火力发电厂在役凝汽器管超声导波检验的可行性.pdf

2 0 1 2年 0 6月 第 4 O卷 第 3期 总 第 2 2 0期 J u n ． 2 0 1 2 Vo1 ． 40 No． 3 Se r ． No．2 2 0 火力发 电厂在役凝 汽器 管超声导波检验 的可行性 Fe a s i b i l i t y o f Ul t r a s on i c Gui d e d W a v e s Exa mi n a t i on o n I n s e r v i c e Co n d e n s e r Tub e o f Fo s s i l Po we r Pl a nt 隋忠学 ， 郝竹 筠 吉林省 电力有 限公 司 电力科 学研 究院 ， 长春 l 3 0 0 2 1 摘要 在介绍超声导波的检测特点、 工作原理及超声导波在 国内外 的应用的基础 ， 详细 比较 _r 采川 超声导波与 涡流检测凝汽器管的优缺点 ， 得 出超声导波是一种新 型的快速评估管道缺 陷的检测技术 ， 具 有检测速度快 ， 检测效 率高 ， 不需 要对检测对象进行 预处 理等特点 ， 适合于在役凝汽器管的检验的结论。 关 键 词 凝 汽 器 管 ； 超 声 导 波 ； 无 损 检 测 中图分类号 T ； 1 l 5 ． 2 8 ； TK2 6 4 ． 1 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 9 5 3 0 6 2 0 1 2 0 3 0 0 0 6 0 3 火 力 发 电厂 凝 汽器 管 经常 发 生漏 泄 ， 影 响 循环 水水 质 和设备 出 力 ， 给 电厂带来 经 济损失 。 凝 汽器投 入运行后无法再进行有效检验 ， 传统的检测方法是 在安 装前 用 涡流检 验 。导波 检验是 国际上新 兴 的一 种快 速评 估管 道缺 陷 的检测技 术 。本 文介 绍 了导 波 检测 的特 点 、 检验 原 理 、 应 用 现状 ， 重 点介 绍 了在凝 汽 器管 检 测方 面 应 用 的可 行性 ， 为凝 汽 器 管 的在役 检验 提供 了检 测手 段 。 1 超声导波检测特点及工作原理 1 ． 1 超 声导 波的 特点 超声 导波 检测 技术 利用 低频扭 波或 纵波 可实 现 管 道长 距 离检 测 ， 包 括 对 于地 下埋 管 不 开挖 状 态 下 的 长距离 检测 ， 但 是对 于管 道检测 ， 在 一般管 壁厚 度 下要 产 生适 当的 波 型 ， 则 需 要 使 用 比常规 超 声 波探 伤 低 得 多 的 频 率 。 导 波 通 常 使 用 的 频 率 - 厂 l O 0 k H z ， 导波对单 个缺陷的检出灵 敏度与通常使 用频 率 在 兆赫 兹 级 别 的超 声 检测 相 比 比较 低 ， 但 是 导波检测的优点是能传播 1 0 0 m 以上的长距离而 衰减很小 ， 因此在一个位置固定脉冲回波阵列就可 做 大范 围的检 测 ， 特 别 适合 于 检 测在 役 管 道 的 内外 壁腐 蚀 以及焊 缝 处危 险性 大的缺 陷检 测 。低 频导 波 长 距离 超 声 检测 法 用 于管 道 在 役状 态 的快 速 检 测 ， 内外壁腐蚀可一次探测到 ， 也能检出管子断面的面 积型 缺 陷 。 超声 导波应 用 的主要 波型包 括扭 波 和纵波 。扭 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 ， 声能 受管 道 内部液体 影 响较小 。 在 导波 检 测时 ， 液体 在管 道 中流动 几乎不 影 响检测 效果 。 当管 子存在缺陷时 ， 通常能得到清晰的回波信号 ， 信号识 别较容易 。