超聲波在彎管檢測(cè)中的應(yīng)用

1超聲波檢測(cè)管道系統(tǒng)管道運(yùn)輸已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。曲線是管道系統(tǒng)的重要組成部分。由于它在工作中受到高壓、高溫和惡劣環(huán)境的影響，曲線經(jīng)常發(fā)生泄漏。因此,研究在役彎管的缺陷檢測(cè)對(duì)預(yù)測(cè)和防范重大惡性事故的發(fā)生具有重要意義。沿管壁傳播的超聲波用于檢測(cè)直管中的腐蝕坑、裂紋等缺陷。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測(cè),并可對(duì)難以接近的管道系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)際上,管道系統(tǒng)主要由直管和彎管組成。超聲波在直管中的傳播特性研究相對(duì)較多,然而在工程應(yīng)用中,常需要檢測(cè)帶有彎的管道系統(tǒng)。管道的彎曲部分由于結(jié)構(gòu)的變形在一定程度上影響超聲波在管道中的傳播,從而影響了對(duì)缺陷的檢測(cè)。鑒于彎管的超聲波探傷工作中存在的問題,筆者針對(duì)不同規(guī)格和材質(zhì)的小徑彎管進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)超聲波探傷試驗(yàn)和割管檢驗(yàn)。2技術(shù)要點(diǎn)2.1干預(yù)策略2.1.1探傷頻率的確定一般在保證靈敏度的前提下盡可能選用較低的探傷頻率?？紤]到所檢工件的材質(zhì)和形狀及現(xiàn)場(chǎng)工作條件的限制,筆者選用頻率為5MHz的探頭用于彎頭超聲波檢驗(yàn)。2.1.2超聲波聲束可到達(dá)管式內(nèi)的最大角度的理論計(jì)算在橫波探傷中,探頭角度和K值對(duì)探傷靈敏度、聲束軸線的方向以及一次波的聲程(入射點(diǎn)至底面反射點(diǎn)的距離)有較大的影響。在實(shí)際探傷檢驗(yàn)中,超聲波聲束與裂紋垂直時(shí),反射波能量最高。以直徑89mm×8mm,材質(zhì)為20G的管子為例,對(duì)超聲波聲束可到達(dá)管子內(nèi)壁的最大角度進(jìn)行理論計(jì)算。如圖1所示,由于βs的最大角度是聲束與管子的內(nèi)壁相切,此時(shí)聲束與管子的法線之間的夾角為直角,可得:βs=sin-1r/R=sin-173/89=55.10(°);K=tanβs=tan55.10°=1.4;sinα/sinβ=CL/CS;CL=2730m/s為縱波在第一介質(zhì)(有機(jī)玻璃)中的傳播速度;CS=3230m/s為橫波在第二介質(zhì)(鋼)中的傳播速度。α=sin-1CLr/CSR=sin-12730×73/3230×89=44(°)。在試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)中,筆者選擇入射角α=35°～45°的斜探頭進(jìn)行探傷,折射角βs=45°～55°,探頭K值為1.0～1.5,既能滿足檢驗(yàn)彎頭裂紋等缺陷的要求,又能保證探頭靈敏度處于較高范圍內(nèi)。2.1.3超聲波探傷管道彎頭的安裝由于管的規(guī)格較多,許多彎頭的曲率較大,探傷時(shí)的耦合問題就顯得尤其突出。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),對(duì)于?≤89規(guī)格的管道彎頭用未經(jīng)磨制的探頭沿彎頭圓周方向進(jìn)行探傷,幾乎很難達(dá)到探頭與管子之間的耦合。采用磨制探頭,由于有機(jī)玻璃磨損較大,波的散射明顯加大,影響探傷效果。筆者用HS610e型超聲波探傷儀,5PK1斜探頭,晶片尺寸10×12mm,對(duì)于?≤89的彎頭分別用未經(jīng)磨制的斜探頭和根據(jù)不同規(guī)格的管子磨制的斜探頭沿管道圓周方向進(jìn)行探傷檢驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)?≤89的管道彎頭用經(jīng)過適當(dāng)磨制的探頭進(jìn)行探傷,耦合效果有明顯改善,檢查內(nèi)壁深1mm長(zhǎng)120mm的線切槽,反射波均可以穩(wěn)定的呈現(xiàn)在示波屏幕上。而使用未經(jīng)磨制的探頭在同樣靈敏度條件下,由于管道曲率較大,彎頭和探頭晶片之間耦合效果不好,反射波不能穩(wěn)定的呈現(xiàn)于示波屏上。2.2激光探傷管道彎頭超聲探傷檢測(cè)《主汽彎管裂紋超聲波探傷導(dǎo)則》中要求使用線切割槽試塊做為靈敏度調(diào)整,其材質(zhì)、規(guī)格應(yīng)與備查管道相同。根據(jù)這一要求,筆者在外管彎頭探傷中使用不同規(guī)格的實(shí)物試塊進(jìn)行掃描速度和靈敏度的調(diào)整。