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山東螺旋管的超聲波檢測

作者:臨沂茂豐源鋼管制造有限公司 時間:2017-12-08 17:18:52

螺旋管圈水冷壁是國產1000MW超超臨界鍋爐的最主要承壓部件之一。螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫上一旦有裂紋就會造成頻繁的停爐事故。所以必須有效地揪出這些危害性的裂紋,本文就給大家講講如何給這種螺旋管焊縫進行B超!



1 為什么選擇超聲波檢測?


螺旋管圈水冷壁采用在管子之間焊接扁鋼連接而成,在工程上,把用來連接水冷壁管子的扁鋼稱為鰭片,鰭片和水冷壁管子的焊接角焊縫稱為鰭片焊縫,如圖1所示。

 

 

圖1 水冷管與鰭片焊接示意圖


這種鰭片焊縫頻繁產生裂紋造成停爐事故。但受到結構限制采用表面檢測和射線檢測均存在較大問題,但采用超聲波檢測可以解決這一問題。不過常規的超聲波檢測,由于鰭片之間的間隙窄,無法進行檢測,怎么辦呢?



2 那就特別設計一下唄!


超聲檢測系統主要包括探頭和檢測儀器兩部分。

 

2.1 探頭設計


螺旋管圈水冷壁鰭片焊縫檢測分探頭對側焊縫檢測和探頭側焊縫檢測兩種情況,超聲在介質中的傳播途徑分別如圖2和圖3所示。H為焊縫下端與鰭片上端面垂直距離,α為楔塊與金屬界面超聲波入射角,β為折射角。近探頭側鰭片焊縫裂紋檢測可采用鰭片底邊二次反射橫波檢測。

 



圖2 探頭對側焊縫檢測示意圖



圖3 探頭側焊縫檢測示意圖


根據實際檢測要求,探頭尺寸不能太大,水冷管雙邊四條鰭片焊縫從扁鋼單面完成檢測最佳,此外需要選用波長較短的橫波進行探傷。


通過對多種材料加以比對后,選擇聚砜制作楔塊較為合適。


專用超聲探頭設計主要包括晶片設計、探頭楔塊設計、探頭背襯設計和探頭電匹配四部分。


為獲得較高檢測靈敏度,選擇矩形復合材料壓電晶片。為保證缺陷檢測靈敏度和缺陷定量分析,探頭聲場距離以三倍近場長度為佳。根據鋼中橫波波長及橫波近場長度,可以計算出壓電晶片面積。根據計算的壓電晶片長度,可以近似求得探頭前沿長度,按照實際生產需要,鰭片與水冷管焊接融合深度約為鰭片厚度的60%,計算得到的探頭前沿,確保在檢測過程中,有效避免鰭片與水冷管壁接觸區中間未熔合區域產生的超聲波反射信號進入超聲波探頭。然后根據計算得到的晶片長度和壓電晶片面積,進而計算得到晶片寬度。


探頭楔塊形狀設計既要保證探頭前沿值盡量短又要雜波少,為減少楔塊側面造成的反射雜波,在楔塊四周側面開深度約為0.5~1mm寬度0.2mm左右的豎槽,楔塊外形設計如圖4所示,其中α為入射角,γ為楔塊前端傾斜角。

 


圖4 楔塊外形示意圖

 

完成楔塊設計后,要得到理想的窄脈沖波以提升探頭檢測分辨靈敏度,需要對超聲探頭背襯吸聲層和電匹配精確設計。

 

為實現與壓電晶片聲阻抗的匹配,本設計對背襯復合材料的聲阻抗作了理論上的計算分析,尋找其聲阻抗與鎢粉體積濃度之間的關系。

 

為增加超聲換能器的帶寬,還有一個重要的手段就是電匹配問題。

 


2.2 超聲檢測儀器設計


鰭片焊縫專用超聲檢測儀器設計包括超聲發射電路、超聲增益放大電路、濾波電路和數據采集電路等。

 

為了方便系統靈活調試,本設計采用非調諧式發射電路,其脈沖控制參數可以通過核心控制器FPGA方便地進行修改設定。

 

超聲檢測信號接收/數據采集模塊中的程控放大電路放大后,再經過超聲濾波電路。在本設計中,選用帶通濾波電路,使有用信號正好在它的通頻帶上,有效濾除噪聲。為兼顧不同的應用和頻段選擇,本設計中利用FPGA控制繼電器選通五組帶通濾波電路。

 

數據采集電路采用常規設計。



3 是騾子是馬拉出來溜溜唄!


3.1 缺陷加工


采用四根水冷壁管焊接水冷壁試件,取試件長度約1m,管外徑Φ38mm,壁厚8mm,鰭片寬度30mm,厚度6mm,坡焊縫沿鰭片寬度方向寬度約為3mm,兩管之間的鰭片平面寬度約為24mm。在試件鰭片焊縫上進行人工刻傷,刻得平底孔刻痕,如圖5所示。

 


圖5 深5mm,直徑φ1mm的平底孔

 

3.2 缺陷檢測


采用研制的超聲探頭和檢測儀器在水冷壁試件上進行探傷。無缺陷部位的檢測信號圖像如圖6所示,在同缺陷側面檢測φ1mm×5mm平底孔信號圖像如圖7所示,在缺陷背面檢測φ1mm×5mm平底孔的信號圖像如圖8所示。



圖6 無缺陷圖像



圖7 同面檢測φ1mm×5mm人工平底孔圖像



圖8 背面檢測φ1mm×5mm人工平底孔圖像

 

分析上述檢測結果可以發現在焊縫背面(人工缺陷遠離焊縫的一面)和焊縫同面(人工缺陷靠近焊縫的一面)均順利檢測出了人工缺陷。  

 

另外使用本系統對水冷壁試件上背面0.5mm×10mm×5mm人工刻痕進行檢測,也順利檢測出了人工缺陷。

 


4 結束語


超聲波在無損檢測方面的應用,由于設備和人員技術的限制還有很大的提升空間。相信通過本文的介紹,您是不是覺得身邊的很多東西都想給它“B超”一下?那就趕快行動起來,通過您巧妙的設計就可以讓超聲波檢測的應用范圍越來越寬!


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