中徑管超聲波檢測技術研究

中國電建集團貴州工程公司 余登敏

中徑管超聲波檢測技術研究

中國電建集團貴州工程公司 余登敏

在火電廠發電機組鍋爐的壓力管道中廣泛應用著各類中徑管，中徑管道焊接頭焊縫質量與管道內流體輸送的安全性和穩定性息息相關，直接影響著發電機組鍋爐的安全穩定運行。超聲波檢測技術具有檢測范圍寬、靈敏度高、成本低廉、安全環保等優點，是目前檢測中徑管道焊縫質量的重要檢測手段。本文結合火電廠工作實際，首先介紹了超聲波檢測技術的原理及特點，介紹了中徑管焊縫進行超聲波檢測的技術方法。

火電廠；中徑管；超聲波檢測

1 引言

在200MW以上火電廠發電機組中，中徑管的應用十分普遍，中徑管是火電廠鍋爐的主要承壓部件，其外徑一般大于100mm，其焊縫質量的可靠性對鍋爐的安全穩定運行起著關鍵作用。例如，火電廠鍋爐中的汽包上升管、飽和導汽管和分散降水管等均屬于中徑管，其外徑為108～213mm,壁厚為10～22mm,這些管道是整個發電機組鍋爐的連接樞紐，也是主要的承壓部件。中徑管與汽包或其它部件的連接焊縫是鍋爐運行時應力集中系數較高、受力復雜的部件，因此，加強對中徑管焊縫的質量檢測具有十分重要的意義。

目前，對焊縫質量的檢測一般使用射線檢測技術和超聲波檢測技術。由于管道焊縫與其它壓力容器的對接焊縫在結構形式、焊接工藝方面均有較大差別，而超聲波檢測技術具有使用靈活方便、對人體無害、性價比高等優點，對厚壁管道檢測靈敏度和檢測效率方面具有明顯的優勢，檢測人員只需經過一些基本的專業培訓，就能有效確保管道焊縫的檢測質量。

2 超聲波檢測技術概述

超聲波是指其頻率大于語音信號20kHz的頻率范圍，并能在連續介質中傳播的機械波，超聲波檢測技術則是一種無損檢測技術，它綜合了信號處理技術、模式識別技術、圖像處理技術、傳感器技術等多項技術，應用超聲波檢測技術可以方便、快捷、直觀地檢測出工件的缺陷，例如管道是否受到外力破壞造成爆裂、管道使用年限是否過長、管道是否受到了腐蝕等。

1929年，前蘇聯科學家Sokolov首次提出了應用超聲波檢測工件結構和缺陷的檢測方法，并研發了世界上第一臺超聲波檢測儀，電子技術的發展促進了超聲波儀的不斷更新和發展，超聲波檢測儀的工作原理是激發超聲波，使超聲波傳入被測工件中，在超聲波傳播過程中，工件的邊界形態引起了超聲波回波信號的變化，因此，觀察和分析其回撥信號,即可推斷出被測工件的狀態。分析超聲波回波信號形態即可推斷出被側工件的狀態。超聲波檢測儀具有覆蓋范圍大、檢測精度高、操作便捷、成本低等特點，并具有存儲和處理數據的功能，減少了檢測人員勞動強度，提高了檢測精度。但是，超聲波檢測儀對外界環境的敏感度較高，環境噪聲、距離待測工件距離、超聲波檢測儀的轉換效率等都會對超聲波回波信號造成影響，使超聲波檢測的精度降低，此外，由于超聲波只能在液體介質中傳導，且超聲波容易被臘吸收，并受到超聲波波長的限制，超聲波檢測技術更適合于檢測厚壁管道，且不適用于檢測臘含量高的管道。

目前，超聲波檢測技術的檢測方式主要有共振法、穿透法、脈沖反射法，其中脈沖反射法是用于檢測中徑管道的常用檢測方法，可檢測出中徑管道內部缺陷的具體位置和大小。[1]儀器顯出波反射的信號變動是判斷入射信號與反射信號的相對區別和明確信號的強弱范圍的標準。另外，還需要運算與評估每次檢測的結果之間的誤差，評估整體檢驗檢測工作的不確定度的分量，最后明確檢測體系的不確定度。

3 中徑管對超聲波檢測的影響

1）若使用普通探頭進行超聲波檢測時，由于超聲波檢測技術對面積和體積型缺陷的檢出靈敏度較高，但對角焊縫的檢測卻存在盲區，例如，將探頭置于中徑管根部內側面進行超聲波檢測，由于角焊縫結構的固有特點，超聲波主聲束就會存在著無法掃查到的盲區，從而造成漏檢[2]。