在应用中需要的换能器数量少、 质量轻 、 费用 较少 ， 因管 内液体 介 质而 产生 的扩散 效应 较小 ， 波型 转换 少 ， 检 测距 离长 ， 缺 陷检 出灵敏度 较 高 。 1 ． 2超声 导 波检测 的工 作原 理 超 声导 波 检测 的工 作原 理 探 头 阵 列 发 出一 束 超声能量脉 冲， 此脉冲充满整个 圆周方向和整个管 壁厚度 ， 向远处传播 。 导波传输过程 中遇到在径向截 面 上有 一定 面积 的缺 陷 时 ， 会 在缺 陷 处 返 回一 定 比 例的反射波， 因此可由同一探头阵列接收返 回信号 反射 波来 发现 和判 断缺 陷的大 小 。管壁 厚度 中的任 何变化 ， 无论内壁或外壁， 都会产生反射信号 ， 被探 头 阵列 接 收到 ， 因此 可 以检 出 管子 内外 壁 由腐 蚀 或 侵蚀 引起 的金 属 缺 陷 ， 根 据 缺 陷产 生 的 附加 波 型 转 换信 号 ， 可 以把 金 属缺损 与管 子外 形特 征 如焊缝 轮 廓 等 识 别开 来 。 2 超声导波检测在 国内外 的应用 收 稿 日期 2 0 1 2 - 0 4 1 0 作者简介 隋忠学 1 9 5 8 ， 男， 高级工程师 ， 从 事无损检 测研 究工作 。 6 美 国 、 英 国等 发达 国家 ， 已经 开展 了管 道 的长距 2 0 1 2年 O 6月 第 4 0卷 第 3期 总 第 2 2 0期 J u n ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ．3 Se r ． No． 2 2 0 离超声导波检测工作 。 其工作原理是 探头阵列发出 一 束 超 声脉 冲 ， 此 脉 冲充 斥 整个 圆周 方 向和 整个 管 壁厚度 ， 向远处传播 ， 导波传输过程 中遇到在径向截 面 上 仃一 定面 积 的缺 陷时 ， 导 波会 在 缺 陷处 返 回一 定 比例 的反射 波 ， 因此可 由 同一探 头 阵 列检 出返 回 信 号 反射波 来发 现和 判断 缺陷 的大小 。管壁厚 度 中的任何变化 ， 无论 内壁或外壁 ， 都会产生反射信 号 ， 被 探 头 阵列 接 收 ， 该 种 方 法 可 以检 出 管子 内、 外 壁 因腐蚀 引 起 的金 属 缺损 ， 根 据 缺 陷产 生 的 附加 波 型转换 信号 ， 可 以把金 属缺 损与 管子 外形 特征 如焊 缝轮廓等 识别开来。例如通过储槽坝壁 的管道检 测 ； 道 路交 叉 口地下 管道 的检测 ， 应 用现场 的超 声远 程检 测装 置与 超声导 波检 测显示 的 回波信 号检 测 。 吉林 省 电力 有 限公 司 电力 科学 研 究 院 以下简 称 吉林 电科 院 是 国内 电力 系 统最 早将 导波 技 术应 用 到实 际检验 中 的单 位 。 2 0 0 1年 国 电吉林 热 电厂在 1 4号 锅炉 省煤 器管 排 焊制 完毕 ， 做 水压 试 验 时发 现 焊 缝 附近 的管 子 开 裂 ， 经 分 析 是在 出厂 涡 流检 验 时 没有 去 除 2 0 0 mm 左右 的检 验盲 区导致 的 。 由于 无 法 确定 焊 缝两 端 的 管段 是 否 为原 始 管子 的端 头 ， 同 时管子 已经焊 制成 管排 ， 有 的还加 装 了防磨 瓦 ， 按 照 传 统 的检测 方法无 法检 验 。管排 最可 能 出现 的缺 陷 包 括裂 纹 、 内壁划 痕等 。用 射线检 测 ， 高低 温省煤 器 共 计 5 7 1 排 ， 成本 大 ， 而且效 果不 佳 ； 用 渗透 检测 ， 需 要 拆 除防磨 瓦 ， 进 行大 量 的打磨 ， 内壁 超标 划痕无 法 检 出 ； 磁粉检 测也 面 临着 同样 的问题 。 省煤 器管 的规 格 为 3 8 mm3 ． 