實(shí)物試塊內(nèi)壁分別加工了深0.8mm,1.2mm和1.6mm的線切槽,切槽長(zhǎng)度≥100mm。探傷中主要應(yīng)用K=1的斜探頭,晶片尺寸≥10×12mm(晶片尺寸不宜太小,否則影響探頭磨制)。使用半圓試塊按深度或聲程調(diào)整掃描比例。使用未經(jīng)磨制的探頭K值沒有發(fā)生變化尚可按深度調(diào)整掃描比例,但是使用磨制后的探頭K值發(fā)生了一定的變化,再按深度調(diào)整掃描比例并不是很準(zhǔn)確。這里推薦采用聲程來進(jìn)行掃描速度的調(diào)整,缺陷定位可用聲程代替水平(弧長(zhǎng))距離來定位。下面以?89×8的管道為例,使用K=1的橫波斜探頭進(jìn)行探傷,從理論上計(jì)算聲程與水平距離(弧長(zhǎng))之間的關(guān)系。由圖2可知,大半徑R=89/2=44.5mm,小半徑r=73/2=36.5mm。sinγ/R=sin44°/rsinγ=sin44°×44.5/36.5=0.847γ=sin-10.847=122.12(°),β=180°-γ=57.88(°)由于γ為鈍角,故圓心角θ=β-45°=12.88°;弧度(θ)=12.88°/180°×3.14=0.22(°);圓心角對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)即為水平距離L;L=R×弧度(θ)=44.5×0.22=9.8mm;聲程S即為圓心角所對(duì)應(yīng)的三角形的邊。S=r×sinθ/sin44=36.5×sin12.88/sin44=11.70mm。由計(jì)算可知,聲程S大于水平距離(弧長(zhǎng)),但兩者相差不多,可用聲程代替水平距離對(duì)管道彎頭內(nèi)壁裂紋等缺陷進(jìn)行近似定位。因?yàn)楣艿缽濐^內(nèi)壁裂紋等缺陷均為不可修復(fù)缺陷,除了更換或監(jiān)督運(yùn)行外,不允許將彎頭割開進(jìn)行補(bǔ)焊等修復(fù)處理,所以能做到近似定位即可。用聲程調(diào)整掃描速度,在實(shí)際探傷檢驗(yàn)中,聲程近似的反映了水平距離(弧長(zhǎng))的位置,這樣就可以大致定出缺陷的位置。經(jīng)過對(duì)?53×5,?75×6,?108×10和?133×12等規(guī)格管道的計(jì)算,得出該方法是可行的。表1中的數(shù)據(jù)為以上幾種規(guī)格管道的聲程和水平距離(弧長(zhǎng))之間的數(shù)據(jù)比較。進(jìn)行管道彎頭超聲波探傷時(shí),靈敏度是以實(shí)物試塊內(nèi)壁深0.5mm或1mm的切割槽做為當(dāng)量對(duì)比進(jìn)行調(diào)整。將深0.5mm或1mm的切割槽所對(duì)應(yīng)的波高調(diào)整到屏幕滿刻度的80%,然后增益10dB做為探傷靈敏度進(jìn)行探傷檢驗(yàn)。2.3反射波號(hào)碼為二次波用根據(jù)聲程調(diào)整好掃描速度的超聲波探傷儀對(duì)管道彎頭進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn),當(dāng)反射波訊號(hào)出現(xiàn)在一次波或三次波的位置上時(shí)為內(nèi)壁缺陷,出現(xiàn)在二次波位置時(shí)為外壁缺陷。當(dāng)反射波波高達(dá)到滿屏幕的80%且衰減在8dB以上時(shí),缺陷的指示長(zhǎng)度(用半波高度法測(cè)定)≥10mm,則可判定為裂紋。3實(shí)際試驗(yàn)3.1波探傷檢測(cè)儀器探傷儀器對(duì)探傷結(jié)果影響較大,應(yīng)該選擇靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍好、盲區(qū)小、指向性好和水平線性誤差較小的超聲波探傷儀器。此次檢驗(yàn)筆者選用了HS610e數(shù)字超聲波探傷儀。探頭為5PK1斜探頭,晶片尺寸10×12mm。彎管的規(guī)格分別為?89×8和?89×10,材質(zhì)分別為20G和16Mn。用?89規(guī)格的管子對(duì)探頭進(jìn)行了磨制,以保證良好的耦合效果。然后對(duì)儀器進(jìn)行了調(diào)整,以1mm深的線切槽加8dB做為探傷靈敏度。3.2彎頭內(nèi)部裂紋特征前后共檢驗(yàn)了200多個(gè)降水管彎頭,結(jié)果發(fā)現(xiàn)24個(gè)彎頭內(nèi)壁有裂紋缺陷波。對(duì)割下的彎頭進(jìn)行剖開檢驗(yàn),證明了這些彎頭全部具有內(nèi)壁裂紋,最長(zhǎng)的達(dá)到120mm,最深達(dá)到3mm。而且大部分裂紋產(chǎn)生在彎頭沖刷較嚴(yán)重的部位,如彎頭的背弧最高點(diǎn)附近和彎頭中心線附近。在本次探傷檢驗(yàn)中判廢的彎頭,經(jīng)解剖驗(yàn)證,基本符合當(dāng)量實(shí)物試塊的人工缺陷,有的甚至大于當(dāng)量試塊的人工缺陷。用聲程調(diào)整好的掃描速度對(duì)缺陷的近似定位