超声波在弯管检测中的应用

超声波在弯管检测中的应用

1超声波检测管道系统管道运输已经成为现代社会不可或缺的一部分。曲线是管道系统的重要组成部分。由于它在工作中受到高压、高温和恶劣环境的影响，曲线经常发生泄漏。因此,研究在役弯管的缺陷检测对预测和防范重大恶性事故的发生具有重要意义。沿管壁传播的超声波用于检测直管中的腐蚀坑、裂纹等缺陷。该方法能够实现快速检测,并可对难以接近的管道系统进行检测。实际上,管道系统主要由直管和弯管组成。超声波在直管中的传播特性研究相对较多,然而在工程应用中,常需要检测带有弯的管道系统。管道的弯曲部分由于结构的变形在一定程度上影响超声波在管道中的传播,从而影响了对缺陷的检测。鉴于弯管的超声波探伤工作中存在的问题,笔者针对不同规格和材质的小径弯管进行了现场超声波探伤试验和割管检验。2技术要点2.1干预策略2.1.1探伤频率的确定一般在保证灵敏度的前提下尽可能选用较低的探伤频率。考虑到所检工件的材质和形状及现场工作条件的限制,笔者选用频率为5MHz的探头用于弯头超声波检验。2.1.2超声波声束可到达管式内的最大角度的理论计算在横波探伤中,探头角度和K值对探伤灵敏度、声束轴线的方向以及一次波的声程(入射点至底面反射点的距离)有较大的影响。在实际探伤检验中,超声波声束与裂纹垂直时,反射波能量最高。以直径89mm×8mm,材质为20G的管子为例,对超声波声束可到达管子内壁的最大角度进行理论计算。如图1所示,由于βs的最大角度是声束与管子的内壁相切,此时声束与管子的法线之间的夹角为直角,可得:βs=sin-1r/R=sin-173/89=55.10(°);K=tanβs=tan55.10°=1.4;sinα/sinβ=CL/CS;CL=2730m/s为纵波在第一介质(有机玻璃)中的传播速度;CS=3230m/s为横波在第二介质(钢)中的传播速度。α=sin-1CLr/CSR=sin-12730×73/3230×89=44(°)。在试验和现场检验中,笔者选择入射角α=35°～45°的斜探头进行探伤,折射角βs=45°～55°,探头K值为1.0～1.5,既能满足检验弯头裂纹等缺陷的要求,又能保证探头灵敏度处于较高范围内。2.1.3超声波探伤管道弯头的安装由于管的规格较多,许多弯头的曲率较大,探伤时的耦合问题就显得尤其突出。通过试验发现,对于ϕ≤89规格的管道弯头用未经磨制的探头沿弯头圆周方向进行探伤,几乎很难达到探头与管子之间的耦合。采用磨制探头,由于有机玻璃磨损较大,波的散射明显加大,影响探伤效果。笔者用HS610e型超声波探伤仪,5PK1斜探头,晶片尺寸10×12mm,对于ϕ≤89的弯头分别用未经磨制的斜探头和根据不同规格的管子磨制的斜探头沿管道圆周方向进行探伤检验,结果发现ϕ≤89的管道弯头用经过适当磨制的探头进行探伤,耦合效果有明显改善,检查内壁深1mm长120mm的线切槽,反射波均可以稳定的呈现在示波屏幕上。而使用未经磨制的探头在同样灵敏度条件下,由于管道曲率较大,弯头和探头晶片之间耦合效果不好,反射波不能稳定的呈现于示波屏上。2.2激光探伤管道弯头超声探伤检测《主汽弯管裂纹超声波探伤导则》中要求使用线切割槽试块做为灵敏度调整,其材质、规格应与备查管道相同。根据这一要求,笔者在外管弯头探伤中使用不同规格的实物试块进行扫描速度和灵敏度的调整。实物试块内壁分别加工了深0.8mm,1.2mm和1.6mm的线切槽,切槽长度≥100mm。