馬慶增,張春雷

(廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,廣州 510080)

1 超聲導(dǎo)波的產(chǎn)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(zhì),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(dāng)把被測物視為半無限均勻介質(zhì)時,由于介質(zhì)性質(zhì)不連續(xù)面的存在,超聲波將與界面發(fā)生復(fù)雜的相互作用,并導(dǎo)致波的散射、透射、反射和波型轉(zhuǎn)換等,在這種情況下,一般不考慮波的彌散特性。導(dǎo)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(zhì)的特性而引起的,而幾何彌散是由于介質(zhì)的幾何效應(yīng)引起的,其彌散關(guān)系往往由其邊界條件決定。導(dǎo)波檢測就是利用傳播介質(zhì)的某些特征尺寸產(chǎn)生的幾何彌散效應(yīng)來進(jìn)行的。在實際檢測中,作為超聲波傳播介質(zhì)的工件往往有很多介質(zhì)性質(zhì)不連續(xù)的界面存在。當(dāng)介質(zhì)中有一個以上的界面存在時,超聲波會在界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射,并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)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(dǎo)致波的幾何彌散。由于超聲波在界面上傳導(dǎo)復(fù)雜,如果工件的交界面不規(guī)則,則導(dǎo)波信號很難識別,所以導(dǎo)波技術(shù)一般用于特定的規(guī)則工件(板、管等)檢測。

2 導(dǎo)波的分類

導(dǎo)波是由于聲波在介質(zhì)中的不連續(xù)交界面間產(chǎn)生多次往復(fù)反射,并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的。主要分為圓柱體中的導(dǎo)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(dǎo)波,板的整個厚度都在作復(fù)雜的振動,導(dǎo)波在板中傳播有兩種基本形式：一種是介質(zhì)質(zhì)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(dāng)超聲導(dǎo)波遇到板中的缺陷后,就會出現(xiàn)模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,并且波形有不同程度頻散和衰減,通過對缺陷回波的數(shù)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(tài)的導(dǎo)波在缺陷的不同板厚處質(zhì)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?nèi)肷浣呛皖l率等激勵特定模態(tài)的導(dǎo)波。

(2)根據(jù)Silk和Bainton的理論[2],圓柱體中的導(dǎo)波分為①軸對稱縱向模式L(0,m)(m=1,2,3…)。②軸對稱扭轉(zhuǎn)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(shù)m是計數(shù)變量,反映該模式繞管壁厚方向上的振動形態(tài);整數(shù)n反映該模式繞管壁螺旋式傳播形態(tài)。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(guān)系不大,回波信號不如扭轉(zhuǎn)波清晰,受探頭接觸面的表面狀態(tài)(油漆、凹凸等)影響很大。扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換較少,檢測距離較長,對軸向缺陷靈敏度高。

綜上所述,導(dǎo)波技術(shù)可以應(yīng)用于管材和板材的檢測。但是,導(dǎo)波在傳播一定距離后會發(fā)生幾何彌散,導(dǎo)波的相速度隨頻率的不同而改變,即產(chǎn)生導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象[3],導(dǎo)波的頻散在時域中的表現(xiàn)為某一模態(tài)波的包絡(luò)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(dǎo)波的多模態(tài)現(xiàn)象則會導(dǎo)致不同模態(tài)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(yīng)用,試驗中應(yīng)選擇最低階頻散模式的導(dǎo)波。

3 導(dǎo)波在電力系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 電站鍋爐小徑管及管道的導(dǎo)波檢測

由于導(dǎo)波本身的特性,其可以沿管道傳播較遠(yuǎn)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(dǎo)波在管道內(nèi)外表面和中部都有質(zhì)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(nèi)部缺陷和外表面缺陷。

安置在管道上的導(dǎo)波探頭,在管道上激勵出超聲導(dǎo)波,導(dǎo)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(jié)構(gòu)的調(diào)制形成含有管道缺陷和結(jié)構(gòu)信息的回波信號,再由探頭轉(zhuǎn)換,最后集中到計算機(jī)中進(jìn)行信號處理和分析。試驗表明,SH型導(dǎo)波沿爐內(nèi)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(dá)30多米遠(yuǎn),可檢測管子內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)波的傳播,蘭姆波可檢測10%壁厚的裂紋[5]。

