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1、电站厚壁管道超声导波检测技术的研究1绪 论1.1研究背景及研究意义1.1.1研究背景电站锅炉主蒸汽、再热蒸汽热段、再热蒸汽冷段及主给水管道属于高温高压部件、是金属监督检验的重点。以300MW机组的锅炉主蒸汽管道为例，其设计压力为175Mpa，设计温度达541，一旦爆破，其巨大的冲击力和高温蒸汽破坏力极大，对附近的设备和工作人员造成巨大的伤害。l 1999年7月9日锦州电厂省煤器出口联箱至汽包联络管爆裂造成5人死亡、3人受伤的重大事故。l 2000年7月9日首钢总公司动力厂发生的主蒸汽母管管头爆裂，造成6人死亡2人受伤的事故。l 2006年5月17日西柏坡电厂锅炉吹管临时管道发生的爆裂事故造成4
2、人死亡7人受伤。l 2006年6月22日，河南伊川三电#2炉巡检人员在运行中发现#2机高辅联箱上方沿主蒸汽管道弯头下部向下滴水，随后对该主蒸汽管道拆除外铁皮及保温层，发现主蒸汽管道漏气严重，遂立即停机。经过检查和相关试验发现主蒸汽管道存在严重的裂纹缺陷1（见图1.1）。截止停机前，该新建机组仅累计运行了约4800小时。l 2006年10月31日22时15分，青海华电大通发电有限公司#2号发电机组在新建调试阶段，机组升压准备进行安全门校验工作中，当主蒸汽压力升至l336Mpa，主蒸汽温度483(设计压力175Mpa，设计温度541)时，发生主蒸汽管爆管事故，造成现场正在进行其它项目的施工人员二人
3、(民工)死亡，一人(民工)局部烫伤。图1.2 青海华电大通事故主蒸汽管道青海华电大通事故调查人员依据事故前蒸汽管道运行参数没有达到其额定蒸汽压力、管道爆裂处无焊缝和机械损伤等历史记录，结合爆管断面情况（见图1.2），初步认为事故发生的原因为管道材质问题。发生爆管的管道为中国水利电力物质上海分公司提供的号称美国SMANT厂生产的P91管材。l 年月日，山西神头第二发电厂发生一起主蒸汽管道爆裂事故，造成个死亡、个重伤、人轻伤，部分设备损坏。国家电监会针对上述事故，以电监安全2007号文，通报了山西神头第二发电厂主蒸汽管道爆裂事故情况。通报指出，据国家电网公司关于山西神头第二发电厂主蒸汽管道爆裂事故
4、有关情况的报告分析，神头二电厂号机组主蒸汽管道爆裂事故的主要原因是，管道材料组织性能不良，并在长期高温运行中进一步劣化，在较高应力的作用下因强度不足发生膨胀变形至爆裂。针对上述情况，通报要求各有关电厂切实加强对在建及运行电厂高温高压管道的安全管理，采取定期检验、全面检测、寿命评估等手段，确保高温高压管道的运行安全。最后通报指出，近一时期电力系统连续发生电厂高温高压管道爆裂事故，造成人员伤亡和财产的巨大损失，各电力企业对此要给予高度重视，切实加强金属监督工作，消除事故隐患。国家质量监督检验检疫总局下发了国质检特联2006十二月十一日601号文2“关于对假冒国外锅炉钢管使用情况进行检查消除隐患的通
5、知”，通报了江苏省质监局查实江苏省泰州市申工重机钢管有限公司的钢管产品安全质量存在重大隐患。该公司产品假冒国外进口产品，并已大量混入近期新建电站锅炉给水管道、主蒸汽管道、再热器冷段管道和再热器热段管道等“四大管道”系统。为确保电站锅炉安全运行，保证人民生命财产安全，特此要求各省、自治区、直辖市质量技术监督局，电监会各派出机构，国家电网公司，南方电网公司，华能、大唐、华电、国电、中电投集团公司，各电站锅炉制造企业等各个相关企业对电站锅炉四大管道进行全面检查，消除隐患，确保国家资产和人民群众生命的安全。从上述情况可知，加强对电站锅炉给水管道、主蒸汽管道、再热器冷段管道和再热器热段管道等“四大管道”
