中径管超声波检测技术研究

中国电建集团贵州工程公司 余登敏

中径管超声波检测技术研究

中国电建集团贵州工程公司 余登敏

在火电厂发电机组锅炉的压力管道中广泛应用着各类中径管，中径管道焊接头焊缝质量与管道内流体输送的安全性和稳定性息息相关，直接影响着发电机组锅炉的安全稳定运行。超声波检测技术具有检测范围宽、灵敏度高、成本低廉、安全环保等优点，是目前检测中径管道焊缝质量的重要检测手段。本文结合火电厂工作实际，首先介绍了超声波检测技术的原理及特点，介绍了中径管焊缝进行超声波检测的技术方法。

火电厂；中径管；超声波检测

1 引言

在200MW以上火电厂发电机组中，中径管的应用十分普遍，中径管是火电厂锅炉的主要承压部件，其外径一般大于100mm，其焊缝质量的可靠性对锅炉的安全稳定运行起着关键作用。例如，火电厂锅炉中的汽包上升管、饱和导汽管和分散降水管等均属于中径管，其外径为108～213mm,壁厚为10～22mm,这些管道是整个发电机组锅炉的连接枢纽，也是主要的承压部件。中径管与汽包或其它部件的连接焊缝是锅炉运行时应力集中系数较高、受力复杂的部件，因此，加强对中径管焊缝的质量检测具有十分重要的意义。

目前，对焊缝质量的检测一般使用射线检测技术和超声波检测技术。由于管道焊缝与其它压力容器的对接焊缝在结构形式、焊接工艺方面均有较大差别，而超声波检测技术具有使用灵活方便、对人体无害、性价比高等优点，对厚壁管道检测灵敏度和检测效率方面具有明显的优势，检测人员只需经过一些基本的专业培训，就能有效确保管道焊缝的检测质量。

2 超声波检测技术概述

超声波是指其频率大于语音信号20kHz的频率范围，并能在连续介质中传播的机械波，超声波检测技术则是一种无损检测技术，它综合了信号处理技术、模式识别技术、图像处理技术、传感器技术等多项技术，应用超声波检测技术可以方便、快捷、直观地检测出工件的缺陷，例如管道是否受到外力破坏造成爆裂、管道使用年限是否过长、管道是否受到了腐蚀等。

1929年，前苏联科学家Sokolov首次提出了应用超声波检测工件结构和缺陷的检测方法，并研发了世界上第一台超声波检测仪，电子技术的发展促进了超声波仪的不断更新和发展，超声波检测仪的工作原理是激发超声波，使超声波传入被测工件中，在超声波传播过程中，工件的边界形态引起了超声波回波信号的变化，因此，观察和分析其回拨信号,即可推断出被测工件的状态。分析超声波回波信号形态即可推断出被侧工件的状态。超声波检测仪具有覆盖范围大、检测精度高、操作便捷、成本低等特点，并具有存储和处理数据的功能，减少了检测人员劳动强度，提高了检测精度。但是，超声波检测仪对外界环境的敏感度较高，环境噪声、距离待测工件距离、超声波检测仪的转换效率等都会对超声波回波信号造成影响，使超声波检测的精度降低，此外，由于超声波只能在液体介质中传导，且超声波容易被腊吸收，并受到超声波波长的限制，超声波检测技术更适合于检测厚壁管道，且不适用于检测腊含量高的管道。

目前，超声波检测技术的检测方式主要有共振法、穿透法、脉冲反射法，其中脉冲反射法是用于检测中径管道的常用检测方法，可检测出中径管道内部缺陷的具体位置和大小。[1]仪器显出波反射的信号变动是判断入射信号与反射信号的相对区别和明确信号的强弱范围的标准。另外，还需要运算与评估每次检测的结果之间的误差，评估整体检验检测工作的不确定度的分量，最后明确检测体系的不确定度。

3 中径管对超声波检测的影响

1）若使用普通探头进行超声波检测时，由于超声波检测技术对面积和体积型缺陷的检出灵敏度较高，但对角焊缝的检测却存在盲区，例如，将探头置于中径管根部内侧面进行超声波检测，由于角焊缝结构的固有特点，超声波主声束就会存在着无法扫查到的盲区，从而造成漏检[2]。

