超聲導波檢測技術在電力系統的應用

馬慶增,張春雷

(廣東電網公司電力科學研究院,廣州 510080)

1 超聲導波的產生

在通常的超聲檢測中,一般都把被測物理想化,視被測物為無限均勻介質,因而其中只有膨脹波和等容積波兩種體波存在,它們分別以各自的特征速度傳播,無波型改變。當把被測物視為半無限均勻介質時,由于介質性質不連續面的存在,超聲波將與界面發生復雜的相互作用,并導致波的散射、透射、反射和波型轉換等,在這種情況下,一般不考慮波的彌散特性。導致超聲波彌散的原因有物理彌散和幾何彌散。物理彌散是由于介質的特性而引起的,而幾何彌散是由于介質的幾何效應引起的,其彌散關系往往由其邊界條件決定。導波檢測就是利用傳播介質的某些特征尺寸產生的幾何彌散效應來進行的。在實際檢測中,作為超聲波傳播介質的工件往往有很多介質性質不連續的界面存在。當介質中有一個以上的界面存在時,超聲波會在界面間產生多次往復反射,并進一步產生復雜的干涉作用。由于界面幾何尺寸影響,超聲波傳播速度將依賴于波的頻率,從而導致波的幾何彌散。由于超聲波在界面上傳導復雜,如果工件的交界面不規則,則導波信號很難識別,所以導波技術一般用于特定的規則工件(板、管等)檢測。

2 導波的分類

導波是由于聲波在介質中的不連續交界面間產生多次往復反射,并進一步產生復雜的干涉和幾何彌散而形成的。主要分為圓柱體中的導波以及板中的SH 波、SV波、蘭姆波(Lamb)和漏蘭姆波等[1]。

(1)探頭激勵超聲導波,板的整個厚度都在作復雜的振動,導波在板中傳播有兩種基本形式：一種是介質質點振動方向與板面平行的水平偏振的橫波(SH);另一種是既有振動方向與板面垂直的橫波,又有振動方向與板面平行的蘭姆波。當超聲導波遇到板中的缺陷后,就會出現模態轉換現象,并且波形有不同程度頻散和衰減,通過對缺陷回波的數值分析和信號處理,可以得到缺陷位置和大小等信息。

不同模態的導波在缺陷的不同板厚處質點水平/垂直振動位移不同,對不同缺陷的檢出能力不一樣。因此,對于特定的缺陷,可以通過改變入射角和頻率等激勵特定模態的導波。

(2)根據Silk和Bainton的理論[2],圓柱體中的導波分為①軸對稱縱向模式L(0,m)(m=1,2,3…)。②軸對稱扭轉模式T(0,m)(m=1,2,3…)。③非軸對稱縱向模式F(n,m)(m=1,2,3…)。各模式中整數m是計數變量,反映該模式繞管壁厚方向上的振動形態;整數n反映該模式繞管壁螺旋式傳播形態。其中,L(0,m)和 T(0,m)模式是F(n,m)模式中n=0的特例。

縱波是一邊沿管子軸向振動,一邊沿管子軸向傳播,回波幅度與缺陷形狀關系不大,回波信號不如扭轉波清晰,受探頭接觸面的表面狀態(油漆、凹凸等)影響很大。扭轉波的特點是能夠一邊沿管子周向振動,一邊沿管子軸向傳播,回波信號包含著管軸方向的缺陷信息,通常能得到清晰的回波信號,信號識別較容易,波型轉換較少,檢測距離較長,對軸向缺陷靈敏度高。

綜上所述,導波技術可以應用于管材和板材的檢測。但是,導波在傳播一定距離后會發生幾何彌散,導波的相速度隨頻率的不同而改變,即產生導波的頻散現象[3],導波的頻散在時域中的表現為某一模態波的包絡線隨傳播距離的增加不斷拉長,降低了檢測信號的信噪比,而導波的多模態現象則會導致不同模態信號的重疊和交叉,極大地影響實際檢測的可靠性。為便于信號識別和實際應用,試驗中應選擇最低階頻散模式的導波。

3 導波在電力系統的應用

3.1 電站鍋爐小徑管及管道的導波檢測

由于導波本身的特性,其可以沿管道傳播較遠的距離,明顯提高對徑管及管道的檢測效率。另一方面,由于超聲導波在管道內外表面和中部都有質點的振動,聲場遍及整個管壁,因此,整個壁厚范圍都可被檢測[4]。這就意味著可同時檢測管道內部缺陷和外表面缺陷。

安置在管道上的導波探頭,在管道上激勵出超聲導波,導波在管道中傳播時充滿整個管材的圓周方向和管壁厚度,受缺陷或結構的調制形成含有管道缺陷和結構信息的回波信號,再由探頭轉換,最后集中到計算機中進行信號處理和分析。試驗表明,SH型導波沿爐內小管子傳播方向有軸向、周向和軸向螺旋式三種傳播方式,軸向有效檢測傳播距離達30多米遠,可檢測管子內外表面的缺陷(如軸向和周向裂紋、腐蝕坑、減薄、焊縫中的缺陷等);蘭姆波型導波沿凝汽器類管有效檢測傳播20米以上的距離,管子中間有彎曲時不影響導波的傳播,蘭姆波可檢測10%壁厚的裂紋[5]。

