超声导波检测技术在电力系统的应用

马庆增,张春雷

(广东电网公司电力科学研究院,广州 510080)

1 超声导波的产生

在通常的超声检测中,一般都把被测物理想化,视被测物为无限均匀介质,因而其中只有膨胀波和等容积波两种体波存在,它们分别以各自的特征速度传播,无波型改变。当把被测物视为半无限均匀介质时,由于介质性质不连续面的存在,超声波将与界面发生复杂的相互作用,并导致波的散射、透射、反射和波型转换等,在这种情况下,一般不考虑波的弥散特性。导致超声波弥散的原因有物理弥散和几何弥散。物理弥散是由于介质的特性而引起的,而几何弥散是由于介质的几何效应引起的,其弥散关系往往由其边界条件决定。导波检测就是利用传播介质的某些特征尺寸产生的几何弥散效应来进行的。在实际检测中,作为超声波传播介质的工件往往有很多介质性质不连续的界面存在。当介质中有一个以上的界面存在时,超声波会在界面间产生多次往复反射,并进一步产生复杂的干涉作用。由于界面几何尺寸影响,超声波传播速度将依赖于波的频率,从而导致波的几何弥散。由于超声波在界面上传导复杂,如果工件的交界面不规则,则导波信号很难识别,所以导波技术一般用于特定的规则工件(板、管等)检测。

2 导波的分类

导波是由于声波在介质中的不连续交界面间产生多次往复反射,并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的。主要分为圆柱体中的导波以及板中的SH 波、SV波、兰姆波(Lamb)和漏兰姆波等[1]。

(1)探头激励超声导波,板的整个厚度都在作复杂的振动,导波在板中传播有两种基本形式：一种是介质质点振动方向与板面平行的水平偏振的横波(SH);另一种是既有振动方向与板面垂直的横波,又有振动方向与板面平行的兰姆波。当超声导波遇到板中的缺陷后,就会出现模态转换现象,并且波形有不同程度频散和衰减,通过对缺陷回波的数值分析和信号处理,可以得到缺陷位置和大小等信息。

不同模态的导波在缺陷的不同板厚处质点水平/垂直振动位移不同,对不同缺陷的检出能力不一样。因此,对于特定的缺陷,可以通过改变入射角和频率等激励特定模态的导波。

(2)根据Silk和Bainton的理论[2],圆柱体中的导波分为①轴对称纵向模式L(0,m)(m=1,2,3…)。②轴对称扭转模式T(0,m)(m=1,2,3…)。③非轴对称纵向模式F(n,m)(m=1,2,3…)。各模式中整数m是计数变量,反映该模式绕管壁厚方向上的振动形态;整数n反映该模式绕管壁螺旋式传播形态。其中,L(0,m)和 T(0,m)模式是F(n,m)模式中n=0的特例。

纵波是一边沿管子轴向振动,一边沿管子轴向传播,回波幅度与缺陷形状关系不大,回波信号不如扭转波清晰,受探头接触面的表面状态(油漆、凹凸等)影响很大。扭转波的特点是能够一边沿管子周向振动,一边沿管子轴向传播,回波信号包含着管轴方向的缺陷信息,通常能得到清晰的回波信号,信号识别较容易,波型转换较少,检测距离较长,对轴向缺陷灵敏度高。

综上所述,导波技术可以应用于管材和板材的检测。但是,导波在传播一定距离后会发生几何弥散,导波的相速度随频率的不同而改变,即产生导波的频散现象[3],导波的频散在时域中的表现为某一模态波的包络线随传播距离的增加不断拉长,降低了检测信号的信噪比,而导波的多模态现象则会导致不同模态信号的重叠和交叉,极大地影响实际检测的可靠性。为便于信号识别和实际应用,试验中应选择最低阶频散模式的导波。

3 导波在电力系统的应用

3.1 电站锅炉小径管及管道的导波检测

由于导波本身的特性,其可以沿管道传播较远的距离,明显提高对径管及管道的检测效率。另一方面,由于超声导波在管道内外表面和中部都有质点的振动,声场遍及整个管壁,因此,整个壁厚范围都可被检测[4]。这就意味着可同时检测管道内部缺陷和外表面缺陷。

安置在管道上的导波探头,在管道上激励出超声导波,导波在管道中传播时充满整个管材的圆周方向和管壁厚度,受缺陷或结构的调制形成含有管道缺陷和结构信息的回波信号,再由探头转换,最后集中到计算机中进行信号处理和分析。试验表明,SH型导波沿炉内小管子传播方向有轴向、周向和轴向螺旋式三种传播方式,轴向有效检测传播距离达30多米远,可检测管子内外表面的缺陷(如轴向和周向裂纹、腐蚀坑、减薄、焊缝中的缺陷等);兰姆波型导波沿凝汽器类管有效检测传播20米以上的距离,管子中间有弯曲时不影响导波的传播,兰姆波可检测10%壁厚的裂纹[5]。

