換熱器小徑薄壁管內壁點聚焦水浸超聲波檢驗技術研究

劉 奎 林百濤 劉 云 余小俠 歐陽標

0 引言

換熱器小徑薄壁管在核電、石油、化工等行業一般作為流體傳輸的通道和熱交換的場所，通常承受高溫高壓、沖擊、震動、腐蝕等特殊惡劣的環境作用，這些因素會導致管材產生裂紋、腐蝕等缺陷。目前，由于換熱器管板阻擋等結構原因，小徑薄壁管的在役檢查通常只能通過內壁通道，采用內穿軸繞式線圈渦流檢驗技術。渦流檢驗技術依賴交變電流對線圈的激勵，從而在導電金屬材料或能感生渦流的非金屬材料的近表面區域中產生電流，且集膚效應極其明顯。因此，其局限性也比較明顯：（1）只適用于導電金屬材料或能感生渦流的非金屬材料的檢測；（2）只適用于檢測工件表面及近表面缺陷，不能檢測工件深層的內部缺陷；（3）渦流效應的影響因素多，目前對缺陷的定性和定量還比較困難，如蒸汽發生器傳熱管脹管過渡段[1]。

超聲波檢驗不受材料電磁影響，穿透能力強，檢驗深度范圍大，靈敏度高，對缺陷的定性和定量可靠性高的優點，尤其對面積型缺陷的檢出率較高[2]，可以彌補小徑薄壁管渦流檢驗的局限性，提高在役檢查結果的準確性。小徑薄壁管管徑小，常規超聲檢驗技術在其內的通過性和耦合效果受影響；小徑薄壁管管壁薄，常規超聲檢驗技術的盲區較大，缺陷檢出率較差。水浸超聲波檢驗可以利用水作為耦合劑，同時，水層可有效減小探頭盲區，通過采取合適的探頭攜帶裝置可以取得較好的通過性。因此，有必要開展小徑薄壁管內壁超聲波檢驗技術研究。

1 換熱器小徑薄壁管的特性分析

換熱器小徑薄壁管的內徑一般為10～16 mm，壁厚一般為1～3 mm左右。為充分隔絕一次側與二次側介質，小徑薄壁管通常與管板焊接在一起，且結構復雜，包括在管板內的脹管，管口與管板的密封焊，如圖1所示。實際檢驗的小徑薄壁管內徑為15 mm，壁厚1.35 mm。

圖1小徑薄壁管在役檢查結構示意圖

管板結構使得小徑薄壁管的超聲波檢驗只能通過內壁通道進行。同時，較小的內徑使得常規超聲波探頭無法順利通過，也給探頭與小徑薄壁管內壁的耦合帶來一定的困難。小徑薄壁管一般為無縫管，根據國內外運行經驗反饋，小徑薄壁管的危害性缺陷主要為應力腐蝕、晶間腐蝕或疲勞造成的起源于外壁的軸向或周向裂紋，這就要求檢驗技術應保證極高的缺陷分辨力和靈敏度。

2 技術分析

隨著計算機自動化的發展，自動超聲波檢驗技術日新月異，可實現超聲信號的實時在線采集與保存，提供數據離線分析模式，便于缺陷的定性和定量分析。同時，配合管理軟件，可實現小徑薄壁管全自動定位和掃查。因此，選用自動超聲波檢驗技術，設計機械裝備和控制系統。

2.1 超聲探頭

2.1.1 探頭類型

由于小徑薄壁管內徑較小，為保證探頭通過性，其尺寸不能過大，結構不宜太復雜；管內徑小，曲率較大，常規探頭與管材接觸面小，易造成耦合不良，波束嚴重擴散和靈敏度低；在實際檢驗過中，接觸法的磨損較大，易引起入射角變化，降低了檢測靈敏度；管壁較薄，探頭的盲區應盡可能小，以實現對近表面區域缺陷的探測和定量。點聚焦水浸探頭通過聲透鏡產生聚焦聲束，聲場能量集中，分辨力和靈敏度高，可以利用水進行耦合，不接觸管壁，并且盲區可以通過調整水層的厚度進行消除。因此，設計點聚焦水浸探頭。