6、系统的金属监督，采用切实可行的方法对四大管道进行检验，排除缺陷，消除隐患，具有十分重要的意义。1.1.研究意义应用常规无损检测方法（超声检测、涡流检测、磁粉检测、射线检测等）检测管道，尽管有着众多的优势，如技术成熟、只需对工人稍加培训，就可利用现有的专门设备进行检测，但常规无损检测方法存在一个严重的不足：逐点扫查式的工作过程导致工作量巨大，效率低下，对于长达数百米的电站四大管道系统来说，若进行全面检测，任务将是非常艰巨的。故此，对于四大管道的检验采用常规无损检测方法有着很大的不足，因此，需要研究一种更为有效的检测手段。近年来发展出一种能够进行快速、长距离、大范围、相对低成本的无损检测方法，即超
7、声导波（Ultrasonic Guided Waves）技术。在固体中传播的超声导波，由于本身的特性，沿传播路径衰减很小，所以可以克服逐点扫描法的缺点进行长距离、大范围的缺陷检测；并且超声导波也可以在充液、带包覆层的管道中传播，使得检测工业管道的费用大大降低3。超声导波与传统超声波技术相比具有两个明显的优势4。首先，在构件的一点处激励超声导波，由于导波本身的特性(沿传播路径衰减很小)，它可以沿构件传播非常远的距离，最远可达几十米。接收探头所接收到的信号包含了有关激励和接收两点间结构整体性的信息，因此超声导波技术实际上是检测了一条线，而不是一个点。另一方面，由于超声导波在管(或板)的内、外(上、
8、下)表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个壁厚(板厚)，因此整个壁厚(或板厚)都可以被检测到，这就意味着既可以检测构件的内部缺陷也可以检测构件的表面缺陷。利用超声导波检测管道时具有快速、可靠、经济且无须剥离外包层的优点，是管道检测新兴的和前沿的一个发展方向。同时，由于压力管道的广泛应用，管道的长距离超声导波快速检测研究近年来受到国内外无损检测学者的极大关注5-7。针对电站锅炉四大管道的全面检测方法目前有超声横波检测，该方法检测效率很低，以直径0.448米、长度1米长的一段管道检测为例，需要探头进行58次环向扫查、80次纵向扫查，累计扫查长度160米，扫查速度以每秒0.05米计算，耗时达54分钟
9、。这种方法考虑到手动扫查人员疲劳的因素，可靠性低，不能满足四大管道长度数百米的检测需求。据相关技术文献介绍8-11，超声导波在没有介质和外包覆层的影响下，一次传播距离可达百米以上，可发现5%厚度的腐蚀坑，其检测效率以直径0.448米、长度1米长的一段管道检测为例，需要探头进行1次环向扫查、1次纵向扫查，检测效率可提高70倍以上，因此在长输管线的全面检测中应用越来越广。本项目的研究目标：针对电站锅炉四大管道的特点，通过试验研究，力图实现电站锅炉四大管道导波检测，解决现有检测技术效率低、可靠性低的技术难题，由此提高四大管道的安全性。1.2 电站厚壁管道超声导波检测国内外研究现状1.2.1国外研究现
10、状国外对超声导波技术的研究始于二十世纪初，研究者们首先对在不同波导中弹性波的传播特性进行了理论研究。从最开始无限介质中波的传播理论到板中导波的传播理论，又从板中导波理论的研究到与实际应用更为接近的柱面导波的研究。最早的工作主要是进行理论求解，60 年代，人们开始进行实验研究，近年来，导波被应用到无损检测领域中，特别是对薄板和管道进行无损检测。由于超声导波在管状结构、板材检测上的优越性，利用导波对多种类型、结构进行缺陷检测和性能评价已经成为近年来导波检测技术研究与应用的热门话题。1.2.2国内研究现状与国外相比，国内对超声导波检测技术方面的研究起步较晚，但在相关各领域也展开广泛研究。利用超声导波
11、进行管道检测的理论和实验文章已见多篇报道。刘镇清43综述近年来国内外在超声导波技术、声发射技术、新型超声非接触换能方法、超声信号处理与模式识别等方面的若干研究成果，并分别在不锈钢直管、铜弯管、工程塑料管进行了实验，得到了初步的结果。同济大学声学研究所的他得安等44对导波在管中的传播特性以及管材内径与壁厚之比变化时，对导波频散特性的影响进行了分析。何存富、吴斌等4综述了无损探测中的超声柱面导波技术及其应用研究进展，着重评述了超声导波的模态和频率选择、导波的激励和接收方法、导波与缺陷的相互作用、信号处理与特征提取及导波技术在无损检测中的应用前景。焦敬品等45综述了管道超声导波检测技术及其应用研究进