探伤中主要应用K=1的斜探头,晶片尺寸≥10×12mm(晶片尺寸不宜太小,否则影响探头磨制)。使用半圆试块按深度或声程调整扫描比例。使用未经磨制的探头K值没有发生变化尚可按深度调整扫描比例,但是使用磨制后的探头K值发生了一定的变化,再按深度调整扫描比例并不是很准确。这里推荐采用声程来进行扫描速度的调整,缺陷定位可用声程代替水平(弧长)距离来定位。下面以ϕ89×8的管道为例,使用K=1的横波斜探头进行探伤,从理论上计算声程与水平距离(弧长)之间的关系。由图2可知,大半径R=89/2=44.5mm,小半径r=73/2=36.5mm。sinγ/R=sin44°/rsinγ=sin44°×44.5/36.5=0.847γ=sin-10.847=122.12(°),β=180°-γ=57.88(°)由于γ为钝角,故圆心角θ=β-45°=12.88°;弧度(θ)=12.88°/180°×3.14=0.22(°);圆心角对应的弧长即为水平距离L;L=R×弧度(θ)=44.5×0.22=9.8mm;声程S即为圆心角所对应的三角形的边。S=r×sinθ/sin44=36.5×sin12.88/sin44=11.70mm。由计算可知,声程S大于水平距离(弧长),但两者相差不多,可用声程代替水平距离对管道弯头内壁裂纹等缺陷进行近似定位。因为管道弯头内壁裂纹等缺陷均为不可修复缺陷,除了更换或监督运行外,不允许将弯头割开进行补焊等修复处理,所以能做到近似定位即可。用声程调整扫描速度,在实际探伤检验中,声程近似的反映了水平距离(弧长)的位置,这样就可以大致定出缺陷的位置。经过对ϕ53×5,ϕ75×6,ϕ108×10和ϕ133×12等规格管道的计算,得出该方法是可行的。表1中的数据为以上几种规格管道的声程和水平距离(弧长)之间的数据比较。进行管道弯头超声波探伤时,灵敏度是以实物试块内壁深0.5mm或1mm的切割槽做为当量对比进行调整。将深0.5mm或1mm的切割槽所对应的波高调整到屏幕满刻度的80%,然后增益10dB做为探伤灵敏度进行探伤检验。2.3反射波号码为二次波用根据声程调整好扫描速度的超声波探伤仪对管道弯头进行超声波探伤检验,当反射波讯号出现在一次波或三次波的位置上时为内壁缺陷,出现在二次波位置时为外壁缺陷。当反射波波高达到满屏幕的80%且衰减在8dB以上时,缺陷的指示长度(用半波高度法测定)≥10mm,则可判定为裂纹。3实际试验3.1波探伤检测仪器探伤仪器对探伤结果影响较大,应该选择灵敏度高、动态范围好、盲区小、指向性好和水平线性误差较小的超声波探伤仪器。此次检验笔者选用了HS610e数字超声波探伤仪。探头为5PK1斜探头,晶片尺寸10×12mm。弯管的规格分别为ϕ89×8和ϕ89×10,材质分别为20G和16Mn。用ϕ89规格的管子对探头进行了磨制,以保证良好的耦合效果。然后对仪器进行了调整,以1mm深的线切槽加8dB做为探伤灵敏度。3.2弯头内部裂纹特征前后共检验了200多个降水管弯头,结果发现24个弯头内壁有裂纹缺陷波。对割下的弯头进行剖开检验,证明了这些弯头全部具有内壁裂纹,最长的达到120mm,最深达到3mm。而且大部分裂纹产生在弯头冲刷较严重的部位,如弯头的背弧最高点附近和弯头中心线附近。在本次探伤检验中判废的弯头,经解剖验证,基本符合当量实物试块的人工缺陷,有的甚至大于当量试块的人工缺陷。用声程调整好的扫描速度对缺陷的近似定位