2.1.2 探頭波型

小徑薄壁管壁厚較薄，可不考慮波型在管壁中的衰減。為便于缺陷分析，應盡量減少管壁內可能產生的變型波，橫波的波型轉換比縱波少，同時，橫波對裂紋等缺陷的靈敏度高，因此，選用橫波探頭。

2.1.3 探頭角度

橫波入射時，35°～60°的端角反射率較高，對于根部裂紋的檢測靈敏度高[2]。水浸超聲會在液固界面產生額外的回波，對檢驗產生較強的干擾。軸向檢查時，為降低固液界面的回波強度，增加管壁內聲程范圍，入射角度采用60°；周向檢查時，固液界面的回波強度較低，入射角采用45°。

2.1.4 探頭頻率

根據惠更斯-菲涅耳原理，超聲波檢驗的靈敏度約為λ/2（λ為波長）。一般要求，小徑薄壁管至少能夠發現20%T（T為壁厚）的裂紋。由c=λf，其中c為聲速，λ為波長，f為頻率，可知頻率至少為6MHz。為保證足夠的缺陷分辨力，通常選用較高的頻率，而過高的頻率易引入較高的噪聲干擾，所以選用10～15MHz頻率的探頭。

2.1.5 探頭頻帶寬度

窄脈沖寬頻帶探頭的脈沖周期數少，在聲束方向得到較好的分辨率，同時可以確保較高的信噪比，所以易選用頻帶寬度較高的探頭（≥80%）。

2.1.6 探頭焦距參數

水浸聚焦探頭的有效聚焦要求在探頭近場區長度以內，才能保證足夠的聚焦作用。實際點聚焦水浸探頭的焦點并非一點，而呈柱形，如圖2所示。根據近場區、焦柱直徑和長度的理論計算公式N=Fs/πλ，d≈λF/2R，L≈λF2/R2，其中N為近場區長度，Fs為晶片面積，d為焦柱直徑（以焦點處最大聲壓降低6dB測定）；L為焦柱長度（以焦點處最大聲壓降低6dB測定），λ為波長，F為焦距，R為波源半徑，10 MHz探頭的近場區及焦距參數計算值見表1。

圖2探頭參數設計

焦距和探頭的長度之和應能保證探頭在管內的通過性，焦距取6 mm。為增加一次掃查覆蓋范圍，應使聚焦區的焦柱直徑較大，焦柱長度覆蓋全壁厚范圍。實際焦距、焦柱直徑和長度在管壁中將進一步縮短。

2.1.7 探頭晶片

當焦距為6 mm時，通過表1的焦柱直徑和長度計算值，為

保證焦柱長度至少為一倍壁厚，晶片尺寸應不超過φ4 mm。設計的超聲波檢測探頭如表2所示。

2.1.8 水層厚度

為利于缺陷的判別，水層厚度應將小徑薄壁管內壁的橫波反射處于水層的第一次和第二次反射之間。取水層厚度同焦距，為6 mm。

圖3探頭固定裝置

2.1.9 偏心距計算

軸向探頭可不考慮偏心距。周向探頭根據聲波折射定律和三角公式，偏心距為2 mm。

2.1.10 探頭角度的實現

根據探頭焦距、水層厚度和偏心距設計探頭固定裝置，如圖3。

2.2 超聲儀

為適應自動超聲波檢驗，超聲儀必須具有足夠的獨立通道，較高的采樣率、較強的抗干擾能力和豐富的數字接口。同時，需配備專業化的軟件，可實現柵格、螺旋等采樣模式，以及較好的人機交互界面。因此，選用Dynaray多通道超聲儀。