12、展，着重对超声导波技术和模态声发射技术在管道检测中的最新应用进行了评述，内容涉及超声导波的传播特性、试验检测方法及其数值模拟等。程载斌等46,47综述了应力波检测技术及其应用研究进展，对应力波技术在管道损伤检测中的应用进行了重点评述，主要内容涉及应力波的传播特点、实验检测方法及数据处理方法等，并用有限元程序ANSYS对管道纵波裂纹检测进行了数值模拟，通过对管道一端端部周向各节点施加轴向瞬时位移载荷模拟入射导波，同端接收反射导波，根据裂纹纵波回波信号到达时间和反射系数能较为精确地判断裂纹位置及周向长度，但反射系数对管道轴向裂纹宽度不敏感。何存富、李隆涛等48研究了薄壁管道内周向超声导波的传播及其
13、频散特性，并且通过对比薄壁板与薄壁管道内的导波，找出来一个比较简便研究周向导波的方法，并通过实验验证了周向导波的频散现象以及激励模态与斜探头楔型角的关系，并且认为在管道中可以激励出单一的周向导波。刘增华等49介绍了五种不同类型传感器在管道导波检测中的工作原理、特性及应用。于海群等50研制了一种超声导波专用探头，用于在板中和管中激励和接收超声导波，结果表明这种探头可以激励和接收超声导波。1.3电站厚壁管道检测的难点及重点1.3.1电站厚壁管道检测的难点常规检测技术方面，关于承压钢管超声检测，国内标准JB/T4730.3-2005中第4.5款对承压设备用无缝钢管超声波检测作了详细规定，采用超声横波
14、检测，为了保证100%检测，要求扫查路径有不小于15%的覆盖率。扫查速度一般不大于150mm/s。这种方法在自动化的钢管生产线上有实现的可能，在在役管道的100%检测中通常由于检测效率低、可靠性低、成本高，往往不予采用。磁粉检测和渗透检测的方法主要用于检测外表面开口缺陷，一般用于抽检。对于大面积的100%检验，由于准备工作和检验工作的工作量巨大，一般不采用。射线检测对厚壁管而言在现场基本无法实施。总之常规检测手段由于种种限制，很难实现快速、可靠、全面检测长距离厚壁管道。超声导波检测法具有单次检测距离远，灵敏度高的特点，国内开发的导波检测系统主要集中在薄壁管或小直径圆棒的多探头检测系统上，国外开
15、发的导波检测系统也主要是梳状传感器（探头组）检测系统，一般检测壁厚最高到mm。并且由于采用的检测频率较低，导致检测灵敏度不高，据相关文献报道约为壁厚横截面积的1%。国内外导波检测的思路主要是经过管道频散曲线计算，通过设置一定数量的导波探头来抑制多模态的影响，从而得到单一模态导波实现检测了目的。但随着频厚积增加导波模态增加，一方面要求采用比较低的检测频率，另一方面需要的检测探头组探头数量急剧增加，在厚壁管导波检测中存在着难以得到单一模态的导波的困难，所以，厚壁管的导波检测国内尚未见研究和应用的报道。1.3.2电站厚壁管道检测的重点无缝钢管发明以来，至今已有100多年的历史，出现了各种热加工生产方
16、法，归纳起来可以从两个方面进行分类。一是根据穿孔方式的不同分为辊式穿孔法和压力穿孔法二种。辊式穿孔法用二个或三个倾斜的轧辊，把实心的圆管坯穿成空心的毛管，再用各种类型的延伸机进行轧管延伸。这种生产无缝钢管的方法生产效率高，但对管坯质量要求严格，电站用合金钢管主要采用辊式穿孔法生产。无缝钢管中的主要缺陷有裂纹，折叠、分层和夹杂等。管材中的危害性缺陷大多与管材轴线平行，裂纹类缺陷直接威胁管道的安全运行，实例可见图1.3图1.3管道内壁轴向裂纹压力管道承受着上百公斤的内压，从应力分析的角度，我们可以得到如下结论：周向应力 （P-压力 R-半径 T-壁厚）径向应力 （P-压力 R-半径 T-壁厚）由此
17、可知，管道的周向应力是径向应力的两倍，因此从运行中的应力状况分析，产生平行于管道轴向的缺陷的可能性更大。从目前已经掌握的事故案例中缺陷的特征多以轴向缺陷为多，因此对电站厚壁管道的检测应该以轴向裂纹类缺陷为重点。1.4本课题研究目标和内容1、项目研究预期达到的目标（1）通过理论计算的方法，计算电站厚壁管道导波频散曲线，掌握电站厚壁管道导波频散曲线的特点。（2）通过单探头和探头组导波检测方法的对比研究，确定电站厚壁管道导波检测的最优方法。（3）针对国内现有300MW、600MW机组四大管道规格分类制作缺陷模拟试样，通过试验分析，确定单探头导波检测的适用范围，并绘制距离-波幅曲线。（4）研究探头频率
