冷凝器不锈钢波纹管导波检测技术的研究

第54卷第2期2012年4月汽轮机技术TURBINETECHN0LOGYVO154NO2APR2012冷凝器不锈钢波纹管导波检测技术的研究汪毅，张武能，王朝华，赵继辰，何存富1河南电力试验研究院，郑州I450052；2北京工业大学机械工程及应用电子技术学院，北京100124摘要为了实现对冷凝器不锈钢波纹管的主动健康监测，采用附着在结构上的压电陶瓷晶片以及套在结构表面的电磁声换能器激励接收导波模态，优化各种参数以用于缺陷的识别和评估。试验选取经HANNING窗调制的正弦脉冲信号在波纹管中激励中心频率240KHZ的纵向超声导波L0，2模态，用于波纹管中人工缺陷的检测，并分析了L0，2模态对不同类型缺陷的敏感程度。试验结果表明，利用压电陶瓷晶片和电磁声传感器激励接收频率为240KHZ的L0，2模态可以识别波纹管中的裂纹缺陷。关键词超声导波；波纹管；模态；电磁声换能器；裂纹分类号TB132；TB559文献标识码A文章编号10015884201202011203THERESEARCHONGUIDEDWAVETESTINGFORSTAINLESSSTEELCORRUGATEDTUBEWANGYI，ZHANGWUNENG，WANGCHAOHUA，ZHAOJICHEN，HECUNFU1HENANELECTRICPOWERRESEARCHINSTITUTE，ZHENGZHOU450052，CHINA；2BEIJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，BEIJING100124，CHINAABSTRACTTHEGUIDEDWAVEMODALWASINCENTIVERECEIVEDANDPARAMETERWASOPTIMIZEDFORTHEIDENTIFICATIONANDEVALUATIONOFDEFECTSBYTHEPIEZOELECTRICCERAMICCRYSTALCHIPSATTACHEDTOTHESTRUCTURALANDTHEELECTROMAGNETICACOUSTICENERGYTRANSDUCERSETINTHESTRUCTURESURFACEINORDERTOREALIZETHEACTIVEHEALTHMONITORINGFORSTAINLESSSTEELBELLOWSOFCONDENSERLONGITUDINALULTRASONICGUIDEDWAVEL0，2MODEOF240KHZINCENTIVECENTERFREQUENCYINBELLOWSOFSINEPULSESIGNALMODULATEDBYHANNINGWINDOWWASSELECTEDFORTHEDETECTIONOFBELLOWSARTIFICIALDECTANDTHESENSITIVEDEGREEOFANALYZESL0，2MODALFORDIFFERENTTYPESDEFECTSWASANALYZEDTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWEDTHAT，USINGTHEPIEZOELECTRICCERAMICCRYSTALCHIPSANDELECTROMAGNETICACOUSTICENERGYTRANSDUCERTOINCENTIVERECEIVETHELO，2MODALOF240KHZFREQUENCYCOULDIDENTIFYTHECRACKDEFECTSOFBELLOWSKEYWORDSULTRASONICGUIDEDWAVE；BELLOW；MODEL；ELECTROMAGNETICACOUSTICENERGYTRANSDUCER；CRACK0前言电力是国民经济发展的命脉，一个国家的经济发展状况很大程度上取决于其电力供应的能力。在我国83以上的电力是由火力发电厂提供的。进入21世纪以来，随着国内经济的快速发展，电力工业的发展也十分迅速。火力发电厂的高压加热器和冷凝器大都采用黄铜管、碳钢或不锈钢管作热交换管。这些管材除了在生产和安装时留下的隐性缺陷并在运行过程继续扩展外，在管道使用过程还会产生各种新的缺陷，如管内沉积物引起的点腐蚀、管内流水冲击磨蚀以及由于振动造成的横向开裂等，从而导致泄漏。