吉林省電力科學(xué)研究院曾利用軸對稱模式導(dǎo)波對省煤器管排進(jìn)行了檢測,發(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(jiān)督檢驗的重點。近期國內(nèi)多次出現(xiàn)主蒸汽管道開裂泄漏事故,嚴(yán)重影響了電廠及電網(wǎng)的安全運行,因此,有必要對主蒸汽管道進(jìn)行檢測。但主蒸汽管道長度達(dá)百米以上,常規(guī)的超聲波檢測方法必須對管道逐點檢查,檢測效率低。導(dǎo)波由于其本身的特性,可以沿管道傳播較遠(yuǎn)的距離,且可同時對內(nèi)外壁進(jìn)行檢測,明顯提高了檢測效率。

國內(nèi)有單位已著手進(jìn)行試驗研究,用高頻導(dǎo)波對主蒸汽管道進(jìn)行檢測。圖1是導(dǎo)波探頭距主蒸汽管道對比試塊上的內(nèi)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(tǒng)增益為67dB。圖2是導(dǎo)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(tǒng)增益為57dB。試驗還利用導(dǎo)波對部分主蒸汽管道進(jìn)行了無損檢測,圖3為主蒸汽管道超標(biāo)缺陷的超聲導(dǎo)波檢測反射回波波形圖,此時系統(tǒng)增益為72dB。此缺陷采用TOFD進(jìn)行驗證,確認(rèn)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(dǎo)波檢測在電站管道無損檢測普查方面有著明顯優(yōu)勢,準(zhǔn)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(wěn)定其結(jié)構(gòu)。這些錨桿常年置于應(yīng)力腐蝕狀態(tài),如果應(yīng)力腐蝕到達(dá)了一個不安全的極限,高壓鐵塔就會有倒塌的風(fēng)險,尤其在臺風(fēng)或風(fēng)力較大的地區(qū)。國內(nèi)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(dǎo)致腐蝕的加速。美國西南研究院的科學(xué)人員成功將MsS導(dǎo)波技術(shù)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(jìn)行檢測。

MsS導(dǎo)波技術(shù)基于洛侖茲力和鐵磁性材料的正逆磁致伸縮效應(yīng)原理。將線圈纏繞在錨桿上,在線圈外側(cè)安裝永久磁鐵。當(dāng)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(nèi)將會感應(yīng)出相應(yīng)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(yīng),永久磁鐵的磁場作用力會使渦流產(chǎn)生一個與渦流頻率相同的力,即洛侖茲力,它在錨桿內(nèi)傳播就形成了電磁導(dǎo)波[7]。電磁導(dǎo)波傳播時,受到錨桿結(jié)構(gòu)(包括材料性能、規(guī)格尺寸和缺陷狀態(tài)等)的調(diào)制,導(dǎo)波信號發(fā)生改變,產(chǎn)生帶有錨桿結(jié)構(gòu)調(diào)制特征的變化磁通勢,從而在接收線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。通過對該感應(yīng)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(shù)據(jù)。

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(dǎo)波檢測

角鋼可以看作互相垂直連接的鋼板,因此角鋼中導(dǎo)波的傳播規(guī)律與鋼板中的規(guī)律相似,也可以用高頻導(dǎo)波進(jìn)行檢測。天津市電力科學(xué)研究院已開展利用導(dǎo)波對角鋼檢測的試驗工作[8]。該所進(jìn)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(xiàn)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(jié)語

導(dǎo)波檢測技術(shù)在電力系統(tǒng)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(yōu)勢,具有準(zhǔn)備工作時間短,檢測速度快且能保證檢測靈敏度的優(yōu)勢,但目前無相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與之配套相信隨著超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,隨著檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善,導(dǎo)波檢測技術(shù)將在電力系統(tǒng)的金屬技術(shù)監(jiān)督方面發(fā)揮更加重要的作用。

[1]劉鎮(zhèn)清.超聲無損檢測中的導(dǎo)波技術(shù)[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(xué),等.電站小徑管母材缺陷檢測的導(dǎo)波技術(shù)及其應(yīng)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(dǎo)波快速檢測技術(shù)[C].廣西：中國電機(jī)工程學(xué)會第八屆無損檢測學(xué)術(shù)會議,廣西北海,1999.

[6]王朝華,蔡紅生,李世濤.電站主汽管道導(dǎo)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(dǎo)波傳感器[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2004(4)：576.

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