18、、角度对导波检验的影响，开展满足电站厚壁管道导波检测探头设计的初步研究；2、研究内容本文在查阅大量国内外管道导波检测技术文献的基础上，开展了电站厚壁管道导波检测技术的相关研究，拟定的研究内容如下：1、对国内外超声导波技术应用于管道缺陷无损检测领域的研究现状进行了分析。2、研究掌握了超声导波的基本理论，主要包括：导波相关的基本概念、导波的频散特性以及多模态性，超声导波在固体板中传播的频散方程，空心圆管中柱面导波频散方程。通过理论计算，获得电站厚壁管道导波频散曲线，分析电站厚壁管道导波频散曲线的特点。3、对比单探头和探头组导波检测方法的优缺点，确定了电站厚壁管道导波检测的最优方法。4、研究探头频率
19、、探头激励角度对导波检验的影响，开展满足电站厚壁管道导波检测探头设计的研究。5、设计制作电站200MW-660MW锅炉四大管道导波检测模拟裂纹试样，研究不同参数探头在不同规格管道上的检测灵敏度、信噪比。6、通过试验分析，确定导波检测的适用范围，并绘制距离-波幅曲线。总结电站厚壁管道导波检测方法，编写相关的检测工艺。1.5本课题拟突破的难点国内开发的导波检测系统主要集中在薄壁管或小直径圆棒的多探头检测系统上，国外开发的导波检测系统也主要是梳状传感器（探头组）检测系统，一般检测壁厚最高到mm。国内外导波检测的思路主要是经过管道频散曲线计算，通过设置一定数量的导波探头来抑制多模态的影响，从而得到单一
20、模态导波实现检测了目的。但随着频厚积增加导波模态增加，一方面要求采用比较低的检测频率，另一方面需要的检测探头组探头数量急剧增加，在厚壁管导波检测中存在着难以得到单一模态的导波的困难。另一方面据相关研究资料表明，导波检测可分为低频导波和高频导波，高频导波的灵敏度要高于低频导波，一般可达壁厚横截面积的1%，以直径50855mm的管道为例，这样大小的缺陷约为长度80mm（占周长的5%）深度11mm（占壁厚的20%），如此的检测灵敏度对于电站四大管道的检测是难以接受的。因此我们需要开展导波传感器的设计与优化，提高检测灵敏度，这是本课题研究的难点和重点。1.6本课题研究的技术路线l 通过理论计算的方法，
21、计算电站厚壁管道导波频散曲线，掌握电站厚壁管道导波频散曲线的特点。l 通过单探头和探头组导波检测方法的对比研究，确定电站厚壁管道导波检测的最优方法。l 针对国内现有300MW、600MW机组四大管道规格分类制作缺陷模拟试样，通过试验分析，确定单探头导波检测的适用范围，并绘制距离-波幅曲线。l 研究探头频率、角度对导波检验的影响，开展满足电站厚壁管道导波检测探头设计的初步研究。2 超声导波基本理论（略）3 导波传感器设计导波检测中传感器分为梳状探头组和单斜探头，探头组发射能量大，传播距离远，并在可以得到单一模态的导波，但需要复杂的探头夹持装置，且成本昂贵。单斜探头不需要夹持装置，使用比较灵活，在
22、管道单节较短且有较复杂的附件的情况下优点比较明显。3.1导波的激励方式激励方式讨论（略）3.1.3电站管道特点及激励方式选择电站承压管道系统由主汽管道、再热热段管道、再热冷段管道、主给水管道等组成，统称“四大管道”，发电机组的容量、压力等级不同，所选择的管道材料和规格有着较大的区别，小容量机组多选材质12Cr1MoVG以及10CrMo910，大容量机组一般采用P91、P92，可以明显看到机组容量提升后，合金元素含量也提升了，这虽然提高了管道的使用温度，但也给管道长期安全技术监督带来了新的课题，管道监督检测的必要性日益增强。其次，由于机组容量的提高，特别是管道压力等级的提高，对管道的规格也造成巨