因此，研究不锈钢波纹换热管的无损检测评价技术，采取定期检验、全面检测、寿命评估等手段，排查缺陷，消除隐患，确保高温、高压电站机组安全可靠运行，避免管道爆裂造成人员伤亡和经济损失，显得十分重要而迫切。超声导波技术是一种新兴的无损检测方法，特别适用于测和健康状况评估。该技术可以利用少量传感器对结构进行长距离大范围检测，可以对结构整个横截面上的所有缺陷进行检测，可以通过调节模态和频率，选取适合的单个或多个导波模态对结构进行安全状况评估。目前，国内外众多学者已针对工业管道在役状况检测进行了大量的数值仿真和试验研究，但对于不锈钢波纹管这类具有复杂外壁结构薄壁管的超声导波检测技术研究尚未见到相关报导。1管道中的超声导波超声波在管道中传播时，由于在管壁处产生较为复杂的反射和折射，使得在管道中传播的超声波速度受频率的影响，从而导致超声波的几何弥散，即超声导波的相速度随频率的不同而改变，这种现象就是导波的频散现象。导波的频散特性取决于加载条件和波导的形状。在管道中传播的超声导波存在3种模态，即纵向模态0，M、扭转模态T0，M和弯曲模态FN，M，其中，N为模态的周向次数，M为模数。通过数值求解频散方程可得到纵向超声导波的相收稿日期20111021作者简介汪毅1966，男，高级工程师，现主要从事电力系统新检测技术的应用。第2期汪毅等冷凝器不锈钢波纹管导波检测技术的研究113速度频散曲线，进而利用CDWDK可以得到群速度频散曲线。图1给出了由DISPERSE软件计算得到的外直径25MM，壁厚07MM不锈钢管中纵向模态导波的频散曲线。图2给出了频率为240KHZ时不同纵向模态的归一化位移。昌憾菖越罂40200频率MHZ相速度频散曲线一1_0，1_频率MHZ群速度频散曲线图1不锈钢管中纵向模态超声导波的频散曲线昌黑由频率为240KHZ时的0，1模态图2不同纵向模态的归一化位移从图1和图2中可以看出，在200KHZ300KHZ的频率范围内，L0，2模态导波主传播速度快，频散程度弱，且该模态内外表面的轴向位移相对较大，因而对于任何圆周位置的内外表面缺陷具有相同的灵敏度，很适合探测内外表面的缺陷。因此，本文拟选择激励和接收纵向L0，2模态超声导波进行不锈钢波纹管的在役情况检测。2不锈钢波纹管检测的试验研究21试验装置试验装置如图3所示，由计算机、函数发生器、功率放大器、数字示波器、压电陶瓷晶片、研制的电磁声换能器以及不锈钢波纹管试样所组成。实验所用的波纹管总长为3780MM，螺距为10MM，波高05MM。在波纹管直管段端部贴有压电片环，整周均匀分布16片，所选压电陶瓷晶片长7MM，宽3MM，厚05MM，振动类型为长度伸缩型。电磁声换能器由永磁铁、螺线管和漆包线图3试验装置示意图所组成，为了激励和接收频率240KHZ的L0，2模态导波，实验中传感器采用的螺线管共有3段，每相邻两段中心之间的距离为14MM，即0，2模态波长的一半，内直径为26RAM，可方便套在波纹管外表面。在缠绕漆包线过程中，每经过一个凸台就改变一次缠绕方向。22压电晶片自激励自接收的试验结果波纹管缺陷有两处，首先在波纹管的波纹谷底处加工一个通孔，其中心距管的切口端1300MM，直径2MM；而后距压电片环1500MM处加工一道环向裂缝，周向长度10MM，轴向宽度04MM。激励信号为经HARMING窗调制的20个震荡周期的正弦脉冲”，中心频率为240KHZ，由函数发生器产生，经功率放大器放大后激励压电片环，在波纹管中激励产生纵向模态超声导波，导波在波纹管中传播到端面或缺陷处会发生反射，而后被压电片环所接收。图4给出了激励信号为20个震荡周期、中心频率为240KHZ时的导波接收信号。嚣罂0图4压电晶片自激励自接收时的接收信号从图4中可以看出，在02MS的时间范围内，幅度最大的波包为端面反射回波，通过读取波包的到达时间，可以计算出波包的传播速度，该速度与理论上240KHZ时的纵向己0，2模态导波群速度非常接近，故可以判定压电晶片环在240KHZ时主要激励纵向L0，2模态导波。当波纹管中存在缺陷时，导波会在缺陷处发生反射，接收信号中就会出现缺陷回波，读取缺陷波包的到达时间，就可以计算出缺陷的轴向位置，即实现缺陷的识别和定位。