面：①檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)可疑信號(hào),對(duì)可疑信號(hào)進(jìn)行識(shí)別判定,找出可疑信號(hào)的發(fā)生機(jī)理。②檢測(cè)前對(duì)可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)信號(hào)進(jìn)行預(yù)演,有效排除檢測(cè)中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)信號(hào),提高檢測(cè)效率。

為找出可疑信號(hào)的發(fā)生機(jī)理,當(dāng)發(fā)現(xiàn)反射信號(hào)時(shí),在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確量取探頭所在的位置等數(shù)據(jù)。然后用AutoCAD按照實(shí)際尺寸畫(huà)出被檢工件二維圖像,模擬出探頭所在位置發(fā)出的超聲波所經(jīng)過(guò)的路徑,從而推斷出反射波的來(lái)源。

為提高復(fù)雜工件的檢測(cè)效率,也可對(duì)可能出現(xiàn)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)演。檢測(cè)之前,明確被檢工件的確切結(jié)構(gòu),初步判斷探頭移動(dòng)時(shí)的主要反射點(diǎn)。采用AutoCAD模擬超聲場(chǎng),首先按照實(shí)際尺寸畫(huà)出工件的二維圖形,然后按照既定的檢測(cè)方法和掃查入射點(diǎn),將探頭移動(dòng)的范圍確定下來(lái),按照探頭的移動(dòng)路徑,逐步模擬出超聲波聲場(chǎng)的路徑,由此可以觀(guān)察到發(fā)生結(jié)構(gòu)回波時(shí)探頭的位置。這樣就可以據(jù)此得知出現(xiàn)缺陷時(shí)探頭的位置及超聲波出現(xiàn)的反射路徑,使檢測(cè)者得到提前預(yù)知,從而果斷剔除結(jié)構(gòu)回波,提高檢測(cè)效率。

2 工程實(shí)例

2.1 溫包角焊縫——找出可疑信號(hào)的發(fā)生機(jī)理

某電廠(chǎng)600MW哈鍋“Л”型爐主蒸汽管道全插入式測(cè)溫?zé)犭娕继坠芙呛缚p,主蒸汽管道規(guī)格為φ569mm×75mm,焊縫的設(shè)計(jì)要求全熔透。選用2.5P13×13K1及2.5P8×10K2兩種探頭(測(cè)得探頭前沿為10mm)配合掃查[1](圖1)。當(dāng)采用K2探頭在管道的徑向掃查時(shí),在多個(gè)溫包角焊縫上發(fā)現(xiàn)疑似缺陷波,而K1探頭掃查時(shí)則未發(fā)現(xiàn)該反射信號(hào)。因發(fā)現(xiàn)缺陷波時(shí)探頭所處的位置大致相同,懷疑為結(jié)構(gòu)性反射信號(hào)。由于僅憑現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法判定,于是采用AutoCAD軟件進(jìn)行徑向掃查時(shí)的聲場(chǎng)模擬。逐步模擬探頭從遠(yuǎn)離套管向套管推進(jìn)時(shí)超聲波的路徑變化。發(fā)現(xiàn)當(dāng)K2探頭出現(xiàn)在特定位置時(shí),溫包的小孔會(huì)對(duì)超聲波進(jìn)行垂直反射,形成幅度較強(qiáng)的小孔反射回波;而K1探頭掃查時(shí),卻不會(huì)出現(xiàn)該小孔反射波(圖2)。對(duì)K2探頭的入射點(diǎn)O到套管外壁M點(diǎn)距離為112.9mm。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)最大反射信號(hào)時(shí),量取探頭入射點(diǎn)到套管外壁距離約114mm,這與小孔反射回波時(shí)探頭所處的位置相同,因此可以判定該反射信號(hào)即為小孔反射信號(hào),排除為缺陷信號(hào)的可能。

2.2 小徑管——對(duì)可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)信號(hào)波進(jìn)行預(yù)演