23、大变化，主汽管道从早期外径273mm，壁厚30mm左右，变成现在外径535mm，壁厚5080mm，这就使梳状传感器检测适应性较差，而单斜探头检测的优势比较明显。在电站机组管道检测中，一般要求检测出深度在1.5mm、长度在15mm的裂纹，在管径535mm，壁厚为40mm时，裂纹横截面占管道横截面的万分之三左右，常规导波检测显然不能胜任。电站管道的另一个特点是管段的长度较短，悬空布置，对于梳状传感器布置来说难度比较大，而采用单斜探头就可以克服安装的困难。3.2单斜导波传感器在管道中激励的导波3.2.1单斜导波传感器在管道中激励导波的验证利用某工程热段管道747.5mm34mm管道，长度4米，单斜探
24、头在距端头0-2米处对端头进行检测，观察波形变换。在0-0.3m范围内，反射波出现明显的横波特征，上下端角反射波高点交替出现，每个端角波都会出现零点。在0.3m以后端角的高点也会产生波动，但探头移动期间，回波不会出现零点，形成调制波特征，随着距离增大，特别是增大到0.5 m以后，波幅波动范围减小，具有明显的导波特征。3.2.2单斜导波传感器在管道中激励的导波采用规格747.5mm34mm，材质P22，试样内外表面各加工一道L20mm0.4mm1.5mm模拟裂纹，详见图3-7、3-8： 图3-7内表面模拟裂纹 图3-8外表面模拟裂纹探头放置于工件外表面，探头入射角调整成38，有机玻璃声速为273
25、0m/s，钢中横波速度为3230m/s，利用折射定律换算成折射角为49，分别在距离缺陷215mm（图3-9）、310mm（图3-10）、786mm（图3-11）、1488m（图3-12）处对模拟裂纹的波形进行记录，记录结果如下： 图3-9 图3-10 图3-11 图3-12 从上面试验结果可知，随着探头和模拟裂纹之间距离的增加，波包宽度增加，幅度下降，波包内波的模态增加，这是因为斜探头发射的横波在上下表面经过多次反射、波型转换和复杂的干涉形成以一定群速度向前传播的一簇波，即导波。3.3超声波传感器频率的选择 通过上面试验，我们可以得出导波在电站厚壁管道上可以激发出导波，本节通过试验来确定厚壁管
26、道导波检测的传感器频率范围。试验及数据（略）l 试验数据分析：A、 对于内外壁裂纹类缺陷，1MHz左右的检测灵敏度最高。B、 壁厚增加，内外壁裂纹检测灵敏度降低。C、 频率越高，随着壁厚增加时灵敏度下降速度越快。D、 #3、#5试块在1MHz、1.5MHz、2MHz等3个频点内外壁裂纹检测灵敏度差值很小，0.7MHz频点内外壁裂纹检测灵敏度差值为9dB。 3.3.5试验小结1) 对于内表面和外表面模拟裂纹，1MHz附近反射强度最高。2) 对于内表面和外表面模拟裂纹，传感器频率低于1MHz时反射强度迅速降低，频率从1MHz降低到0.3 MHz时模拟裂纹反射强度下降20dB。3) 对于外表面模拟裂
27、纹，传感器频率大于1MHz时模拟裂纹反射强度呈下降趋势，频率从1MHz提高到2.5 MHz时模拟裂纹反射强度下降16dB。4) 对于内表面模拟裂纹，传感器频率大于1MHz时模拟裂纹反射强度下降趋势不明显。5) 壁厚增加，内外壁裂纹检测灵敏度降低。6) 频率越高，随着壁厚增加时灵敏度下降速度越快。7) G、#3、#5试块在1MHz、1.5MHz、2MHz等3个频点内外壁裂纹检测灵敏度差值很小，0.7MHz频点内外壁裂纹检测灵敏度差值为9dB。8) 外表面裂纹信号随着频率从0.7MHz到2MHz增加而波包宽度变窄。9) 内表面裂纹信号随着频率从0.7MHz到2MHz增加波包宽度没有明显改变。结论：
28、探头频率选择应该选择以1MHz为中心，0.7-1.5MHz范围内。 3.4超声波传感器角度的选择 角度选择分析及相关试验（略）3.4.7试验小结1) 为了减少试件中的导波模态，超声波入射角应选择第一入射角及第二入射角之间，有机玻璃的纵波声速2730m/s，钢中横波3230m/s，有机玻璃中纵波入射角为2857。2) 导波裂纹检测灵敏度受到壁厚、曲率、入射角度、半扩散角、裂纹位置等因素影响。3) 在入射角35以下，在试块上无法检测出裂纹信号。4) 在#1、#3、#5试块上，即壁厚小于或等于50mm时，在入射角度从35增加到44时，裂纹反射灵敏度总体上处于上升趋势。5) #6试块（86mm）上测试