图5给出了不同激励信号频率时的接收信号，频率变化范围从200KHZ到280KHZ，步长为10KHZ。从图5中可以看出，当激励频率在230KHZ一250KHZ时接收波形的幅度较大，缺陷回波容易分辨；而在这之外的频率范围，各回波幅度较小而难以分辨，这与频散曲线所描述的规律基本一致。在本实验中，选择激励频率为240KHZ是比较合适的。23压电晶片激励、电磁声换能器接收的试验结果试验装置与上述试验完全相同，EMAT换能器也布置在加0加如鲫114汽轮机技术第54卷善蟊量、罂童罨罂时间TMS曲频率为200KHZ时IHJTMSC频率为220KHZ时间TMS频率为210KHZ时HTMS西频率为230KHZJJ“JI山一1RT1一T下RRI时幅JLMS时间TMS频率为270KHZ频率为280KHZ图5不同频率时的接收信号波纹管直管段端部，与压电晶片环紧密临近。螺线管式电磁声传感器为一个感性器件，直接使用会出现由于感抗引起的相当大的无功损耗，致使接收信号能量降低。试验中采用并联电容的方式进行阻抗匹配，这种将电容与电感并联的方式属于并联谐振式滤波器，当传感器工作在谐振频率时，相当于低通滤波器，频率高于谐振频率的干扰信号将被滤掉，从而在一定程度上起到了滤波的作用。图6给出了激励信号为20个震荡周期、中心频率为240KHZ时阻抗匹配前后的接收波形。一J一1RT一一_|晶片激励EMAT接收的检测结果与压电晶片自激励自接收的检测结果相比，检测信号的杂波少，信噪比高，只是幅度相对较小。3结论采用附着在冷凝器不锈钢波纹管上的压电陶瓷晶片以及套在结构表面的电磁声换能器实现了超声导波的激励和接收，优化选取频率240KHZ的0，2模态用于结构的缺陷检测。实验结果表明，L0，2模态导波适于检测波纹管中的裂纹缺陷，而且采用电磁声换能器可进一步改善检测结果，提高检测范围。实验结果验证了超声导波在波纹管缺陷检测方面的可行性，同时也为波纹管的在役检测奠定一定基础。参考文献严宏强，程钧培发展中的中国火力发电装备J发电设备2008，22116雷中黎电站锅炉管道无损检测技术展望J无损检测1995，1761641653NASIRUDDIN，MHKARNRANSIDDIQUIHEATTRANSFERAUGMENTATIONINAHEATEXCHANGERTUBEUSINGABAFFLEJINTERNATIONALJOURNALOFHEATANDFLUIDFLOW，2007，2823183284BESIRSAHIN，NUANADILOZTURK，CAHITGURLEKHORSESHOEVORTEXSTUDIESINTHEPASSAGEOFAMODELPLATEFINANDTUBEHEATEXCHANGERJINTERNATIONALJOURNALOFHEATANDFLUIDFLOW，2008，2913403515BAHIN，AAKKOCA，NAOZTIIRK，ETA1INVESTIGATIONSOFFLOWCHARACTERISTICSINAPLATEFINANDTUBEHEATEXCHANGERMODELCOMPOSEDOFSINGLECYLINDER【JINTERNATIONALJOURNALOFHEATANDFLUIDFLOW，2006，2735225306何存富，吴斌，范晋伟超声柱面导波技术及其应用研究进展J力学进展，2001，3122032147SCHAKI，GBOURSEGUIDEDULTRASONICWAVESFORNONDESTRUETIVEMONITORINGOFTHESTRESSLEVELSINPRESTRESSEDSTEELSTRANDSJULTRASONICS，2009，491621718JOSEPHLROSE，MICHAELJAVIOLI，PETERMUDGE，ETA1GUIDEDWAVEINSPECTIONPOTENTIALOFDEFECTSINRAILJNDTEINTEMATIONAL，2004，371531619JOSEPHLROSE，YOUNHOCHO，MICHAELJAVIOLINEXTGENERATIONGUIDEDWAVEHEALTHMONITORINGFORLONGRANGEINSPECTIONOFPIPESJJOURNALOFLOSSPREVENTI