2）在发电机组中，汽包壁厚一般是85～203mm，中径管管座的壁厚为10～22mm，两者相差较大，中径管与汽包壁之间的角焊缝尺寸也较小，若使用普通探头对中径管根部进行检测，由于焊缝外表面的回波声程与缺陷的回波声程相差不大，极易引起检测人员的误判。

3）中径管的侧避效益对超声波检测的灵敏度也有一定影响，例如，当使用普通直探头对中径管焊缝根部位置进行检测时,若探头距离开孔位置边缘较近，这时，开孔侧边的发射波就会对超声波的回波信号造成干扰，改变探头的指向性和对称性，造成超声波检测的灵敏度下降。

4 中径管超声波检测技术应用方法

在应用超声波检测的过程中，探头的设计与选择是关键，笔者根据多年工作实践，对中径管检测时，推荐使用小角度探头，它是在普通直探头的基础上增加一个透声楔构成的，其主声束与探头晶片轴线偏离一定的角度，从而在使用时，能够扫查到更宽的区域，此外，还可以避免来自底面和寒风外表面的发射波信号的干扰，减少检测人员进行误判的概率。应用小角度探头时，应注意选择合适的探头入射角度，根据斯涅耳定律，当超声波入射到异质界面时会产生反射和折射，入射角、反射角和折射角存在以下关系：

其中，α1表示超声波纵波入射角，β1表示超声波纵波折射角，β2表示横波折射角，CL1表示超声波在第一介质中的纵波速度，CL2表示超声波在第二介质中的纵波速度，CS2表示超声波在第二介质中的横波速度。当入射角小于全反射临界角时，折射纵波和横波的声程差满足下式[3]：

上式表明，使用小角度探头对中径管进行检测时，横波声程落后于缺陷超声波回波信号0.8T声程，对回波信号的干扰有限。一般来说，在满足指向性的条件下选择折射角大的探头，以便使探头能够扫查到最大的区域范围，为增强探头的指向性，常用探头的频率是5MHz。

需要注意的是，实际应用中要严格按照相关检测工艺流程，进行超声波检测时，首先，应先垂直放置于中径管道的中心位置的分割线上,安装测量探头,轻触或轻压探头,使探头与管道完全接触,然后再分别对管道的各个测量点进行测量，最后，在考虑仪器本身的误差因素的情况下，参考相关仪器检测标准，对测量结果进行分析和判定，得出测试结果，确定中径管道中缺陷的具体位置，作出检测报告。对中径管道缺陷的判定一般依据标准主要有：JB4730-1994《压力容器无损检测》以及DL/T820-2002《管道焊接接头超声波检验技术规程》，根据标准的规定，若中径管点状缺陷的最大尺寸超过其壁厚，或检测人员判定缺陷性质为裂纹、未熔合等危险性缺陷时，均可判定焊缝不合格，此时应立即制定相应的改善或处置措施。

5 结论

中径管是发电机组中主要的承压部件，在锅炉运行过程中，中径管承受着拉应力、挤压应力等各种应力的作用，此外，还需要在高温的环境下作业，因此，定期对发电机组中径管进行检测，是避免管道爆管，保障锅炉安全运行的重要技术手段。超声波检测技术是一项重要的无损检测方法，在应用超声波检测技术时，要注意根据中径管各连接焊缝的特点选择相适应的探头，从而提高超声波回波信号的清晰度，避免造成对缺陷的误判，提高检测质量。

[1]张清,李全安,文九巴,张兴渊.超声波检测技术在工业测量中的应用[J].科技信息(学术研究),2007,21:87-86.

[2]郑晖,林树青.超声检测[M].中国劳动社会保障出版社,2008；

[3]韦东繁.关于压力管道超声导波检测技术应用的研究[J].低碳世界,2014,1:32-33；

余登敏(1984一)，女，贵州贵阳人，硕士，无损检测专工，主要从事焊缝无损检测检验、技术方案及检测报告编制等工作。