超声相控阵技术在电力工业无损检测中的应用.docx

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李铁民
【摘 要】无损检测是工业发展必不可少的有效工具,在一定程度上反映了一个国家的工业发展水平,无损检测的重要性已得到公认。超声检测是无损检测领域的一个重要分支。与其他检测方法相比,超声检测具有适用性强、穿透力好、设备便携、操作安全等优势,得到了最为广泛的应用。本文就超声相控阵技术在电力工业无损检测中的应用展开探讨。
【Key】超声相控阵;常规超声;电力工业
引言
超声相控阵技术的基本思想来自于雷达电磁波相控阵技术。初期,超声相控阵技术仅应用于医疗行业。之后,随着技术的发展,超声相控阵技术开始应用于工业无损检测中。近年来,随着压电复合材料、微加工、微电子等技术的发展,超声相控阵超声检测技术在工业无损检测领域取得了突破性的进展。
1超声相控阵技术的原理及特点
超声波检测相控阵技术,是通过控制换能器阵中各阵元的激励脉冲时间延迟,改变由各阵元发射(或接收)声波到达(或来自)物体内某点时的相位关系,达到聚焦和声束偏转的效果,实现缺陷检测的技术川。超声相控阵作为无损检测的新技术,依靠电子控制的一两个相控阵探头,就可以完成以前需要多元复合探头阵列才能进行的体内检测,在更短的时间内彻底扫描整个被检测物体的内部缺陷。超声相控阵检测技术是利用延迟电路的电子技术来控制相控阵探头合成,实现超声波发射、接收的方法。相控阵探头有多个小晶片,每一个晶片被独立地激发,根据各晶片相对于被检测目标的不同声程,施加不同的延迟时间,以实现声束的角度和聚焦点的变化。普通超声波一次只能使用一种角度的探头检测,相控阵检测技术可以通过电子方式控制探头声束角度在一70度-70度或0度-90度(增加楔块)内任意偏转,形成扇形扫查,或者以合适的角度形成线形扫查,扫查时可以同时进行声束聚焦,以增加灵敏度和测量精度。与普通超声波检测技术相比,超声相控阵检测优点如下:(1)对焊缝可实现机械扫查,检测速度快,重复性好,可实时显示,检测结果直观;(2)可检测复杂形状的工件或难以接近的部位;(3)缺陷定位准确,检测灵敏度高;(4)仅用1个小型电子控制的多晶片探头即可实现多角度扫查。
2超声相控阵技术在电力工业中的应用

电厂管道特别是主蒸汽管道、再热热段蒸汽管道、主给水管道和再热冷段蒸汽管道对接焊缝在运行过程中承受着较高的温度和压力,一旦泄露,轻者造成机组停机,重者导致人身伤亡,因此,加强管道对接焊缝的检测显得尤为重要。
对接焊缝坡口一般有V型、U型、双V型三种形式。采用传统的超声波探伤方法对管道对接焊缝进行检测时,探头要在焊缝两侧频繁移动,检测过程十分复杂。采用相控阵超声探头检测对接焊缝时,可通过扫描仪和编码器实现对接焊缝的全体积扫描。在检测过程中,关键检测参数由软件自行设定,不需要更换探头,不需要频繁地来回移动探头,也不需要复杂的夹紧装置。需要注意的是,只有保证探头楔块前端与焊趾之间的距离,才能保证探头发出的声束能覆盖整个被检截面,然后沿焊缝轴线纵向移动即可完成检测。

发射过程,探伤仪将触发信号送到相控阵控制器,控制器将信号变成稳定的高压电脉冲,脉冲宽度及时间延迟预先设定和界定,每个晶片只能接收一个电脉冲,所产生的超声波波束有一定角度并聚焦在一定深度,该波束遇到缺陷时有反射回波,由相控阵控制器接收,并变换时间变成脉冲信号,传到探伤仪。把有微小时差的电脉冲分别激励,阵列探头的各单元(晶片),来自材料某一焦点的缺陷回波以可计算的时差返回各换能器单元。信号汇合前各换能器单元接收的回波信号均有时差,汇合应形成的扫描图形,声速垂直和倾斜入射时的聚焦原理,每个单元上的延时取决于相控阵,阵列探头,激励单元的“窗口”,尺寸,波形,折射角和聚焦深度。