29、，在距离探头较近的位置探头角度增加裂纹检测灵敏度增加，在距离较远时，裂纹检测灵敏度随探头角度变化规律在内表面和外表面上出现背离。6) 有机玻璃中纵波入射角2857范围内，同工件、同距离、不同入射角度裂纹反射模态数量相同，但入射角度改变时，波包形状改变，角度增大，波包中波速较低的模态的反射强度得到加强。结论：超声波入射角度在不同壁厚范围内的最佳入射角度是不同的，入射角度选择范围3945，对应的折射角4756。4厚壁管超声导波检测试验为了分析超声导波对电站厚壁管的检测灵敏度及可行性，采用了与电站锅炉实际使用的管子具有相同规格、相同材质的管段制作了对比试样，并制作了带有不同类型的缺陷（人工反射体）。
30、根据超声导波的特点指针对不同的检测对象，制作了一系列的不同参数超声导波检测探头，对对比试样上不同的缺陷进行试验分析。4.1试验试样4.1.1标准试块采用我国承压设备无损检测标准JB/T4730.32005中规定的标准试块CSK-A，该试块是在W试块基础上改进后得到的，其结构及主要尺寸如图4.1。利用该试块可以对探头的参数（前沿、折射角、延迟）进行测量。图4.1 CSK-A试块4.1.2试验试样4.1.2.1试验试样分类针对目前电力系统常用的四大管道，按照现场实际使用的规格和材质制作了一系列具有不同缺陷的试样。共制作了7组对比试样，涵盖了在役电站锅炉不同类型的管道规格和材质，其中包括300MW机
31、组冷段管道对比试样、300MW机组给水管道对比试样、300MW机组热段管道对比试样、300MW机组主汽管道对比试样、600MW机组给水管道对比试样、600MW机组主汽管道对比试样，以及300MW机组减温器联箱筒体对比试样。对比试样的具体参数见表4.1。表4.1对比试样各项参数表序号规格mm（外径）管道名称规格mm（实测外径）材质缺陷尺寸mm（最大/最小）长宽深缺陷总数(个)1F812.817.5300MW冷段82118A672B70CL32L200.41.5L50.20.512 2F355.625.6300MW给水36227.8WB36L200.41.5L50.20.516 3F747.534
32、300MW热段75536.5P22L200.41.524F44840300MW主汽45041P91L200.41.525F50850600MW给水50855SA106CL200.41.526F57578600MW主汽59586P91L200.41.527F406.450300MW减温器F406.45012Cr1MoVG自然裂纹2缺陷分类轴向缺陷轴向缺陷缺陷位置内壁缺陷外壁缺陷缺陷性质人工缺陷自然缺陷缺陷方向图4.2 缺陷分类图4.1.2.2试验试样缺陷分类为了检测超声导波探头的检测灵敏度，并为实际应该提供相应的检测工艺和试验方法，在不同的试验试样上制作了相同的模拟裂纹缺陷，缺陷均为表面开口裂纹
33、类缺陷，按照加工方法分为人工模拟裂纹的方形切槽和自然裂纹，按照分布位置划分为内壁缺陷和外壁缺陷，按照缺陷的延展方向分为周向缺陷和轴向缺陷。对比试样的具体形状及参数分别见图4.2。4.1.2.3试验试样视图及缺陷图下面为各种对比试样的实际视图以及人工制作缺陷实际视图，见图4.3。 L20mm0.4mm1.5mm图4.3a #1对比试样L20mm0.4mm1.5mm图4.3b #2对比试样L20mm0.4mm1.5mm图4.3c #3对比试样L20mm0.4mm1.5mm图4.3d #4对比试样L20mm0.4mm1.5mm图4.3e #5对比试样L20mm0.4mm1.5mm图4.3f #6对比
