数字超声波探伤扫描技术在锅炉检测中的应用

第39卷 第2期 2011年4月 Vol.39No.2 Apr2011 金 属 材 料 与 冶 金 工 程 METAL MATERIALS AND METALLURGY ENGINEERING 数字超声波探伤扫描技术在锅炉检测中的应用 收稿日期：2011-02-12 作者简介： 宋黎明 （1973-）， 男， 高级工程师， 主要从事产品质量监督工作。 Application of Digital Ultrasonic Nondestructive Inspection Scanning Technique in the Detection of the Boiler SONG Li-ming （Wuxi Yixing Quality and Technical Supervision，Yixing 214206，China） ABSTRACT：The digital ultrasonic nondestructive inspection scanning technology can get two-dimensional information of cross-section and defective three - dimensional structure of objects to be detected，three - dimensional reconstruction of cross - section has important practical value and significance in industrial nondestructive scanning. Through a typical example of ultrasonic nondestructive inspection，describes the application principles of ultrasonic nondestructive testing in the boiler detection，illuminates the basic steps of ultrasonic nondestructive testing，sums up the advantages and disadvantages of the detection. KEY WORDS：ultrasonic wave；detection of defects；nondestructive testing；boiler 摘要：数字超声波探伤扫描技术能得到断面上的二维信息及被检测物体缺陷三维空间结构， 其断层图 像的三维重建在工业无损探伤的领域有着极其重要的实用价值和研究意义。 通过典型的超声波无损探伤实 例， 阐述了超声波无损检测在锅炉检测中的应用原理， 说明了超声波无损检测的基本步骤， 总结出了其检 测的优缺点。 关键词：超声波；探伤；无损检测； 锅炉 中图分类号：TG115.28+5文献标识码：A文章编号：1005 - 6084（2011）02 - 0040 - 04 宋 黎 明 （无锡市宜兴质量技术监督局， 江苏宜兴214206） 锅炉压力容器是在石油化学工业、 能源工 业、 科研和军工等国民经济的各个部门都起着 重要作用的设备。 其由于密封、 承压及介质等 原因， 容易发生爆炸、 燃烧起火而危及人员、 设备和财产的安全及污染环境的事故。 目前， 世界各国均将其列为重要的监检产品。 超声检测技术作为工业上五大常规无损检 测技术之一， 一直被人们广泛地应用。 数字超 声波探伤扫描技术能得到断面上的二维信息及 被检测物体缺陷三维空间结构， 因此断层图像 的三维重建在工业无损探伤的领域有着极其重 要的实用价值和研究意义。 随着电子技术和软 件的进一步发展， 数字化超声探伤仪在锅炉检 测中有着广阔的发展前景。 1数字超声波探伤的原理 作为与X射线技术并列的两大无损检测手 段之一， 超声波探伤技术由于其自身的特点， 首先受到了以微电脑为代表的新技术的影响。 计算机应用的主要形式是以传统的模拟超声波 探伤仪通过某种接口与小型或微型计算机联机， 完成某种特定工件的自动化探伤或探伤波形进 行一些简单处理 （信号处理）。 数字信号的处理是用程序来实现的。 通常 超声波探伤进行的处理是去除信号中的噪声， 其次是将已经去除噪声的信号进行再处理， 包 括增益控制、 衰减补偿、 信号包络、FFT分析 及图像显示等。 