唐化山，陳 瑜，劉慶洲，雷 闖，李 華

（四川電力建設(shè)二公司，成都 610051）

超臨界電站鍋爐爆管事故中，管內(nèi)異物堵塞已經(jīng)成為非計(jì)劃停爐的主要原因之一。一旦形成堵塞，就必須進(jìn)行清理，因此管內(nèi)異物的檢測(cè)受到普遍關(guān)注。

在以前的預(yù)防性檢測(cè)或停爐檢修中，需要將待檢測(cè)部件管內(nèi)的水排盡，在易堵塞部位采用射線拍片來(lái)確定有無(wú)異物。其缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢驗(yàn)人員要承受大劑量的射線輻射，無(wú)法拍片的部位不能檢測(cè)，存在爆管隱患。

超聲波縱波檢測(cè)小徑管內(nèi)異物的方法，是基于管內(nèi)存在介質(zhì)的環(huán)境下監(jiān)測(cè)超聲波檢測(cè)部位對(duì)側(cè)管壁有無(wú)回波來(lái)進(jìn)行判別。因此，具有檢測(cè)速度快、可靠性高、檢驗(yàn)人員不承受大劑量射線輻射等特點(diǎn)，是目前取代射線檢測(cè)小徑管內(nèi)異物的理想方法。

1 檢測(cè)原理

檢測(cè)時(shí)，將超聲波在管子中的入射、反射和透射假設(shè)為平界面上進(jìn)行，不考慮散射影響。

超聲波縱波垂直入射到光滑平界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波。

由于聲壓或聲強(qiáng)的分配比例僅與界面兩側(cè)的聲阻抗有關(guān)，存在于管內(nèi)的介質(zhì)（液體）與空氣的聲阻抗不同，并且差異很大，則管內(nèi)有無(wú)介質(zhì)時(shí)的聲壓反射和透射的情況不一樣。

超聲波異物檢測(cè)就是基于小徑管檢測(cè)部位內(nèi)部有介質(zhì)的前提下，必然存在管子對(duì)側(cè)管壁多次反射回波信號(hào)；通過(guò)監(jiān)測(cè)管子對(duì)側(cè)管壁多次反射回波有無(wú)信號(hào)確定是否有異物；根據(jù)無(wú)異物部位管子對(duì)側(cè)管壁回波信號(hào)的波幅與被檢測(cè)部位對(duì)側(cè)管壁回波幅度降低量估算異物大小。

1.1 超聲波垂直入射到界面時(shí)的反射和透射［1］

縱波在不同介質(zhì)中的傳播如圖1所示。超聲波從聲阻抗為Z1的第一介質(zhì)入射到Z1和Z2界面時(shí)，聲壓反射率r為：

式中：Pr為反射聲壓；P0為初始聲壓；Z1為第一介質(zhì)的聲阻抗；Z2為第二介質(zhì)的聲阻抗。

聲壓透射率t為：

式中：Pt為透射聲壓。

管內(nèi)沒(méi)有水，即只有空氣時(shí)，Z1＝4.5×106g／cm2·s，為第一介 質(zhì)，即鋼的聲阻抗；Z2＝0.00004×106g／cm2·s，為第二介質(zhì)，即空氣的聲阻抗。因Z2?Z1，則聲壓反射率為r≈－1，聲壓透射率t＝0。

圖1 縱波在不同介質(zhì)中的傳播情況

1.2 聲壓的往復(fù)透射

管內(nèi)有水時(shí)聲波的傳播較管內(nèi)沒(méi)有水時(shí)復(fù)雜，既有探頭側(cè)管壁反射波，又有穿過(guò)管壁傳播到對(duì)側(cè)管壁的透射回波。因此，在波形上不僅出現(xiàn)探頭側(cè)管壁回波，還在其后一段聲程范圍出現(xiàn)對(duì)側(cè)管壁的反射回波（波幅較低，聲程為4倍管子內(nèi)徑）。

管內(nèi)有水，即Z2＝0.15×106g／cm2·s，則聲壓反射率為－0.935；聲壓透射率為0.065。聲壓反射率很高，透射率很低。

透射波作為入射到管子水中的入射波，水中聲阻抗Z1＝0.15×106g／cm2·s，鋼中聲阻抗Z2＝4.5×106g／cm2·s，如底面全反射，則超聲波在水／鋼界面的聲壓往復(fù)透射率T為：

將Z1、Z2具體數(shù)值代入，得T＝12.5%。

沒(méi)有障礙物透射波的傳播聲程（包括在探頭側(cè)的傳播）：

式中：T為管壁厚度；ds為水層厚度，等于管子內(nèi)徑d。

由于縱波在水中的傳播速度cs約為鋼中速度cg的1／4，那么厚度為ds的水層其傳播時(shí)間為：

式中：T為管壁厚度；ds為水層厚度，等于管子內(nèi)徑d；cs為水中縱波聲速；cg為鋼中縱波聲速。

也就相當(dāng)于4倍于鋼中的傳播時(shí)間，用聲程調(diào)節(jié)速度的話，就相當(dāng)于4倍水層厚度的聲程。

式（4）可以表述為：

2 檢驗(yàn)方法及步驟

2.1 使用設(shè)備及材料

檢驗(yàn)儀器：漢威610Se數(shù)字式超聲波探傷，配5Z10N 的直探頭。

選用φ63mm×10mm，L150mm 左右的管子作為檢驗(yàn)設(shè)備的試塊；將其一端封堵，管子注入自來(lái)水，留一半的空間；使用機(jī)油或者變壓器油作為耦合劑。