接管座角焊缝作为电站锅炉检验中的重点检验和监测部位,其质量优劣直接影响电站锅炉运行的安全可靠性。角焊缝在焊接过程中常出现未焊透、未融合和裂纹等面积型缺陷。由于超声波检测对此类缺陷十分敏感,检测灵敏度较高,常规超声波检测成为目前管座角焊缝常用的内部检测方法。但是,由于接管座
角焊缝坡口形状和结构较为复杂,利用超声波进行检测时,易受到管座曲率、壁厚和马鞍状焊缝形式的影响,加之探测位置的局限,常规超声波检测面临着缺陷信号识别难度大、缺陷的定位困难及难以确保焊缝完整覆盖等问题。利用模拟仿真软件,将超声相控阵检测技术应用于对管座角焊缝的检测,并配备扫查器实现自动化检测。通过对比可知,利用超声相控阵检测技术能确保检测质量。

在超声相控阵检测中,增大阵列孔径是提高分辨率的有效途径之一,但仅靠增加阵元数目来增大孔径会导致系统复杂度的增加,于是稀疏阵列的研究应运而生。稀疏阵列的目的是在不增加或少增加阵元数目的前提下增大阵列孔径,实现高分辨率检测,具有阵元间互辐射小、易加工、成本低等优势。与满阵相比,稀疏阵列具有较少的阵元数,但由于其稀疏排列的特性,使其有效孔径与满阵基本保持一致,从而在降低硬件成本的情况下使阵列的脉冲回波响应具有良好的综合声学性能。稀疏阵列的优化设计过程,实际为从多种不同的阵元组合中选取最优的过程。阵列组合的优劣一般由脉冲回波响应的声学性能來评价,即综合主瓣特性与旁瓣特性设计优化目标函数。最优化的方法主要包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。稀疏矩阵是使用较少通道获得大孔径检测的有效途径,已逐渐成为超声相控阵研究中的关键问题。

火力发电厂锅炉过热器、省煤器、水冷壁、再热器管称为锅炉“四管”。一般情况下,受热面管通常称为小径管,所用直径为32~89mm,管壁为4~12mm。近年来,超临界、超超临界机组不断增多,机组在运行过程中受到的温度、压
力不断增加,对所用的小径管质量提出了越来越高的要求。锅炉“四管”因为长期处于高温、高压的环境中,极易产生高温蠕变、内壁水侧腐蚀、外壁向火侧腐蚀、外壁侵蚀及磨损和疲劳,严重者会导致爆管事件,影响机组的安全稳定运行,给电厂带来巨大的经济损失。常规超声检测耦合性差、声速扩散、反射率低,只能以固定角度反射声速,存在一定的盲区。同时,由于电站锅炉***管排比较密集,空间狭窄,不适合窄位置运行,检测效率和缺陷检测效果不能满足工作要求。采用相控阵超声检测传感器和楔块设计,利用超声相控阵检测技术检测锅炉***管道对接焊缝,可实现电厂锅炉受热面管道焊缝裂纹的多角度、盲区扫描,且检测灵敏度高,可有效消除相关隐患。另外,在电力工业建设和检修中,对粗晶奥氏体钢也可以使用超声相控阵检测,应用超声相控阵技术可以检测到不同深度的缺陷。
结语
伴随着相控阵系统设计、系统仿真、生产与测试和应用等已取得一系列进展,超声相控阵技术的特点及在众多富有挑战性检测中的成功应用,使之成为超声检测的重要方法之一。由于它可以灵活而有效地控制声束,使之具有广阔的应用与发展前景,将其同信号分析与处理、数字成像和声时衍射等技术结合起来,将有助于改善检测的可能性和适用性,提高检测的精确性、重现性及检测结果的可靠性,增强检测的实时性和直观性,促进无损检测与评价的应用及发展。
Reference:
[1][M].西安:西安交通大学出版社,2015.
[2][J].国外电子测量技术,2015(7):28-30.
(作者单位:哈尔滨泰斯特检测有限责任公司)
科学导报·科学工程与电力2019年22期
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