34、试样内壁自然裂纹图4.3g #7对比试样图4.3 对比试样图片4.2探头4.2.1探头选择原则目前对管材的检测主要使用常规的超声波横波探头，由于这种探伤的探测范围较窄，效率较低，因此采用新技术超声导波探伤有非常重大的意义。通过前期的理论分析和试验分析可知，超声导波探头在管道中的检测灵敏度不仅和探头的导波模态有关，而且和探头的频率、折射角度，以及被检管子的厚度、直径、检测距离有直接关系。通过研究发现，导波探头频率在0.52MHz之间，超声波入射角在3945之间时（见表4.2），对于管道内外壁缺陷，可以获得较好的检测灵敏度和信噪比。以5试样为例，被检缺陷（20mm长1.5mm深0.4mm宽切槽）面
35、积仅为壁厚横截面积的0.034%，同时，检测信噪比也满足现场检测的需要，能够明显观察缺陷反射特征回波。表4.2 探头参数选择范围 参数型号频率入射角导波探头0.52MHz3945表4.3试验中超声导波探头参数 参数编号频率(MHz)标称折射角()晶片尺寸mmmm实测折射角()前沿(mm)导波探头08731.051202050.520.0导波探头08741.049202047.721.0导波探头17821.061202061.826.0导波探头17831.058.5202057.524.0导波探头17890.756202054.726.0导波探头17900.556202053.926.0导波探头
36、22711.053.5202051.823.0导波探头22721.056202054.225.0导波探头22732.053.5202052.725.0导波探头758521.051202051.631.0导波探头54008*1.67/182059.132.0*该探头为以色列ISONIC导波探头，未标称角度、频率等相关参数，其参数为试验测量数据。4.2.2试验用探头对于电站厚壁管道的导波检测，尤其是在管道纵向缺陷的检测应用很少。为了分析超声导波对电站厚壁管的检测灵敏度，我们针对不同的管壁厚度及管径，根据上述探头参数选择范围内，制定了不同参数的超声导波探头，利用这些探头在对比试样上的试验分析来确定超
37、声导波对电站厚壁管道检测的可行性及检测方法的制定。试验中用到的探头的各项参数见表4.3。4.3试验分析4.3.1自制探头与以色列ISONIC导波探头检测性能对比分析试验过程及数据（略）4.3.1.3本节小结通过对不同厚度、不同距离、不同方向、不同位置（内、外壁）处的裂纹（自然、模拟）进行对比，对于同等大小的缺陷，自制探头与进口探头（以色列ISONIC导波探头）相比具有以下特点：灵敏度：高014dB；信噪比：高014 dB；最大有效检测距离：自制探头是进口探头的13倍；通过上述试验可以看出，自制探头不仅可以替代进口探头（以色列ISONIC导波探头），满足现场检测的需要，而且比进口探头有更高的灵敏
38、度、信噪比及有效检测距离。4.3.2自制探头灵敏度测试试验过程及数据（略）4.3.2.3 本节小结对于不同厚度、不同外径的检测对象，需要选择不同的探头，方能满足检测灵敏度的要求，按轴向缺陷检测灵敏度和周向缺陷检测灵敏度要求分类，具体见下表：表4.21周向裂纹探头选择探头检测对象适用探头推荐探头7试样内壁2271、7585275852/表4.22轴向模拟裂纹探头选择探头检测对象适用探头推荐探头1试样外壁2271、2272、08742271内壁2271、2272、087422713试样外壁0874、1782、1783、22711782/0874内壁0874、1782、1783、22711783/0
39、8744试样外壁0874、22712271内壁0874、227108745试样外壁0874、2271、22722271内壁0874、227108746试样外壁0874、7585275852内壁0874、17890874结论：对于轴向缺陷内壁裂纹，适用探头0874、2271；对于轴向缺陷外壁裂纹，适用探头1782、2271；对于轴向缺陷内壁裂纹，适用探头75852。4.3.3 本章小结根据试样厚度、缺陷方向、最远检测距离三个方面分别进口探头和自制探头进行了对比试验，通过上述的试验分析，结果如下：l 自制探头能够完全替代进口探头；l 对于不同厚度的检测对象，需要选择不同的探头参数；l 相同大小内外