超声信号经接收部分放大后， 由AD模数转换器变为数字信号传给电脑， 换能 器的位置可受编码电机控制或由人工操作， 由 转换器将位置变为数字传给电脑。 电脑再把随 时间和位置变化的超声波形进行复杂的处理， 得出了探伤的各种扫描数据， 进而设置有关参 数或将处理结果波形、 图形等在屏幕上显示、 打印出来或给出光、 声识别及报警信号1。 1.1A型超声波探伤扫描技术 A型超声波探伤的回声显示采用幅度调制， 在阴极射线管 （CRT） 荧光屏上， 以横坐标代 表被探测物体的深度 （时间轴）， 纵坐标代表回 波脉冲的幅度， 故由探头 （换能器） 定点发射 获得的回波所在的位置可测得工件的厚度、 缺 陷在工件中的深度以及缺陷的大小。 根据回波 的其它一些特征， 如波幅和波密度等， 还可在 一定程度上对缺陷进行定性分析。 A型显示的回波见图1， 图1只能反映局部 的回波信息， 不能获得在工件上需要的解剖图 形， 且缺陷的准确性与操作者的识图经验关系 很大。 1.2B型数字超声波探伤扫描技术 B型超声波探伤的成像方式采用辉度调制， 其图像所显示的却是工件的二维超声断层图 （或称剖面图）。B型超声波探伤采用辉度调制方 式显示深度方向所有界面反射回波， 但探头发 射的超声声束在水平方向上却是以快速电子扫 描的方法 （相当于快速等间隔改变A超探头在 工件上的位置）， 逐次获得不同位置的深度方向 所有界面的反射回波， 当一帧扫描完成， 便可 得到一幅由超声声束扫描方向决定的垂直平面 二维超声断层图像， 称之为线扫断层图像 （见 图2）。 1.3C型数字超声波探伤扫描技术 C型超声波探伤采用多元线阵探头实现水平 面上的x、y方向综合扫描， 即在水平x方向采 用和B型一样的电子扫描方式， 而在水平y方 向上通过机械的方法使探头移动。 为了获取某 一探测深度的C型声像图， 需在接收回路设计 一个距离选择开关， 并通过控制该开关的开通 时间， 来控制同一深度的回波信号被接收显示， 由此获得该深度的平面C型声象图 （见图3）。 1.4D型数字超声波探伤扫描技术 D型超声波探伤与B型超声波探伤显示方 式相同， 区别在于D型超声波探伤是侧面图， 而B型超声波探伤是主视图。D型超声波探伤 深度方向所有界面反射回波， 与探头发射的超 声声束在垂直方向电子扫描的方法， 逐次获得 图1A型显示的回波 图2线扫断层图像 图3C型连续谱扫描声象 412011年第2期宋黎明： 数字超声波探伤扫描技术在锅炉检测中的应用 不同位置的深度方向所有界面的反射回波， 当 N帧扫描完成后， 便可得到一幅由超声声束扫 描方向决定的垂直平面二维超声断层图像 （截 面图， 见图4）。 1.5TOFD数字超声波探伤扫描技术 衍射时差法 （TOFD） 主要利用超声脉冲正 向散射的衍射和反射信号， 依靠从待检工件内 部结构 （主要是指缺陷） 的 “端角”和 “端 点” 处得到的衍射能量来检测缺陷的方法。 如 果待检工件表面比较干净缺陷信号比较明显， 内壁反射很强， 在一幅好的TOFD图上可以清 晰地看到直通波 （见图5）。 1.6相控阵数字超声波探伤扫描技术 应用相控阵技术， 对施加于线阵探头的所 有振元的激励脉冲进行相位控制， 亦可以实现 合成波束的扇形扫描。 对成线阵排列的多个声 学上相互独立的压电振元同时给予电激励， 可 以产生合成波束发射， 且合成波束的方向与振 元排列平面的法线方向一致， 这种激励方式称 为同相激励。 如果对线阵排列的各振元不同时 给予电激励， 而是使施加到各振元的激励脉冲 有一个等值的时间差， 如图6的相控阵扫描原 理， 则合成波束的波前平面与振元排列平面之 间， 将有一相位差2。 如果均匀地减少值， 相位差也将随着减 少。 当合成波束方向移至=0时， 使首末端的 激励脉冲时差取反并逐渐增大， 则合成波束的 方向将向-增大的方向变化， 如果对超声振元 的激励给予适当的时间控制， 就可以在一定角 度范围内实现超声波束的扇形扫描。 各相邻振 元激励脉冲的等差时间与波束偏向角之间的 关系由下式给出： = 1 C = d c sin或 = sin-1（ c d ） 式中，C=5 900 ms， 为超声波在工件中传播的 平均速度；d为相邻振元的中心间距。 2锅炉数字超声波检测 目前锅炉超声检测执行JBT4730 - 2005 承压设备无损检测 标准。 锅炉检测中常见的 缺陷有： 气孔、 夹渣、 未焊透、 未熔合和裂纹 等。 