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        核電壓力管道表面粗糙度對超聲波測厚數(shù)據(jù)的影響

        2013-10-23 05:00:08梁鵬飛張繼榮匡立中
        無損檢測 2013年9期
        關(guān)鍵詞:檢測

        梁鵬飛,張繼榮,匡立中,王 勤

        (蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

        核電廠的壓力管道在使用過程中,其整體或局部會(huì)受到?jīng)_蝕、磨損等作用,而導(dǎo)致管壁逐漸減?。?]。對其進(jìn)行役前及在役壁厚檢測,不但可以獲取完整詳實(shí)的在役期間管道壁厚變化數(shù)據(jù),而且能夠及時(shí)預(yù)防嚴(yán)重局部減薄造成的安全隱患。因此壓力管道的測厚工作一直被作為管道定期檢測時(shí)的主要檢測項(xiàng)目之一。筆者分析了導(dǎo)致壓力管道超聲波測厚過程中數(shù)據(jù)發(fā)生異常的原因,并重點(diǎn)分析了管壁外表面粗糙度對超聲波測厚結(jié)果的影響。

        1 超聲測厚儀檢測原理

        測厚儀采用的方法主要有共振法、干涉法及脈沖回波法?,F(xiàn)在主要采用的是脈沖回波法[2]。超聲波測厚探頭與被測管道的表面通過耦合劑相接觸,在測厚儀控制下,由探頭晶片發(fā)射超聲脈沖,該超聲脈沖通過耦合劑進(jìn)入管道后被內(nèi)壁反射回來,繼而被接收探頭接收。

        設(shè)聲波在管壁中的傳播速度為v,從發(fā)射聲波到接收到回波的時(shí)間間隔Δt,則管道的壁厚值d 為[3]:

        2 超聲測厚儀指示值異常原因分析

        管道超聲波測厚工作中,有時(shí)超聲波測厚儀指示值會(huì)顯示異常,如測厚儀無數(shù)據(jù)顯示、顯示值與管道壁厚相比明顯偏大或偏小等。造成指示值異常主要有現(xiàn)場操作、管道材質(zhì)以及管道表面粗糙度等因素的影響[4]。

        2.1 現(xiàn)場操作因素

        在現(xiàn)場操作中,造成指示值異常的原因主要有以下幾種:

        (1)耦合劑涂抹不均勻或有氣泡存在。這會(huì)造成探頭與管道表面耦合效果變差,聲波無法通過耦合劑進(jìn)入到管壁中,從而導(dǎo)致指示值異常。比如在測厚工作中,測厚儀讀數(shù)經(jīng)常會(huì)異常顯示為0~1.5mm之間,就是由于這種原因造成的。

        (2)探頭擺放不正。特別是有些管道本身管徑較小時(shí),非常容易導(dǎo)致探頭表面與管道表面接觸不良,導(dǎo)致聲強(qiáng)透射率低,指示值閃爍不穩(wěn)。

        (3)探頭表面發(fā)生磨損。常規(guī)超聲探頭表面為樹脂材料,長時(shí)間使用后會(huì)導(dǎo)致表面發(fā)生磨損,致使聲波衰減增加,靈敏度下降。

        (4)測厚儀未進(jìn)行校準(zhǔn)或材料聲速設(shè)置不正確。在測厚前和測厚結(jié)束后,以及測厚儀工作一段時(shí)間后均需要對測厚儀進(jìn)行校準(zhǔn),并且正確設(shè)置被測管道材質(zhì)的聲速,否則就會(huì)造成示值異常。

        2.2 管道材質(zhì)因素

        管道材質(zhì)方面有以下幾個(gè)原因會(huì)造成指示值異常:

        (1)被測管道內(nèi)表面有較多的腐蝕凹坑。這會(huì)使超聲波在管道內(nèi)表面發(fā)生散射衰減,導(dǎo)致指示值異常。

        (2)被測管道內(nèi)有較厚的沉積物。這時(shí)測厚儀指示值可能會(huì)顯示為壁厚加沉積層厚度。

        (3)管壁內(nèi)部存在缺陷。當(dāng)管壁中存在如夾雜、夾層等缺陷時(shí),聲波會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的散射衰減,導(dǎo)致指示值失真。當(dāng)缺陷較大時(shí),測厚儀還可能會(huì)將缺陷處的回波當(dāng)做內(nèi)壁回波處理,致使讀數(shù)變?。?]。

        (4)管道材質(zhì)劣化。當(dāng)管道材質(zhì)發(fā)生劣化,比如氫蝕后,自身聲速會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致測厚儀指示值失真。

        2.3 管道表面粗糙度因素

        管道外表面粗糙度過大會(huì)導(dǎo)致探頭與管道表面耦合效果變差,聲波在管道表面散射增加,反射回波降低,甚至接收不到穩(wěn)定的回波信號,導(dǎo)致測厚儀指示值異常。

