超聲導波理論探測原理及其在電力中的運用論文

　　目前我國電力供應仍由火電主導，火力發電廠作為重要的電力供給單位，其運行的安全可靠性直接影響我國經濟的發展。我國已經制定了一系列火電廠金屬監督方面的規程、導則和技術標準。隨著眾多火電機組服役時間的增長以及新裝機組參數的提高，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，嚴重影響了電廠及電網的安全運行。

　　國家電監會要求各有關火電廠切實加強對在建及運行火電廠高溫高壓設備的安全管理，采取定期檢驗、全面監督檢測、壽命評估等手段，排除在安裝和檢修過程中發現的缺陷，消除隱患，確保高溫高壓管道的運行安全，具有十分重要的意義。

　　1 超聲導波技術的特點

　　應用常規無損檢測方法（射線檢測RT,超聲檢測UT,磁粉檢測MT,滲透檢測1）檢測管道，盡管有著眾多的優勢，如技術成熟、只需對工人稍加培訓就可利用現有的專門設備進行檢測等優勢，但常規無損檢測方法存在一個嚴重的不足：逐點掃查式的工作過程導致工作量巨大，效率低下，對于長達數百米的電站四大管道系統來說，若進行全面檢測，任務將是非常艱巨的。故此，對于四大管道的檢驗采用常規無損檢測方法有著很大的不足，因此，需要研究一種更為有效的檢測手段。

　　超聲導波與傳統超聲波技術相比具有兩個明顯的優勢。首先，超聲導波在固體中傳播時，沿傳播路徑衰減很小，所以在結構的一點處激勵超聲導波，可以沿構件傳播非常遠的距離，最大可達幾十米。若接收探頭位于距激勵源較遠處，則接收信號就包含了有關發射和接收兩點間結構整體性的信息。因此，這種檢測技術實質上是監測了一條線，而非一點，大大節省了檢測時間，提高了效率；另一方面，由于超聲導波在管（或板）的內外（上下）表面和中部都有質點的振動，聲場遍及整個壁厚（或板厚），因此既可檢測構件內部缺陷，也可檢測兩表面缺陷。同時超聲導波也可在充液、帶包層的管道中傳播，使得檢測費用大大降低。因此利用超聲導波檢測管道缺陷具有快速、可靠、經濟且無需剝離外包層的優點，彌補了傳統檢測方法的不足。

　　目前針對電站鍋爐四大管道的全面檢測方法主要是超聲橫波檢測，該方法檢測效率很低。以直徑0.448m、長度1m長的一段管道檢測為例，需要探頭進行58次環向掃查、80次縱向掃查，累計掃查長度160m,掃 查 速 度 以 每 秒0.05m計 算，耗 時 達54min.這種方法考慮到手動掃查人員疲勞的因素，可靠性低，不能滿足四大管道長度數百米的檢測需求。

　　據相關技術文獻介紹，超聲導波在沒有介質和外包覆層的影響下，一次傳播距離可達百米以上，可發現1厚度的腐蝕坑，其檢測效率以直徑0.448m、長度1m長的一段管道檢測為例，需要探頭進行1次環向掃查、1次縱向掃查，檢測效率可提高70倍以上。

　　2 超聲導波理論及探測原理

　　超聲導波檢測的工作原理：探頭陣列發出一束超聲能量脈沖，此脈沖充斥整個圓周方向和整個管壁厚度，向遠處傳播，導波傳輸過程中遇到缺陷時，缺陷在徑向截面上有一定的面積，導波會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-反射波來發現和判斷缺陷的大小。管壁厚度中的任何變化，無論內壁或外壁，都會產生反射信號，被探頭陣列接收到，因此可以檢出管子內外壁由腐蝕或侵蝕引起的金屬缺損（缺陷），根據缺陷產生的附加波型轉換信號，可以把金屬缺損與管子外形特征（如焊縫輪廓等）識別開來。