5 mm， 横 波 和 纵 波检 测 都 不易 进 行 。 在 这种情 况 下 ， 吉林 电科 院应 用 了清华 大学设 计 制作 的周 向导波 探头 ， 用 1 O天 时间 就完成 了对 带 防 磨瓦的高低温省煤器管排的检验 ， 发现了裂纹、 内壁 划痕等缺陷， 确保了工期 ， 机组投运后运行稳定 。在 2 0 1 0年 6 月 ， 吉林 电科 院利用 同样 的技术 完 成 了对 国电吉林 龙华长 春热 电一 厂 6号锅 炉省煤 器 管排 的 检验 ， 效果 良好 ， 同时设计 的小径 管 导波检 测探 头 已 经 申报 了专利 。 这是 利用 周 向导 波进 行检 验 ， 导波检 测 更 大 的 优 势在 于利 用 纵 向导 波 对 管 道 进 行 快 速 检验 。 3 超声导波检测凝汽器管 的优缺点 现 在检 测 凝 汽器 管 主要 采 用 涡 流方 法 ， 采 用超 声 导波 与涡流 的方 法各有 优 缺点 ， 其对 比见 表 1 。 从 表 1可以看出， 在设备件数、 人力配备、 波形判别、 检 验速 度 、 现场人 员 配合 、 环 境要 求 、 检验 时机 、 可发 现 缺陷的位置、 探头接触位置等方面 ， 采用导波方法检 验凝 汽 器管 优 于 采用 涡 流 方法 检 验 ； 只 有在 可 发 现 缺 陷 的方 向方 面 ， 涡流 方 法优 于 导 波方 法 。综 合 来 看 ， 在选 择检 验凝 汽器 管 的方 法 时 ， 应优 先选 择超 声 导 波方 法 。 表 1 超 声导 波 与 涡 流 检 测 凝 汽 器 管 比较 比较 项 目 导波方法 涡流方法 设 备 人力配备 波形判别 检验速度 现场人员配合 环境要求 件数少 少 简单容易 快 少 低 件数 多 多 复杂 慢 多 高 检验时机 安 装前 和在役均 可 只能在安装前 可 发 现 缺 陷 的 位 置 夏 探 头 1 0 0 m 探 头 所 在 位 置 可发现缺陷 的方 向 环向、 径 向 环 向、 径向、 轴 向 探头接触位置 一端内壁即可 整根管子 的管壁 4 超声 导波检测 在役凝 汽器管的可行性 中 国科 学研 究 院 金属 所 的有关 研 究 人员 ， 在 实 验 室 对 直径 2 5 mm 的铬 镍 钛 系不 锈 钢 管 进行 导 波 试 验 ， 可 以发 现 1 8 0 m 外 的直 径 为 1 mm 的穿透 性 缺陷 。 利 用 4组 磁致伸 缩激 发导 波模 块 ， 并 且是 单端 非 液 体耦 合 内插 式 ， 为 在 役凝 汽 器 管 的超 声 导波 检 验技 术提供 了可行性 。 河北电力科学研究院用单端液体耦合 内插式单 一 探 头 折 射 产 生 导 波 的方 法 探 头 设 计 形 式 见 图 1 ， 在 实验 室进 行导 波试 验 ， 取 得 了较好 的效果 。该 方法 采 用压 电式 传感 器 ， 由于 压 电式 传感 器 使 用方 便 、 价格 低 廉 、 灵 敏度 高 等特 点 而 获得 了广 泛应 用 。 压电陶瓷传感器根据其结构 可分为斜探头、 直探头 和梳 状探 头 ， 不 同的探头 由于结构 不 同 ， 激励 导波 的 形式 和模 态也 不 同l 2 ] 。 用单端非液体耦合内插式的 4组磁致伸缩激发 导 波做 凝 汽器 管 导 波检 验 时 ， 应根 据 被 检测 管 材 品 种 计算 出 查 找 出 该 管 材 的频 散 曲线 ， 再根 据 频散 曲线选 择 合适 的 导 波模 态 ； 根 据所 选 模 态确 定 频厚 积 ， 再根据频厚积和管道 的厚度选择探伤频率 ， 同 时 ， 制做 对 比试 块 以确定 探伤 灵敏 度 。 7 ‘ 2 0 1 2年 6月 第 4 O卷 第 3期 总 第 2 2 0期 J u n ． 