        3 表面粗糙度對測厚數(shù)據(jù)的影響

        由于管道表面粗糙度的影響,穩(wěn)定的讀數(shù)實(shí)際上仍然是有偏差的[3]。為了進(jìn)一步試驗(yàn)表面粗糙度對測厚數(shù)據(jù)的影響,制作了5種不同粗糙度的不銹鋼制試樣,表面粗糙度Rz分別為:5.6,98.5,214.9,308.7,446.2μm,各試樣均為30mm 寬、15mm高,且下表面均光滑。使用的探頭標(biāo)稱頻率分別為10,15,20MHz,均為點(diǎn)聚焦探頭,采用水浸耦合,測厚方法如圖1所示。

        圖1 試樣測厚示意

        下面采集5種不同粗糙度試樣在3種探頭測試下的底面回波,并對其進(jìn)行了分析處理[6]。圖2所示是不同頻率下,不同粗糙時(shí)各試樣底面回波的脈沖寬度變化情況。

        圖2 不同頻率,不同粗糙度時(shí)底面回波的脈沖寬度

        從圖2中可以看到,試樣表面粗糙度對底面回波的脈沖寬度影響非常大,特別是粗糙度為214.9μm的試樣底面回波寬度最大?;夭}沖展寬主要是因?yàn)槠湓诠艿辣砻姘l(fā)生了散射,當(dāng)超聲波波長遠(yuǎn)大于表面粗糙度尺寸時(shí)屬于瑞利散射,這時(shí)散射強(qiáng)度較?。划?dāng)粗糙度尺寸與超聲波波長相當(dāng)時(shí)屬于米氏散射,其散射強(qiáng)度與粗糙度尺寸有關(guān),散射情況復(fù)雜,散射強(qiáng)度大[7]。

        筆者所使用三種探頭的超聲波波長在100~300μm之間,所以當(dāng)Rz不大于214.9μm時(shí),則隨著粗糙度的增加,散射增大,脈沖寬度隨之變寬;當(dāng)Rz不小于214.9μm時(shí),則隨著粗糙度的增加,散射反而減弱。

        圖3是不同頻率,不同粗糙度時(shí)底面回波波峰與初始脈沖時(shí)間差的變化情況。

        圖3 不同頻率,不同粗糙度下底面回波與初始脈沖的時(shí)間差

        由圖3可以看到,在三種頻率下,隨著試樣粗糙度增大,底面回波波峰與初始脈沖時(shí)間差均逐漸增大。因此聲波入射到粗糙表面不同高低的位置,致使其在樣品中傳播聲程不同是造成上述結(jié)果的主要原因。在粗糙度增大的情況下,聲波入射到表面凹陷處時(shí)比入射到凸出處傳播的聲程更長,水的聲速小于鋼的聲速,因而造成了波峰位置在時(shí)間軸線上相應(yīng)的后移。

        4 結(jié)論

        (1)在核電壓力管道超聲波測厚過程中,由于現(xiàn)場操作不當(dāng)、管道材質(zhì)具有缺陷以及表面粗糙度過大等,均有可能導(dǎo)致測厚數(shù)據(jù)異常。因此在檢測中要進(jìn)行規(guī)范操作,在測厚儀讀數(shù)異常時(shí)應(yīng)更換檢測位置,清理表面污漬后重新進(jìn)行檢測。

        (2)在表面粗糙度較大的情況下,即使能夠獲得穩(wěn)定的測厚回波信號,回波也會(huì)發(fā)生展寬致使波峰辨識(shí)度降低,測厚結(jié)果準(zhǔn)確度下降;同時(shí)回波波峰也會(huì)發(fā)生延遲,從而進(jìn)一步導(dǎo)致測厚結(jié)果偏離準(zhǔn)確值。因此在測厚時(shí)要特別注意被檢工件的表面粗糙度情況,盡量選擇平整光滑的表面進(jìn)行檢測,必要時(shí)應(yīng)打磨處理后,再進(jìn)行測厚。

        [1]廖民飛,史素梅.探討管道壁厚準(zhǔn)確測量方法[J].控制與測量,2000(3):43-44.

        [2]SHUTTLEWORTH P,MAUPIN J,TEITSMA A.Gas coupled ultrasonic measurement of pipeline wall thickness[J].Pressure Vessel Technol,2005,127(3):290.

        [3]柯細(xì)勇,王占元,楊劍鋒,等.一種新型便攜超聲波測厚儀的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(12):119-125.

        [4]張建中,時(shí)耿海.超聲波測厚中指示值失真原因分析[J].無損探傷,2007,31(1):34-35.

        [5]于寶虹,羅云東,邵志航.在役金屬管道壁厚檢測方法的應(yīng)用性分析[J].煉油與化工,2005,16(2):34-35.

        [6]林莉,李喜孟.超聲波頻譜分析技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009:65-76.

        [7]朱哲民,龔秀芬,杜功煥.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京:南京大學(xué)出版社,2001:388-414.

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