小徑管堵塞物的超聲檢測

唐化山，陳 瑜，劉慶洲，雷 闖，李 華

（四川電力建設二公司，成都 610051）

超臨界電站鍋爐爆管事故中，管內(nèi)異物堵塞已經(jīng)成為非計劃停爐的主要原因之一。一旦形成堵塞，就必須進行清理，因此管內(nèi)異物的檢測受到普遍關注。

在以前的預防性檢測或停爐檢修中，需要將待檢測部件管內(nèi)的水排盡，在易堵塞部位采用射線拍片來確定有無異物。其缺點是費時費力，檢驗人員要承受大劑量的射線輻射，無法拍片的部位不能檢測，存在爆管隱患。

超聲波縱波檢測小徑管內(nèi)異物的方法，是基于管內(nèi)存在介質的環(huán)境下監(jiān)測超聲波檢測部位對側管壁有無回波來進行判別。因此，具有檢測速度快、可靠性高、檢驗人員不承受大劑量射線輻射等特點，是目前取代射線檢測小徑管內(nèi)異物的理想方法。

1 檢測原理

檢測時，將超聲波在管子中的入射、反射和透射假設為平界面上進行，不考慮散射影響。

超聲波縱波垂直入射到光滑平界面時，將在第一介質中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波，在第二介質中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。

由于聲壓或聲強的分配比例僅與界面兩側的聲阻抗有關，存在于管內(nèi)的介質（液體）與空氣的聲阻抗不同，并且差異很大，則管內(nèi)有無介質時的聲壓反射和透射的情況不一樣。

超聲波異物檢測就是基于小徑管檢測部位內(nèi)部有介質的前提下，必然存在管子對側管壁多次反射回波信號；通過監(jiān)測管子對側管壁多次反射回波有無信號確定是否有異物；根據(jù)無異物部位管子對側管壁回波信號的波幅與被檢測部位對側管壁回波幅度降低量估算異物大小。

1.1 超聲波垂直入射到界面時的反射和透射［1］

縱波在不同介質中的傳播如圖1所示。超聲波從聲阻抗為Z1的第一介質入射到Z1和Z2界面時，聲壓反射率r為：

式中：Pr為反射聲壓；P0為初始聲壓；Z1為第一介質的聲阻抗；Z2為第二介質的聲阻抗。

聲壓透射率t為：

式中：Pt為透射聲壓。

管內(nèi)沒有水，即只有空氣時，Z1＝4.5×106g／cm2·s，為第一介 質，即鋼的聲阻抗；Z2＝0.00004×106g／cm2·s，為第二介質，即空氣的聲阻抗。因Z2?Z1，則聲壓反射率為r≈－1，聲壓透射率t＝0。

圖1 縱波在不同介質中的傳播情況

1.2 聲壓的往復透射

管內(nèi)有水時聲波的傳播較管內(nèi)沒有水時復雜，既有探頭側管壁反射波，又有穿過管壁傳播到對側管壁的透射回波。因此，在波形上不僅出現(xiàn)探頭側管壁回波，還在其后一段聲程范圍出現(xiàn)對側管壁的反射回波（波幅較低，聲程為4倍管子內(nèi)徑）。

管內(nèi)有水，即Z2＝0.15×106g／cm2·s，則聲壓反射率為－0.935；聲壓透射率為0.065。聲壓反射率很高，透射率很低。

透射波作為入射到管子水中的入射波，水中聲阻抗Z1＝0.15×106g／cm2·s，鋼中聲阻抗Z2＝4.5×106g／cm2·s，如底面全反射，則超聲波在水／鋼界面的聲壓往復透射率T為：

將Z1、Z2具體數(shù)值代入，得T＝12.5%。

沒有障礙物透射波的傳播聲程（包括在探頭側的傳播）：

式中：T為管壁厚度；ds為水層厚度，等于管子內(nèi)徑d。

由于縱波在水中的傳播速度cs約為鋼中速度cg的1／4，那么厚度為ds的水層其傳播時間為：

式中：T為管壁厚度；ds為水層厚度，等于管子內(nèi)徑d；cs為水中縱波聲速；cg為鋼中縱波聲速。

也就相當于4倍于鋼中的傳播時間，用聲程調節(jié)速度的話，就相當于4倍水層厚度的聲程。

式（4）可以表述為：

2 檢驗方法及步驟

2.1 使用設備及材料

檢驗儀器：漢威610Se數(shù)字式超聲波探傷，配5Z10N 的直探頭。

選用φ63mm×10mm，L150mm 左右的管子作為檢驗設備的試塊；將其一端封堵，管子注入自來水，留一半的空間；使用機油或者變壓器油作為耦合劑。

取用現(xiàn)場鋼管內(nèi)鐵銹、φ25 鋼球一個；其他雜物：φ32鋼管一節(jié)、φ1細鐵絲備用。

2.2 檢驗方法－縱波接觸法

2.2.1 靈敏度調整

將超聲波探傷儀聲程范圍設定到250 mm 左右，管子的測試部位涂上耦合劑，將直探頭放到管子沒有水的部位，如圖1中探頭位置1。這時顯示探頭側管子壁厚范圍內(nèi)的多次回波，如圖2（a）所示。