2 0 1 2 Vo1 ． 40 No． 3 Se r ． No． 2 20 引线 扣 外壳 图 1 内置 式 导 波 探 头 剖 面 用 单端液 体耦 合 内捕 式单 一探 头折射 产 生导波 的方 法 愉验 凝 汽 器管 时 ， 应根 据 被 检测 管 材 品种 查 找 出 该管 材 的频散 f H 1 线 ； 再 通 过频 散 曲线 选 择合 适 的导 波模 态 ； 所 选模 态确 定频厚 积后 ， 再根 据频 厚积 和管 道 的 厚度选 择 探 伤 频率 ； 以频 散 曲线 确 定相 速 度 ， 用 斯 涅儿定 律确 定探 头入射 角 ； 然后根 据频 率和 入射 角制 做导 波探头 ； 同时 ， 制做 对 比试块 确定 探伤 灵敏 度 锥角 技 术 用 于凝 汽 器 管 的 在 役 检 验将 成 为 一 种 应 用 广 泛 、 效 果 明显 的 实 用 检 测 技 术 。吉 林 省 电 力 系 统 2 0 0 MW 以上 大型 机组 近 5 0台 ， 每年 应 当检 验 的在 役凝汽器管为 5万余根 。开展普及凝汽器管导波检 验 工 作 ， 对预 防 凝 汽器 管漏 泄 ， 保 障 循 环水 水 质 ， 进 而减 少 因腐蚀 造 成 的四管泄 漏 ， 减少非 计划 停运 ， 具 有 重要 的现 实意 义 。 参 考 文 献 5 结 束语 [ 1 ] 杜好阳 ， 张春雷． 电站锅炉 小径管母 材缺陷检测 的导波 超 声 导 波 是 一 种 新 蛳陕 速 评 估 管 道 缺 陷 的 检 E23 辇 篡 用 J j． 测 技 术 ， 【 { J 于具 有 榆 测速 度 快 ， 检测 效 率 高 ， 不需 要 河北电力技术 ，2 l， 5 10 l l， 31 ． 对检 测 对象 进 行预 处 理 等特 点 ， 适 合 于在 役 凝 汽器 管 的榆 验 。 随着 超声 导波技 术 的不断 发展 ， 超声 导波 编辑 李健 平 上接 第 5页 ≥ i 0 9 9 4 k VA 绥 中 二 期 工 程 接 地 变 压 器 容 量 取 S l 2 5 kVA 。 2 ． 5实例 结果 分析 以往1 _ 程设 计 中 ， 由于封 闭母 线 、 变压 器 的电容 电流 占 的比例7 1 4 ／ J ， 往 往 可 以不 予 汁算 ， 对 结果 没有 影 响 。 以 l 计 箅 结果 表 明 ， 出 口装 设 断路器 后影 响较 大 ， 设 计计 算时 必须 加 以考虑 。 计 及 与不计 及发 电机 出 口断路 器影 响 汁算 结果 对照 表 2 。 根 据 以上 的 汁算 结 果 可 以看 出 ， 对 于发 电机 变 器 元接线 的工程 ， 发 电机 出 口装 没断路 器后 ， 断 路 器埘 发 电机 中性 点接 地设 备的选 择 计算 ， 无 论 8 表 2 计 及与不计 及发电机 出口断路器影响计 算结果对照 计算 内容 计及 出断路 器 不计及 出断路器 发电机 旧路 总电容／ F 0 ． 6 2 5 0 ． 2 3 5 发 电机 回路 总 容抗 ／ n 4 6 2 8 ． 4 1 2 2 9 2 发电机 同路电容电流／ A 1 0 ． 1 3 ． 8 发电机同路 阻性 电流／ A 1 0 ． 1 3 ． 8 发 电机 同路总 接地 电流 I 4． 7 5 ．3 8 ／ A 发 电机 中性点 接地接 地 ≤ 1 ． 5 6 取 1 ． 5 5 ≤ 4 ．1 5 取 4 电 阻 ／ g z 接地变压器容量／ k VA ≥9 9 ． 4 取 1 2 5 ≥3 8 ． 5 取 5 o 是接 地 电阻 还 是接 地 变压 器 都 有 很大 的 影 响 ， 在工 程设 计计算 中应 加 以考虑 。 编 辑 刘 文 千