　　超聲導波檢測裝置主要由固定在管子上的探傷套環（探頭矩陣）、檢測裝置本體（低頻超聲探傷儀）和用于控制和數據采樣的計算機三部分組成。不同的超聲導波模式（導波技術中使用的三種主要波型為縱向波、扭轉波和彎曲波）對管道的腐蝕缺陷特征有不同的靈敏度，因此新發展的超聲導波技術采用多模式（多探頭模塊）檢測，即同時進行例如縱向波和扭轉波操作，可以收集到被檢測管道更全面的信息而不致發生漏檢。

　　對于長距離管道超聲導波檢測，每次可以檢測多長的管線，這要考慮超聲導波在管道中傳輸的距離，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（氣體、液體或固體），還有管道本身的腐蝕情況等，這些都會造成超聲波傳播的能量損失，減少其傳播距離。長距離管道超聲導波檢測系統的檢測精度一般是指管道橫截面積的`損失量，包括可達到精度（也稱檢 測 精度，但是是指 可以部 分檢出，不能達 到100%檢出）和可靠精度（100%可以檢出），兩者是有重要區別的。

　　3 超聲導波技術的研究現狀

　　國外對超聲導波技術的研究始于20世紀初，研究者們首先對在不同波導中彈性波的傳播特性進行了理論研究。從最開始無限介質中波的傳播理論到板中導波的傳播理論，又從板中導波理論的研究到與實際應用更為接近的柱面導波的研究。最早的工作主要是進行理論求解，60年代，人們開始進行實驗研究，驗證超聲導波技術對管道損傷檢測的可能性以及可行性。國外開發的導波檢測系統也主要是梳狀傳感器（探頭組）檢測系統。

　　近年來，導波被應用到無損檢測領域中，特別是對薄板和管道進行無損檢測。由于超聲導波在管狀結構、板材檢測上的優越性，利用導波對多種類型、結構進行缺陷檢測和性能評價已經成為近年來導波檢測技術研究與應用1國內超聲導波檢測技術方面的研究較國外起步略晚，國內開發的導波檢測系統主要集中在薄壁管或小直徑圓棒的多探頭檢測系統上，在導波的頻散及多模式特征，超聲導波的模式和頻率選擇、導波的激勵和接收方式、導波與缺陷的相互作用、信號處理與特征提取，缺陷定位等方面做了大量研究工作。

　　國內外導波檢測的思路主要是經過管道頻散曲線計算，通過設置一定數量的導波探頭來抑制多模態的影響，從而得到單一模態導波實現檢測的目的。

　　4 超聲導波技術在電廠的應用

　　國內有單位進行試驗研究用高頻導波對主蒸汽管道進行檢測。圖3是導波探頭距主蒸汽管道對比試塊上內壁直槽（尺寸為1.5mm（深）×20mm（長）×0.2mm（寬）630mm處的缺陷回波反射圖，此時系統增益為57db.圖4是導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，此時系統增益為57db.

　　圖5是主蒸汽管道超標缺陷的超聲導波檢測反射回波波形圖，此時系統增益為72db.此缺陷采用TOFD進行驗證，確認該缺陷長度1200mm,埋藏深度為18.9mm,自身高度為5.5mm.此實驗證明，導波檢測在電站管道無損間歇普查方面有著明顯優勢，準備時間段，檢測速度快對檢修工期基本沒有影響。

　　5 結語

　　導波檢測技術在電力系統四大管道及受熱面管母材全面檢測方面有著明顯優勢，具有準備工作時間短、檢測速度快且能保證檢測靈敏度等優勢，但由于其機理復雜目前無相關的標準與之配套，使得該技術尚未得到廣大無損檢測人員的重視和普遍應用。但相信隨著超聲導波檢測技術的進一步發展，隨著檢測標準的制定與完善，導波檢測技術將在電力系統的金屬技術監督方面發揮更加重要的作用。

　　[參考文獻]

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