使第一次回波達到滿刻，再將探頭移到有水部位，如圖1中探頭位置2。除出現(xiàn)探頭側管壁回波外，在其后出現(xiàn)波幅較低的管子對側管壁的回波信號，如圖2（b）所示。

2.2.2 試驗過程

首先在注滿水、管子內(nèi)部無雜物的部位（圖1中探頭位置2）進行靈敏度調整、聲程范圍調節(jié)，使探頭對側管壁回波信號達到一定波幅（圖2（b）），固定儀器增益。依次將被檢測管內(nèi)分別放進鋼球、鋼管、氧化鐵、卵石、細鉛絲時，探頭放到待檢測管相應部位，確保主聲束指向管內(nèi)所放物件，依次記錄下鋼球、鋼管、氧化鐵、卵石、鐵絲在管內(nèi)時回波信號。檢驗過程顯示結果如圖3～7所示。

圖4 管內(nèi)有鋼管的波形圖

3 結果與可靠性分析

3.1 結果分析

3.1.1 無對側內(nèi)、外壁反射回波

圖7 管子內(nèi)有細鐵絲的波形圖

比較圖2（b）與圖3、圖2（b）與圖4可以發(fā)現(xiàn)，由于人工放置的堵塞物是鋼球、鋼管，由于本身形狀為球形和柱形，聲波傳播到這些物件的表面時可以視為凸柱面，柱面反射發(fā)散，而透射的聲波到達對側內(nèi)壁也很微弱，在檢測靈敏度下，不能發(fā)現(xiàn)其反射回波信號，即對側管壁回波信號在該聲程消失。同樣，比較圖2（b）與圖5可以看出，聲波障礙物為氧化鐵塊，鑒于其本身形狀的不規(guī)則，反射波發(fā)散，而聲波無法傳播到管子對側，該聲程不會出現(xiàn)反射回波信號；觀測圖2（b）與圖6，聲波障礙物為卵石這種非金屬材料，其截面積大于聲束直徑，阻擋了聲能的傳播，顯然該聲程不存在對側管壁回波信號。

3.1.2 存在對側內(nèi)、外壁反射回波

比較圖2（b）與圖7可以發(fā)現(xiàn)，當入射聲波聲束直徑大于人工堵塞物截面，如直徑為1mm 的鐵絲時，根據(jù)惠更斯－菲涅爾原理聲［2］，聲波會發(fā)生繞射，有一部分波能到達管子對側，因此在該聲程會出現(xiàn)對側管壁回波信號，由于會損失一部分聲能，其波幅要低于沒有堵塞物（見圖2（b））時的回波幅度，見圖7。

3.2 可靠性分析

在試驗過程中，將1mm 的鐵絲彎曲成U 型放入管子內(nèi)，上下移動，管子對側管壁回波波幅呈跳躍式變化，波幅變化明顯。

圖8 某電廠在管子內(nèi)清理出部分堵塞物的照片

事實上，無論是火電工程建設過程中吹管后的割管檢查，還是試運行過程中因堵塞爆管后管子里清除出的堵塞物，其類型不外乎為氧化鐵、機加工鐵屑及制造、安裝過程（通球試驗用鋼球）中殘留固體異物，其尺寸多為φ10～25 mm、長度16～90mm 之間，如圖8所示。

因此，從檢驗角度來看，能有效發(fā)現(xiàn)管子內(nèi)1mm的鐵絲已經(jīng)表明其檢測靈敏足夠發(fā)現(xiàn)上述尺寸的堵塞物，并且檢測速度快、檢測方法簡單、判斷準確。

4 結論

在檢測部位內(nèi)部充滿介質（水）的前提下，檢測結果表明：

（1）探頭對側管壁回波在該聲程出現(xiàn)且波幅不變或變化不明顯，表明沒有堵塞物。

（2）探頭對側管壁回波在該聲程消失，則表明有堵塞物，且堵塞物體積較大。

（3）探頭對側管壁回波在該聲程出現(xiàn)，但波幅下降明顯，表明有堵塞物，堵塞物體積較小。

［1］水電部超聲波探傷編寫組.超聲波探傷［M］.北京：電力工業(yè)出版社，1985.

［2］鄭暉，林樹青.超聲檢測［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2008.