吉林省電力科學研究院曾利用軸對稱模式導波對省煤器管排進行了檢測,發現含有危害性缺陷的管排90排[4],消除了事故隱患。

3.2 電站鍋爐主蒸汽管道的導波檢測

電站鍋爐主蒸汽管道工作壓力和工作溫度高,是金屬監督檢驗的重點。近期國內多次出現主蒸汽管道開裂泄漏事故,嚴重影響了電廠及電網的安全運行,因此,有必要對主蒸汽管道進行檢測。但主蒸汽管道長度達百米以上,常規的超聲波檢測方法必須對管道逐點檢查,檢測效率低。導波由于其本身的特性,可以沿管道傳播較遠的距離,且可同時對內外壁進行檢測,明顯提高了檢測效率。

國內有單位已著手進行試驗研究,用高頻導波對主蒸汽管道進行檢測。圖1是導波探頭距主蒸汽管道對比試塊上的內壁直槽(尺寸為1.5mm(深)×20mm(長)×0.2mm(寬))630mm 處的缺陷回波反射圖,此時系統增益為67dB。圖2是導波探頭距離主蒸汽管道對比試塊上的外壁直槽(1.5mm(深)×20mm(長)×0.2mm(寬))598.1mm 處缺陷回波反射圖,此時系統增益為57dB。試驗還利用導波對部分主蒸汽管道進行了無損檢測,圖3為主蒸汽管道超標缺陷的超聲導波檢測反射回波波形圖,此時系統增益為72dB。此缺陷采用TOFD進行驗證,確認該缺陷長 1200mm,埋藏深度為18.9mm,自身高度為5.5mm[6]。

試驗證明,導波檢測在電站管道無損檢測普查方面有著明顯優勢,準備工作時間短,檢測速度快,對A級檢修工期基本沒有影響。

3.3 高壓傳輸線鐵塔的錨桿檢測

幾千公里的高壓傳輸線路是由高壓線塔所支持的。這些塔通常采用鋼棒埋入地下或水泥座中穩定其結構。這些錨桿常年置于應力腐蝕狀態,如果應力腐蝕到達了一個不安全的極限,高壓鐵塔就會有倒塌的風險,尤其在臺風或風力較大的地區。國內到目前為止,唯一可靠檢測地面下錨桿的方法只有目視檢查,這需費時費力地挖開地面,并有可能損傷鋼棒表面涂層,從而導致腐蝕的加速。美國西南研究院的科學人員成功將MsS導波技術用于無損檢測地面下錨桿的腐蝕狀況,這種方法無需挖開地面,可以從地表上的檢測點對整根錨桿進行檢測。

MsS導波技術基于洛侖茲力和鐵磁性材料的正逆磁致伸縮效應原理。將線圈纏繞在錨桿上,在線圈外側安裝永久磁鐵。當高頻激勵信號加到靠近金屬表面的線圈上時,在金屬表面的集膚層內將會感應出相應頻率的渦流,此渦流方向與線圈中電流方向相反。由于磁致伸縮效應,永久磁鐵的磁場作用力會使渦流產生一個與渦流頻率相同的力,即洛侖茲力,它在錨桿內傳播就形成了電磁導波[7]。電磁導波傳播時,受到錨桿結構(包括材料性能、規格尺寸和缺陷狀態等)的調制,導波信號發生改變,產生帶有錨桿結構調制特征的變化磁通勢,從而在接收線圈中產生感應電動勢。通過對該感應電動勢信號的分析和處理,可以得到錨桿缺陷信息。圖4顯示了一根完好和一根受到腐蝕的錨桿的樣本數據。

圖4 受到腐蝕的錨桿及完好錨桿的波形圖

3.4 電力鐵塔角鋼類型材的導波檢測

角鋼可以看作互相垂直連接的鋼板,因此角鋼中導波的傳播規律與鋼板中的規律相似,也可以用高頻導波進行檢測。天津市電力科學研究院已開展利用導波對角鋼檢測的試驗工作[8]。該所進行的試驗表明,該方法具有較高的靈敏度和較快的檢測速度,可以滿足電力鐵塔用角鋼型材的現場檢測。圖5為距探頭1 000 mm處1 mm深線切割槽的檢測回波。

圖5 距探頭1 000 mm處1 mm深線切割槽回波

4 結語

導波檢測技術在電力系統的高壓傳輸線鐵塔的錨桿檢測、電力鐵塔角鋼類型材的檢測、電站壓力管道及受熱面管母材全面檢測方面,有著明顯優勢,具有準備工作時間短,檢測速度快且能保證檢測靈敏度的優勢,但目前無相關的標準與之配套相信隨著超聲導波檢測技術的進一步發展,隨著檢測標準的制定與完善,導波檢測技術將在電力系統的金屬技術監督方面發揮更加重要的作用。

[1]劉鎮清.超聲無損檢測中的導波技術[J].無損檢測,1999,21(8)：367-369.

[2]Silk M G,Bainton K F.The propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to Lamb waves[J].Ultrasonic,1979,17：11-19

[3]SHIN H J,ROSE J L.Guided wave by axisymmetric and non-axisymmetric surface loading on hollow cylinders[J].Ultrasonics,1999,37(5)：355-363.

[4]杜好陽,張春雷,隋忠學,等.電站小徑管母材缺陷檢測的導波技術及其應用[J].無損探傷,2002,160(3)：1.

[5]馬劍民,侯安柱,姚思宇,等.電站管道超聲導波快速檢測技術[C].廣西：中國電機工程學會第八屆無損檢測學術會議,廣西北海,1999.

[6]王朝華,蔡紅生,李世濤.電站主汽管道導波檢測[J].無損探傷,2007,31(4)：35-37.

[7]金建華,申陽春.一種用于管道檢測的磁致伸縮式周向超聲導波傳感器[J].傳感技術學報,2004(4)：576.

[8]馬崇,杜箏.電力鐵塔用角鋼型材超聲導波檢測研究[J].河北電力技術,2009,28(3)：10-11.