超聲導(dǎo)波理論探測(cè)原理及其在電力中的運(yùn)用論文
目前我國(guó)電力供應(yīng)仍由火電主導(dǎo)，火力發(fā)電廠作為重要的電力供給單位，其運(yùn)行的安全可靠性直接影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國(guó)已經(jīng)制定了一系列火電廠金屬監(jiān)督方面的規(guī)程、導(dǎo)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著眾多火電機(jī)組服役時(shí)間的增長(zhǎng)以及新裝機(jī)組參數(shù)的提高，因不可避免的腐蝕、自然及人為等因素造成管道壁厚減薄、泄露爆裂等事故頻頻出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了電廠及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
國(guó)家電監(jiān)會(huì)要求各有關(guān)火電廠切實(shí)加強(qiáng)對(duì)在建及運(yùn)行火電廠高溫高壓設(shè)備的安全管理，采取定期檢驗(yàn)、全面監(jiān)督檢測(cè)、壽命評(píng)估等手段，排除在安裝和檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的缺陷，消除隱患，確保高溫高壓管道的運(yùn)行安全，具有十分重要的意義。
1 超聲導(dǎo)波技術(shù)的特點(diǎn)
應(yīng)用常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法（射線檢測(cè)RT,超聲檢測(cè)UT,磁粉檢測(cè)MT,滲透檢測(cè)1）檢測(cè)管道，盡管有著眾多的優(yōu)勢(shì)，如技術(shù)成熟、只需對(duì)工人稍加培訓(xùn)就可利用現(xiàn)有的專(zhuān)門(mén)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，但常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法存在一個(gè)嚴(yán)重的不足：逐點(diǎn)掃查式的工作過(guò)程導(dǎo)致工作量巨大，效率低下，對(duì)于長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的電站四大管道系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若進(jìn)行全面檢測(cè)，任務(wù)將是非常艱巨的。故此，對(duì)于四大管道的檢驗(yàn)采用常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法有著很大的不足，因此，需要研究一種更為有效的檢測(cè)手段。
超聲導(dǎo)波與傳統(tǒng)超聲波技術(shù)相比具有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，超聲導(dǎo)波在固體中傳播時(shí)，沿傳播路徑衰減很小，所以在結(jié)構(gòu)的一點(diǎn)處激勵(lì)超聲導(dǎo)波，可以沿構(gòu)件傳播非常遠(yuǎn)的距離，最大可達(dá)幾十米。若接收探頭位于距激勵(lì)源較遠(yuǎn)處，則接收信號(hào)就包含了有關(guān)發(fā)射和接收兩點(diǎn)間結(jié)構(gòu)整體性的信息。因此，這種檢測(cè)技術(shù)實(shí)質(zhì)上是監(jiān)測(cè)了一條線，而非一點(diǎn)，大大節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間，提高了效率；另一方面，由于超聲導(dǎo)波在管（或板）的內(nèi)外（上下）表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，聲場(chǎng)遍及整個(gè)壁厚（或板厚），因此既可檢測(cè)構(gòu)件內(nèi)部缺陷，也可檢測(cè)兩表面缺陷。同時(shí)超聲導(dǎo)波也可在充液、帶包層的管道中傳播，使得檢測(cè)費(fèi)用大大降低。因此利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)管道缺陷具有快速、可靠、經(jīng)濟(jì)且無(wú)需剝離外包層的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的不足。
目前針對(duì)電站鍋爐四大管道的全面檢測(cè)方法主要是超聲橫波檢測(cè)，該方法檢測(cè)效率很低。以直徑0.448m、長(zhǎng)度1m長(zhǎng)的一段管道檢測(cè)為例，需要探頭進(jìn)行58次環(huán)向掃查、80次縱向掃查，累計(jì)掃查長(zhǎng)度160m,掃 查 速 度 以 每 秒0.05m計(jì) 算，耗 時(shí) 達(dá)54min.這種方法考慮到手動(dòng)掃查人員疲勞的因素，可靠性低，不能滿足四大管道長(zhǎng)度數(shù)百米的檢測(cè)需求。
據(jù)相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)介紹，超聲導(dǎo)波在沒(méi)有介質(zhì)和外包覆層的影響下，一次傳播距離可達(dá)百米以上，可發(fā)現(xiàn)1厚度的腐蝕坑，其檢測(cè)效率以直徑0.448m、長(zhǎng)度1m長(zhǎng)的一段管道檢測(cè)為例，需要探頭進(jìn)行1次環(huán)向掃查、1次縱向掃查，檢測(cè)效率可提高70倍以上。
2 超聲導(dǎo)波理論及探測(cè)原理
超聲導(dǎo)波檢測(cè)的工作原理：探頭陣列發(fā)出一束超聲能量脈沖，此脈沖充斥整個(gè)圓周方向和整個(gè)管壁厚度，向遠(yuǎn)處傳播，導(dǎo)波傳輸過(guò)程中遇到缺陷時(shí)，缺陷在徑向截面上有一定的面積，導(dǎo)波會(huì)在缺陷處返回一定比例的反射波，因此可由同一探頭陣列檢出返回信號(hào)-反射波來(lái)發(fā)現(xiàn)和判斷缺陷的大小。管壁厚度中的任何變化，無(wú)論內(nèi)壁或外壁，都會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，被探頭陣列接收到，因此可以檢出管子內(nèi)外壁由腐蝕或侵蝕引起的金屬缺損（缺陷），根據(jù)缺陷產(chǎn)生的附加波型轉(zhuǎn)換信號(hào)，可以把金屬缺損與管子外形特征（如焊縫輪廓等）識(shí)別開(kāi)來(lái)。