超声波探伤用于锅炉制造 （现场组装） 以 及在用锅炉的原材料、 焊缝的检测， 其探伤比 例、 合格级别、 扩探要求等都有相应的规定。 对于探伤时机， 碳素结构钢应在焊缝冷却到环 境温度后、 低合金结构钢在焊接完成24 h以后 方可进行焊缝探伤检验。 另外还应该知道待测 工件母材厚度、 接头形式及坡口形式3。 在每次探伤操作前， 都必须利用标准试块 （CSK-IA、CSK-A） 校准仪器的综合性能， 校准面板曲线， 以保证探伤结果的准确性。 具 体步骤为： 其一， 探测面的修整， 应清除工件 表面飞溅物、 氧化皮、 凹坑及锈蚀等， 光洁度 一般低于4。 对接焊缝两侧探伤面的修整宽度 一般为大于等于2 KT+50 mm， （K为探头值，T 为工件厚度）； 其二， 耦合剂的选择应考虑到粘 度、 流动性、 附着力、 对工件表面无腐蚀、 易 清洗， 而且经济； 其三， 根据母材厚度选择探 图5TOFD扫描 图4二维超声断层图像 图6相控阵扫描原理 42金 属 材 料 与 冶 金 工 程Vol.39No.2 测方向； 其四， 根据板材厚度调节仪器的扫描 速度； 其五， 在探伤操作过程中采用粗探伤和 精探伤。 为了确定缺陷的有无和分布状态， 定 量、 定位就是精探伤。 使用锯齿形扫查、 左右 扫查、 前后扫查、 转角扫查、 环绕扫查等几种 扫查方式以便于发现各种不同的缺陷并且判断 缺陷性质； 其六， 对探测结果进行记录， 如发 现内部缺陷对其进行评定分析。 3数字超声波探伤的特点 3.1超声波探伤的主要特性 （1） 超声波在介质中传播时， 在不同质界 面上具有反射的特性。 如遇到缺陷， 缺陷的尺 寸等于或大于超声波波长时， 则超声波在缺陷 上反射回来， 探伤仪可将反射波显示出来； 如 缺陷的尺寸小于波长时， 声波将绕过射线而不 能反射4。 （2） 超声波的方向性好。 频率越高， 方向 性越好， 以很窄的波束向介质中辐射， 易于确 定缺陷的位置。 （3） 超 声 波 的 传 播 能 量 大 。 如 频 率 为 1 MHz（1兆赫兹） 的超声波所传播的能量， 相 当于振幅相同而频率为1 000 Hz（赫兹） 的声波 的100万倍。 3.2超声波探伤的优缺点 超声波探伤比X射线探伤具有较高的探伤 灵敏度、 周期短、 成本低、 灵活方便、 效率高， 对人体无害等优点； 缺点是对工作表面要求平 滑、 要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种 类、 对缺陷没有直观性。 超声波探伤适合于厚度较大的零件检验。 参考文献： 1李维良， 李永庆浅谈超声波探伤 J山东水利， 2001， （9）：54-55. 2李衍钢焊缝相控阵超声波探伤新技术J无损 探伤，2002，26（3）：1-5. 3黄健数字超声波探伤仪在液化气储罐探伤中的 应用J测控技术，2008， （6）：93-94. 4张丕龙便携式数字超声波探伤仪的应用特点J 无损检测，2005，27（11）：9-10，16. 432011年第2期 粉末冶金新材料新技术信息 湖南省冶金材料研究所的研究人员， 在长期的科学研究与生产实践中创新和发明了下列粉末冶金新材料新技术。 1镶嵌和镶铸技术 在工件的工作面上镶嵌或镶焊WC-Co硬质合金和TiC基钢结硬质合金形成复合耐磨材料， 既提高工件使用寿命又节约 贵重金属。 在工件的工作面上镶铸TiC基高锰钢结硬质合金技术， 例如水泥厂、 矿山行业用的高锰钢锤头， 圆锥式破碎机等产品的 工作面上镶铸TiC基高锰钢结硬质合金， 一般能提高寿命35倍， 能减少频繁停工停产更换备品备件带来的麻烦， 同时也 降低了生产成本， 提高了效率， 有较强的性价比。 2粉末冶金创新研究的新材料 （1） 纳米改性金属陶瓷材料。 在相同成分下， 改性金属陶瓷提高了强度、 硬度和密度。 做刀具是YG8寿命的两倍， 也 可做各种耐磨零部件。 （2） 节能型钢结硬质合金技术。 免去了锻造热处理工序， 大大地节约了能源。 （3） 节约型梯度硬质合金技术。 以成分梯度制造硬质合金， 其非工作面用铁、 镍代钴的高强度硬质合金， 工作面用硬 度较高的WC-Co硬质合金， 从而可大大地节约贵重金属。 3制粉技术 水雾化和气雾化制粉技术， 能生产Fe、Co、Ni、Cu、Zn等纯金属粉末或合金粉末， 如铁基、 镍基喷焊粉末， 人造金刚 石触媒粉和金刚石工具用预合金粉末等。 立式向上喷雾制铝粉末技术， 能生产球形工业铝粉， 比立式向下喷或横喷占地