2）在發電機組中，汽包壁厚一般是85～203mm，中徑管管座的壁厚為10～22mm，兩者相差較大，中徑管與汽包壁之間的角焊縫尺寸也較小，若使用普通探頭對中徑管根部進行檢測，由于焊縫外表面的回波聲程與缺陷的回波聲程相差不大，極易引起檢測人員的誤判。

3）中徑管的側避效益對超聲波檢測的靈敏度也有一定影響，例如，當使用普通直探頭對中徑管焊縫根部位置進行檢測時,若探頭距離開孔位置邊緣較近，這時，開孔側邊的發射波就會對超聲波的回波信號造成干擾，改變探頭的指向性和對稱性，造成超聲波檢測的靈敏度下降。

4 中徑管超聲波檢測技術應用方法

在應用超聲波檢測的過程中，探頭的設計與選擇是關鍵，筆者根據多年工作實踐，對中徑管檢測時，推薦使用小角度探頭，它是在普通直探頭的基礎上增加一個透聲楔構成的，其主聲束與探頭晶片軸線偏離一定的角度，從而在使用時，能夠掃查到更寬的區域，此外，還可以避免來自底面和寒風外表面的發射波信號的干擾，減少檢測人員進行誤判的概率。應用小角度探頭時，應注意選擇合適的探頭入射角度，根據斯涅耳定律，當超聲波入射到異質界面時會產生反射和折射，入射角、反射角和折射角存在以下關系：

其中，α1表示超聲波縱波入射角，β1表示超聲波縱波折射角，β2表示橫波折射角，CL1表示超聲波在第一介質中的縱波速度，CL2表示超聲波在第二介質中的縱波速度，CS2表示超聲波在第二介質中的橫波速度。當入射角小于全反射臨界角時，折射縱波和橫波的聲程差滿足下式[3]：

上式表明，使用小角度探頭對中徑管進行檢測時，橫波聲程落后于缺陷超聲波回波信號0.8T聲程，對回波信號的干擾有限。一般來說，在滿足指向性的條件下選擇折射角大的探頭，以便使探頭能夠掃查到最大的區域范圍，為增強探頭的指向性，常用探頭的頻率是5MHz。

需要注意的是，實際應用中要嚴格按照相關檢測工藝流程，進行超聲波檢測時，首先，應先垂直放置于中徑管道的中心位置的分割線上,安裝測量探頭,輕觸或輕壓探頭,使探頭與管道完全接觸,然后再分別對管道的各個測量點進行測量，最后，在考慮儀器本身的誤差因素的情況下，參考相關儀器檢測標準，對測量結果進行分析和判定，得出測試結果，確定中徑管道中缺陷的具體位置，作出檢測報告。對中徑管道缺陷的判定一般依據標準主要有：JB4730-1994《壓力容器無損檢測》以及DL/T820-2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》，根據標準的規定，若中徑管點狀缺陷的最大尺寸超過其壁厚，或檢測人員判定缺陷性質為裂紋、未熔合等危險性缺陷時，均可判定焊縫不合格，此時應立即制定相應的改善或處置措施。

5 結論

中徑管是發電機組中主要的承壓部件，在鍋爐運行過程中，中徑管承受著拉應力、擠壓應力等各種應力的作用，此外，還需要在高溫的環境下作業，因此，定期對發電機組中徑管進行檢測，是避免管道爆管，保障鍋爐安全運行的重要技術手段。超聲波檢測技術是一項重要的無損檢測方法，在應用超聲波檢測技術時，要注意根據中徑管各連接焊縫的特點選擇相適應的探頭，從而提高超聲波回波信號的清晰度，避免造成對缺陷的誤判，提高檢測質量。

[1]張清,李全安,文九巴,張興淵.超聲波檢測技術在工業測量中的應用[J].科技信息(學術研究),2007,21:87-86.

[2]鄭暉,林樹青.超聲檢測[M].中國勞動社會保障出版社,2008；

[3]韋東繁.關于壓力管道超聲導波檢測技術應用的研究[J].低碳世界,2014,1:32-33；

余登敏(1984一)，女，貴州貴陽人，碩士，無損檢測專工，主要從事焊縫無損檢測檢驗、技術方案及檢測報告編制等工作。