2.3 機械裝置

根據小徑薄壁管結構特點，設計開發了二軸機械裝置，如圖4。該裝置包括基座、滑動齒條、滑動導桿、轉動導桿以及滑動基座，其中，滑動齒條、滑動導桿和轉動導桿平行設置；滑動導桿以及轉動導桿通過滑動軸承安裝在滑動基座上，在滑動基座上設有帶編碼器的軸向電機，其通過與滑動齒條相配合的齒輪傳動將滑動基座的直線運動通過周向編碼器進行編碼；轉動導桿末端安裝有帶編碼器的周向組件，可將轉動導桿的旋轉進行周向運動的位置編碼；采用端面和外圓對設備進行定位，針對小管徑薄壁管外徑設計了定位圓及夾緊結構，可以實現小徑薄壁管超聲波半自動和全自動檢測。

圖4檢查裝置

表1探頭聚焦參數

表2超聲探頭參數表

2.4 控制系統

控制系統主要包括通用兩軸運動控制器以及對應的控制軟件，可實現按照預定的模式使機械裝置運動，同時將位置編碼直接傳給超聲儀。

2.5 試塊

參考試塊采用材料和熱處理狀態與被檢件相同的管材制作。參考試塊反射體為20%壁厚、長度5 mm的外壁周向和軸向電火花槽。采用一次波反射方式設置靈敏度，周向和軸向探頭對應試塊上周向槽和軸向槽分別標定。

2.6 數據采集

利用一次波在基準靈敏度基礎上提高14dB進行螺旋式掃查；發現可疑信號后，對該區域進行柵格掃查。

2.7 信號分析

檢驗完成后，檢驗范圍內全部顯示均應針對性分析，對于超標缺陷應予以記錄并分析。體積型缺陷采用-6dB法測量缺陷長度，面積狀缺陷采用端點衍射法測量缺陷高度，采用-12dB法或噪聲法測量缺陷長度。

表3實驗樣管編號及缺陷類型

圖5半自動掃查示意圖

圖6全自動掃查示意圖

表4 1號管軸向槽半自動檢查結果

表5 1號管軸向槽全自動檢查結果

表6 2號管周向槽半自動檢查結果

表7 2號管周向槽全自動檢查結果

對于超過記錄標準的缺陷，均應加以分析和記錄，記錄信息主要包括缺陷位置、幅值、長度、高度等。平面型缺陷采用尖端衍射法進行測高，-12dB衰減法進行測長，對于體積型缺陷以-6dB法測長，不要求測高。

3 試驗驗證

3.1 測試試塊

實驗樣管編號和缺陷類型如表3所示。

3.2 測試結果

針對上表中的1、2號管分別實施半自動檢查和全自動檢查，檢查示意圖分別如圖5、6所示，檢查結果如下。

1號管軸向槽半自動檢查結果如表4所示。

1號管軸向槽全自動檢查，F和G相隔太近，無法完全分開，兩個缺陷連在一起按一個缺陷處理，檢查結果如表5所示。

2號管周向槽半自動檢查結果如表6所示。

2號管周向槽全自動檢查結果如表7所示。

4 結果分析

（1）試管中的20%壁厚高度及以上的槽均被測出，無漏檢。

（2）缺陷測量精度較高，其中半自動模式時，軸向缺陷長度測量偏差為0～1 mm，高度測量偏差為-0.14～0.08 mm；周向缺陷長度測量偏差為0～1.1 mm，高度測量偏差為0～0.14 mm；全自動模式時，軸向缺陷長度測量偏差為0.4～0.5 mm，高度測量偏差為0.01～0.22 mm；周向缺陷長度測量偏差為0.5～1.3 mm，高度測量偏差為0.05～0.18 mm。

（3）可實現半自動及全自動檢驗，其中半自動模式可以完成柵格矩形運動，全自動模式可以完成矩形運動和螺旋運動。

5 結論

根據換熱器小徑薄壁管在役檢查的特點，設計了點聚焦水浸超聲檢驗技術和檢驗設備，并對實驗試塊進行了半自動及全自動檢查，證明該技術可有效檢測出20%壁厚及以上的裂紋缺陷。該技術可以彌補小徑薄壁管渦流檢驗的局限性，提高在役檢查結果的準確性。