超聲導(dǎo)波檢測(cè)裝置主要由固定在管子上的探傷套環(huán)（探頭矩陣）、檢測(cè)裝置本體（低頻超聲探傷儀）和用于控制和數(shù)據(jù)采樣的計(jì)算機(jī)三部分組成。不同的超聲導(dǎo)波模式（導(dǎo)波技術(shù)中使用的三種主要波型為縱向波、扭轉(zhuǎn)波和彎曲波）對(duì)管道的腐蝕缺陷特征有不同的靈敏度，因此新發(fā)展的超聲導(dǎo)波技術(shù)采用多模式（多探頭模塊）檢測(cè)，即同時(shí)進(jìn)行例如縱向波和扭轉(zhuǎn)波操作，可以收集到被檢測(cè)管道更全面的信息而不致發(fā)生漏檢。
對(duì)于長(zhǎng)距離管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)，每次可以檢測(cè)多長(zhǎng)的管線，這要考慮超聲導(dǎo)波在管道中傳輸?shù)木嚯x，它取決于管道的表面狀況（例如是否為裸管、保溫層、防腐層以及埋地情況等）、管道的幾何形狀（分支、彎管、支撐和法蘭的情況）、管道中流通的介質(zhì)（氣體、液體或固體），還有管道本身的腐蝕情況等，這些都會(huì)造成超聲波傳播的能量損失，減少其傳播距離。長(zhǎng)距離管道超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度一般是指管道橫截面積的`損失量，包括可達(dá)到精度（也稱(chēng)檢 測(cè) 精度，但是是指 可以部 分檢出，不能達(dá) 到100%檢出）和可靠精度（100%可以檢出），兩者是有重要區(qū)別的。
3 超聲導(dǎo)波技術(shù)的研究現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)超聲導(dǎo)波技術(shù)的研究始于20世紀(jì)初，研究者們首先對(duì)在不同波導(dǎo)中彈性波的傳播特性進(jìn)行了理論研究。從最開(kāi)始無(wú)限介質(zhì)中波的傳播理論到板中導(dǎo)波的傳播理論，又從板中導(dǎo)波理論的研究到與實(shí)際應(yīng)用更為接近的柱面導(dǎo)波的研究。最早的工作主要是進(jìn)行理論求解，60年代，人們開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)管道損傷檢測(cè)的可能性以及可行性。國(guó)外開(kāi)發(fā)的導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)也主要是梳狀傳感器（探頭組）檢測(cè)系統(tǒng)。
近年來(lái)，導(dǎo)波被應(yīng)用到無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中，特別是對(duì)薄板和管道進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。由于超聲導(dǎo)波在管狀結(jié)構(gòu)、板材檢測(cè)上的優(yōu)越性，利用導(dǎo)波對(duì)多種類(lèi)型、結(jié)構(gòu)進(jìn)行缺陷檢測(cè)和性能評(píng)價(jià)已經(jīng)成為近年來(lái)導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用1國(guó)內(nèi)超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)方面的研究較國(guó)外起步略晚，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)主要集中在薄壁管或小直徑圓棒的多探頭檢測(cè)系統(tǒng)上，在導(dǎo)波的頻散及多模式特征，超聲導(dǎo)波的模式和頻率選擇、導(dǎo)波的激勵(lì)和接收方式、導(dǎo)波與缺陷的相互作用、信號(hào)處理與特征提取，缺陷定位等方面做了大量研究工作。
國(guó)內(nèi)外導(dǎo)波檢測(cè)的思路主要是經(jīng)過(guò)管道頻散曲線計(jì)算，通過(guò)設(shè)置一定數(shù)量的導(dǎo)波探頭來(lái)抑制多模態(tài)的影響，從而得到單一模態(tài)導(dǎo)波實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的目的。
4 超聲導(dǎo)波技術(shù)在電廠的應(yīng)用
國(guó)內(nèi)有單位進(jìn)行試驗(yàn)研究用高頻導(dǎo)波對(duì)主蒸汽管道進(jìn)行檢測(cè)。圖3是導(dǎo)波探頭距主蒸汽管道對(duì)比試塊上內(nèi)壁直槽（尺寸為1.5mm（深）×20mm（長(zhǎng)）×0.2mm（寬）630mm處的缺陷回波反射圖，此時(shí)系統(tǒng)增益為57db.圖4是導(dǎo)波探頭距離主蒸汽管道對(duì)比試塊上的外壁直槽（1.5mm（深）×20mm（長(zhǎng)）×0.2mm（寬））598.1mm處缺陷回波反射圖，此時(shí)系統(tǒng)增益為57db.
圖5是主蒸汽管道超標(biāo)缺陷的超聲導(dǎo)波檢測(cè)反射回波波形圖，此時(shí)系統(tǒng)增益為72db.此缺陷采用TOFD進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)該缺陷長(zhǎng)度1200mm,埋藏深度為18.9mm,自身高度為5.5mm.此實(shí)驗(yàn)證明，導(dǎo)波檢測(cè)在電站管道無(wú)損間歇普查方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)備時(shí)間段，檢測(cè)速度快對(duì)檢修工期基本沒(méi)有影響。
5 結(jié)語(yǔ)
導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)在電力系統(tǒng)四大管道及受熱面管母材全面檢測(cè)方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，具有準(zhǔn)備工作時(shí)間短、檢測(cè)速度快且能保證檢測(cè)靈敏度等優(yōu)勢(shì)，但由于其機(jī)理復(fù)雜目前無(wú)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與之配套，使得該技術(shù)尚未得到廣大無(wú)損檢測(cè)人員的重視和普遍應(yīng)用。但相信隨著超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，隨著檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定與完善，導(dǎo)波檢測(cè)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。
[參考文獻(xiàn)]
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