40、壁缺陷反射当量有微小的区别；l 对于同一探头，随着工件厚度的增加，导波形成距离也随着增加；l 探头的有效检测距离在1000mm1600mm。 5厚壁管超声导波检测工艺5.1范围本工艺规定了采用单探头高频导波检测电站厚壁管道缺陷的超声波检测方法和质量分级要求。中厚壁管指外径大于或等于108mm、壁厚大于或等于14mm、小于等于160mm。本部分适用于电站金属材料制承压管道的导波检测，其他用途的非复合大口径厚壁管道导波检测也可参照执行。5.2仪器、试块和探头5.2.1导波检测仪 采用具有射频信号检测功能的数字超声波检测系统，可以调制发射波型为方波，其工作频率范围为0.5MHz10MHz,增益最小步
41、进档不大于0.2dB，水平线形误差不大于1%，垂直线形误差不大于5%。5.2.2试块5.2.2.1标准试块CSK-IA用来校准检测系统参数。5.2.2.2对比试块l 对比试块采用与被检对象相同规格和材料的管段，管段长度一般不应小于500mm。l 在管段的内外壁分别加工出周向模拟裂纹缺陷，缺陷尺寸L20mm0.4mm1.5mm，内外壁模拟裂纹间距400mm，内外壁裂纹反射信号不应相互干扰，内外壁裂纹信号不应与试件边沿信号相互干扰。l 在管段的内外壁分别加工出轴向模拟裂纹缺陷，缺陷尺寸L20mm0.4mm1.5mm，内外壁模拟裂纹间距400mm，内外壁裂纹反射信号不应相互干扰，内外壁裂纹信号不应与
42、试件边沿信号相互干扰。5.2.3导波探头l 探头声束轴线水平偏离角不应大于2，主声束垂直方向上不应有明显的双峰。l 超声导波探头要求在距离400mm处检测尺寸为L20mm0.4mm1.5mm模拟裂纹的信噪比不小于8dB。5.2.4导波检测仪和探头的系统性能 在达到管道的最大检测声程时，其有效灵敏度余量不应小于10dB，信噪比不小于8dB。 仪器和探头的组合频率和公称频率不得大于30%。5.3导波检测方法5.3.1探头参数选择依据被检工件厚度选择探头频率和折射角度，见表5-1。厚度范围 （mm）1530314546606186频率（MHz）11.511.511.50.81.2折射角度（）5356
43、4953495349515.3.2群速度调整5.3.2.1在CSK-IA试块上，利用R100圆弧将探头零点标定。5.3.2.2在分别距离外表面模拟裂纹400mm和600mm处将反射波调到最强，并调节声速将2点距离差调为200mm，并将声速标定。5.3.3距离波幅曲线制作5.3.3.1外表面模拟裂纹距离波幅曲线制作 在距离外表面模拟裂纹每隔100mm测试一点，记录反射波幅和信噪比，直到信噪比降低为6dB，这时距离模拟裂纹的读数即为单次有效检测长度，此时的增益值即为外表面模拟裂纹检测灵敏度，移动波门，测定始波大于20%的范围，即为始波盲区。5.3.3.2内表面模拟裂纹距离波幅曲线制作距离内表面模拟
44、裂纹每隔100mm测试一点，记录反射波幅和信噪比，直到信噪比降低为6dB，这时距离模拟裂纹的读数即为单次有效检测长度，此时的增益值即为内表面模拟裂纹检测灵敏度，移动波门，测定始波大于20%的范围，即为始波盲区。5.3.4扫查灵敏度比较内表面和外表面检测灵敏度，以增益值高者为扫查灵敏度，同时以有效扫查距离为单次扫查长度。一般情况下，外表面检测灵敏度高于内表面检测灵敏度，如果外表面单次有效检测长度大于内表面模拟裂纹单次有效检测长度2倍以上时，应分别利用内外壁检测灵敏度对其缺陷进行扫查。5.3.5扫查面确定周向缺陷和纵向缺陷分别进行扫查，周向和环向扫查面都呈带状，宽度为始波盲区宽度+100mm，2个扫查面的距离不大于单次扫查长度。5.3.6扫查速度导波检测速度要明显低于常规超声波检测，探头移动速度要不大于50mm/s。5.4质量分级5.4.1缺陷尺寸测量在检测中反射波信噪比大于6dB需要进行记录，记录反射波位置、波幅、信噪比。如果不能够准确定位的，要尽量缩小缺陷的范围，并用记号笔进行范围标定。5.4.2