取用現(xiàn)場(chǎng)鋼管內(nèi)鐵銹、φ25 鋼球一個(gè)；其他雜物：φ32鋼管一節(jié)、φ1細(xì)鐵絲備用。

2.2 檢驗(yàn)方法－縱波接觸法

2.2.1 靈敏度調(diào)整

將超聲波探傷儀聲程范圍設(shè)定到250 mm 左右，管子的測(cè)試部位涂上耦合劑，將直探頭放到管子沒(méi)有水的部位，如圖1中探頭位置1。這時(shí)顯示探頭側(cè)管子壁厚范圍內(nèi)的多次回波，如圖2（a）所示。

使第一次回波達(dá)到滿刻，再將探頭移到有水部位，如圖1中探頭位置2。除出現(xiàn)探頭側(cè)管壁回波外，在其后出現(xiàn)波幅較低的管子對(duì)側(cè)管壁的回波信號(hào)，如圖2（b）所示。

2.2.2 試驗(yàn)過(guò)程

首先在注滿水、管子內(nèi)部無(wú)雜物的部位（圖1中探頭位置2）進(jìn)行靈敏度調(diào)整、聲程范圍調(diào)節(jié)，使探頭對(duì)側(cè)管壁回波信號(hào)達(dá)到一定波幅（圖2（b）），固定儀器增益。依次將被檢測(cè)管內(nèi)分別放進(jìn)鋼球、鋼管、氧化鐵、卵石、細(xì)鉛絲時(shí)，探頭放到待檢測(cè)管相應(yīng)部位，確保主聲束指向管內(nèi)所放物件，依次記錄下鋼球、鋼管、氧化鐵、卵石、鐵絲在管內(nèi)時(shí)回波信號(hào)。檢驗(yàn)過(guò)程顯示結(jié)果如圖3～7所示。

圖4 管內(nèi)有鋼管的波形圖

3 結(jié)果與可靠性分析

3.1 結(jié)果分析

3.1.1 無(wú)對(duì)側(cè)內(nèi)、外壁反射回波

圖7 管子內(nèi)有細(xì)鐵絲的波形圖

比較圖2（b）與圖3、圖2（b）與圖4可以發(fā)現(xiàn)，由于人工放置的堵塞物是鋼球、鋼管，由于本身形狀為球形和柱形，聲波傳播到這些物件的表面時(shí)可以視為凸柱面，柱面反射發(fā)散，而透射的聲波到達(dá)對(duì)側(cè)內(nèi)壁也很微弱，在檢測(cè)靈敏度下，不能發(fā)現(xiàn)其反射回波信號(hào)，即對(duì)側(cè)管壁回波信號(hào)在該聲程消失。同樣，比較圖2（b）與圖5可以看出，聲波障礙物為氧化鐵塊，鑒于其本身形狀的不規(guī)則，反射波發(fā)散，而聲波無(wú)法傳播到管子對(duì)側(cè)，該聲程不會(huì)出現(xiàn)反射回波信號(hào)；觀測(cè)圖2（b）與圖6，聲波障礙物為卵石這種非金屬材料，其截面積大于聲束直徑，阻擋了聲能的傳播，顯然該聲程不存在對(duì)側(cè)管壁回波信號(hào)。

3.1.2 存在對(duì)側(cè)內(nèi)、外壁反射回波

比較圖2（b）與圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射聲波聲束直徑大于人工堵塞物截面，如直徑為1mm 的鐵絲時(shí)，根據(jù)惠更斯－菲涅爾原理聲［2］，聲波會(huì)發(fā)生繞射，有一部分波能到達(dá)管子對(duì)側(cè)，因此在該聲程會(huì)出現(xiàn)對(duì)側(cè)管壁回波信號(hào)，由于會(huì)損失一部分聲能，其波幅要低于沒(méi)有堵塞物（見(jiàn)圖2（b））時(shí)的回波幅度，見(jiàn)圖7。

3.2 可靠性分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，將1mm 的鐵絲彎曲成U 型放入管子內(nèi)，上下移動(dòng)，管子對(duì)側(cè)管壁回波波幅呈跳躍式變化，波幅變化明顯。

圖8 某電廠在管子內(nèi)清理出部分堵塞物的照片

事實(shí)上，無(wú)論是火電工程建設(shè)過(guò)程中吹管后的割管檢查，還是試運(yùn)行過(guò)程中因堵塞爆管后管子里清除出的堵塞物，其類型不外乎為氧化鐵、機(jī)加工鐵屑及制造、安裝過(guò)程（通球試驗(yàn)用鋼球）中殘留固體異物，其尺寸多為φ10～25 mm、長(zhǎng)度16～90mm 之間，如圖8所示。

因此，從檢驗(yàn)角度來(lái)看，能有效發(fā)現(xiàn)管子內(nèi)1mm的鐵絲已經(jīng)表明其檢測(cè)靈敏足夠發(fā)現(xiàn)上述尺寸的堵塞物，并且檢測(cè)速度快、檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、判斷準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

在檢測(cè)部位內(nèi)部充滿介質(zhì)（水）的前提下，檢測(cè)結(jié)果表明：

（1）探頭對(duì)側(cè)管壁回波在該聲程出現(xiàn)且波幅不變或變化不明顯，表明沒(méi)有堵塞物。

（2）探頭對(duì)側(cè)管壁回波在該聲程消失，則表明有堵塞物，且堵塞物體積較大。

（3）探頭對(duì)側(cè)管壁回波在該聲程出現(xiàn)，但波幅下降明顯，表明有堵塞物，堵塞物體積較小。

［1］水電部超聲波探傷編寫組.超聲波探傷［M］.北京：電力工業(yè)出版社，1985.

［2］鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)［M］.北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.