某電廠(chǎng)300MW上鍋“Л”型爐高溫過(guò)熱器出口集箱短管角焊縫,短管為小徑管,規(guī)格φ51mm×7mm,設(shè)計(jì)允許未焊透。根據(jù)DL820—2002[2],選用特別研制的小徑管檢測(cè)專(zhuān)用雙晶探頭5P6×6β70°進(jìn)行檢測(cè)(圖3)。這種專(zhuān)用探頭的特點(diǎn)是：當(dāng)對(duì)聯(lián)箱角焊縫進(jìn)行探測(cè)時(shí),超聲波束達(dá)到小徑管內(nèi)壁時(shí)聲束不會(huì)產(chǎn)生太大的散射,同時(shí)聲束的能量不會(huì)造成太大的損失,經(jīng)小徑管內(nèi)壁反射后達(dá)到焊接接頭時(shí),仍具有較高的探傷靈敏度和較高的分辨力,能將這類(lèi)特殊角焊縫的危險(xiǎn)缺陷信號(hào)和固有信號(hào)清晰地分辨出來(lái)。通常的做法是由檢驗(yàn)人員通過(guò)對(duì)波形的動(dòng)態(tài)變化以區(qū)分結(jié)構(gòu)波、變型波和缺陷波。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,檢測(cè)時(shí)通常要對(duì)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)回波及變型波進(jìn)行逐個(gè)判別,檢測(cè)比較費(fèi)時(shí)。于是在檢測(cè)之前對(duì)可能出現(xiàn)反射信號(hào)時(shí)探頭在短管上所處的位置進(jìn)行AutoCAD模擬：①當(dāng)橫波以70°角斜入射至小徑管下端角N點(diǎn)時(shí),這是探頭從A點(diǎn)貼近焊趾往上拖動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的第一個(gè)結(jié)構(gòu)信號(hào),可以測(cè)量出此時(shí)探頭前沿到集箱外壁的距離為9.33mm。②探頭繼續(xù)往上滑動(dòng),如無(wú)缺陷則會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)結(jié)構(gòu)反射信號(hào),即M點(diǎn)(上端角反射信號(hào)),橫波以70°角斜入射至小徑管上端角M點(diǎn)時(shí),可以測(cè)量出此時(shí)探頭前沿到集箱外壁的距離為21.2mm。依此方法可以模擬出發(fā)生各種結(jié)構(gòu)反射信號(hào)及可能的缺陷時(shí)探頭在小徑管外壁上所處的位置。在實(shí)際檢測(cè)中,當(dāng)發(fā)生結(jié)構(gòu)反射信號(hào)難以從波形及走向上判定時(shí),可以借助AutoCAD模擬的探頭所處的位置參數(shù)對(duì)信號(hào)加以判別,提高檢測(cè)效率。

圖3 小徑管超聲波檢測(cè)前預(yù)演示意圖

此外AutoCAD聲場(chǎng)模擬還可以用來(lái)輔助檢測(cè)如汽輪機(jī)葉片根部、聯(lián)箱角焊縫等許多復(fù)雜的工件,其在實(shí)踐應(yīng)用中都取得了較好的效果。

3 結(jié)論

采用AutoCAD模擬聲場(chǎng)在復(fù)雜工件超聲波檢測(cè)時(shí)輔助進(jìn)行缺陷判別,通過(guò)對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的分析,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)借助超聲場(chǎng)模擬法可有效地對(duì)復(fù)雜工件的超聲波檢驗(yàn)時(shí)發(fā)生的可疑信號(hào)進(jìn)行判別,對(duì)缺陷波的判別起到有效的輔助作用。

(2)使用超聲場(chǎng)模擬法在復(fù)雜工件超聲波檢測(cè)前對(duì)可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)波信號(hào)和缺陷信號(hào)進(jìn)行預(yù)演,可使檢測(cè)者對(duì)復(fù)雜工件檢測(cè)時(shí)的波形提前預(yù)知,提高檢測(cè)效率。

[1]張杰,周進(jìn),羅宏建.火力發(fā)電廠(chǎng)測(cè)溫?zé)犭娕继坠芙呛缚p質(zhì)量的超聲檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè),2009(8)：661-663.

[2]DL/T 820—2002 管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程[S].