吉林省电力科学研究院曾利用轴对称模式导波对省煤器管排进行了检测,发现含有危害性缺陷的管排90排[4],消除了事故隐患。

3.2 电站锅炉主蒸汽管道的导波检测

电站锅炉主蒸汽管道工作压力和工作温度高,是金属监督检验的重点。近期国内多次出现主蒸汽管道开裂泄漏事故,严重影响了电厂及电网的安全运行,因此,有必要对主蒸汽管道进行检测。但主蒸汽管道长度达百米以上,常规的超声波检测方法必须对管道逐点检查,检测效率低。导波由于其本身的特性,可以沿管道传播较远的距离,且可同时对内外壁进行检测,明显提高了检测效率。

国内有单位已着手进行试验研究,用高频导波对主蒸汽管道进行检测。图1是导波探头距主蒸汽管道对比试块上的内壁直槽(尺寸为1.5mm(深)×20mm(长)×0.2mm(宽))630mm 处的缺陷回波反射图,此时系统增益为67dB。图2是导波探头距离主蒸汽管道对比试块上的外壁直槽(1.5mm(深)×20mm(长)×0.2mm(宽))598.1mm 处缺陷回波反射图,此时系统增益为57dB。试验还利用导波对部分主蒸汽管道进行了无损检测,图3为主蒸汽管道超标缺陷的超声导波检测反射回波波形图,此时系统增益为72dB。此缺陷采用TOFD进行验证,确认该缺陷长 1200mm,埋藏深度为18.9mm,自身高度为5.5mm[6]。

试验证明,导波检测在电站管道无损检测普查方面有着明显优势,准备工作时间短,检测速度快,对A级检修工期基本没有影响。

3.3 高压传输线铁塔的锚杆检测

几千公里的高压传输线路是由高压线塔所支持的。这些塔通常采用钢棒埋入地下或水泥座中稳定其结构。这些锚杆常年置于应力腐蚀状态,如果应力腐蚀到达了一个不安全的极限,高压铁塔就会有倒塌的风险,尤其在台风或风力较大的地区。国内到目前为止,唯一可靠检测地面下锚杆的方法只有目视检查,这需费时费力地挖开地面,并有可能损伤钢棒表面涂层,从而导致腐蚀的加速。美国西南研究院的科学人员成功将MsS导波技术用于无损检测地面下锚杆的腐蚀状况,这种方法无需挖开地面,可以从地表上的检测点对整根锚杆进行检测。

MsS导波技术基于洛仑兹力和铁磁性材料的正逆磁致伸缩效应原理。将线圈缠绕在锚杆上,在线圈外侧安装永久磁铁。当高频激励信号加到靠近金属表面的线圈上时,在金属表面的集肤层内将会感应出相应频率的涡流,此涡流方向与线圈中电流方向相反。由于磁致伸缩效应,永久磁铁的磁场作用力会使涡流产生一个与涡流频率相同的力,即洛仑兹力,它在锚杆内传播就形成了电磁导波[7]。电磁导波传播时,受到锚杆结构(包括材料性能、规格尺寸和缺陷状态等)的调制,导波信号发生改变,产生带有锚杆结构调制特征的变化磁通势,从而在接收线圈中产生感应电动势。通过对该感应电动势信号的分析和处理,可以得到锚杆缺陷信息。图4显示了一根完好和一根受到腐蚀的锚杆的样本数据。

图4 受到腐蚀的锚杆及完好锚杆的波形图

3.4 电力铁塔角钢类型材的导波检测

角钢可以看作互相垂直连接的钢板,因此角钢中导波的传播规律与钢板中的规律相似,也可以用高频导波进行检测。天津市电力科学研究院已开展利用导波对角钢检测的试验工作[8]。该所进行的试验表明,该方法具有较高的灵敏度和较快的检测速度,可以满足电力铁塔用角钢型材的现场检测。图5为距探头1 000 mm处1 mm深线切割槽的检测回波。

图5 距探头1 000 mm处1 mm深线切割槽回波

4 结语

导波检测技术在电力系统的高压传输线铁塔的锚杆检测、电力铁塔角钢类型材的检测、电站压力管道及受热面管母材全面检测方面,有着明显优势,具有准备工作时间短,检测速度快且能保证检测灵敏度的优势,但目前无相关的标准与之配套相信随着超声导波检测技术的进一步发展,随着检测标准的制定与完善,导波检测技术将在电力系统的金属技术监督方面发挥更加重要的作用。

[1]刘镇清.超声无损检测中的导波技术[J].无损检测,1999,21(8)：367-369.

[2]Silk M G,Bainton K F.The propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to Lamb waves[J].Ultrasonic,1979,17：11-19

[3]SHIN H J,ROSE J L.Guided wave by axisymmetric and non-axisymmetric surface loading on hollow cylinders[J].Ultrasonics,1999,37(5)：355-363.

[4]杜好阳,张春雷,隋忠学,等.电站小径管母材缺陷检测的导波技术及其应用[J].无损探伤,2002,160(3)：1.

[5]马剑民,侯安柱,姚思宇,等.电站管道超声导波快速检测技术[C].广西：中国电机工程学会第八届无损检测学术会议,广西北海,1999.

[6]王朝华,蔡红生,李世涛.电站主汽管道导波检测[J].无损探伤,2007,31(4)：35-37.

[7]金建华,申阳春.一种用于管道检测的磁致伸缩式周向超声导波传感器[J].传感技术学报,2004(4)：576.

[8]马崇,杜筝.电力铁塔用角钢型材超声导波检测研究[J].河北电力技术,2009,28(3)：10-11.