第22卷第7期2000年7月
无损检测NDT
Vo l. 22 N o. 7July 2000
仪器方法
小管道的内部超声检测
胡 超
(宁波大学, 宁波 315211)
摘 要 由超声传感器、反射镜和旋转机构等组成的微型探头, 可伸进内径为10～70mm 的小管道, 用水浸方式对管道进行扫描检查, 并将信号传向探伤仪或计算机, 实现对管壁厚度、内外壁损耗、裂缝以及其它参数的检测。
主题词 超声检验 管道 裂纹 厚度检测
INNER ULTRASONIC TESTING FOR SMALL TUBES
Hu C hao (Ning bo U niv ersity )
Abstract T he micr o -pr obe com po sed o f ultr asonic t ransducer , r eflecto r and r otat ing element can be used t o do im mersio n scanning in the small tubes w ith 10～70mm inner diameter s, by which sig nals can be transfer ed t o instr ument or micro computer to test the tube w all t hickness, the loss and cr acks o f inner and o uter surfaces of tubes and other pa ramet er s .
Keywords U ltr asonic testing T ube Crack T hickness measur ement
某些小管道, 如电厂的锅炉、压缩机中的管道, 由于其结构特点, 希望在不拆卸的情况下进行维修检查, 但这种检查在管道外部难以实现, 理想的方法是将探头伸进管道内部来进行检测。对于小的薄型金属管, 以往常采用内部电涡流法检测, 但对导磁材料的管道, 其磁导率分布不均匀, 难以获得精确的检测结果; 对管壁较厚的管道, 电涡流检测会受到很多限制。为此新日本非破坏检查公司研制出一种内部超声波检测装置[1], 以实现对管道快速有效的检查。作者于1998年上半年在日本参加了无损检测的研修, 曾在此公司学习, 本文就此作一介绍。
适用材料:金属及非磁性材料
2 系统构成
系统由超声探头、卷取机、水泵、探伤仪、便携式计算机和记录仪组成(图1)
。
1 系统的主要指标
测量参数:管壁厚度、内外壁损耗、裂缝以及轴向和周向截面形状
测量范围:管壁厚度0. 5～20m m 测量精度:±0. 1m m 适用管内径:10～70mm
测量速度:最大500mm /s (内径35m m , 马达驱动)
弯管半径:最小200m m 测量长度:15m(连续测量) 图1 系统原理图
超声探头由超声传感器、反射镜、旋转机构(分马达驱动和水涡轮驱动) 和连接器等组成, 这些元件都装在密封圆管内。图2所示为马达驱动式超声探头。微型马达通过齿轮带动连接器转动, 连接器上装有不锈钢制成的超声反射镜, 超声传感器发出超声波被反射并旋转, 从而实现对被检对象的扫查。超声探头分直管和弯管两种, 直管探头的各部分硬联接, 弯管探头各部分则用弹簧管柔性联接, 可用于检测弯曲半径>200mm 的管子。
图4
完好管子的情况
图2 超声探头结构简图
工作时, 水泵通过缆线中的水管将超声探头快速地推进被测管道中, 并使其周围充满水, 即采用水浸式工作方式。探头到达被测管道的尽头时, 卷取机卷动缆线将探头收回。同时, 探伤仪控制反射镜绕轴线旋转, 并发出频率为10～20M Hz 的超声波脉冲, 此信号经管壁反射后, 送回到探伤仪中。操作者可从探伤仪的CRT 显示器上观测反射信号, 从而了解管壁的厚度及损伤情况。
检测过程中, 计算机可实时地接收从探伤仪传出的信号, 自动进行处理和计算, 给出各种被测参数和管道的截面图、损伤图。也可用记录仪进行记录。
图5
外壁减薄的情况
图6 内壁减薄的情况
个管子的壁厚变化情况, 并能显示任一截面图。
4 裂缝的检测
[2, 3]
3 壁厚的检测
[2, 3]
壁厚的检测采用直管探头。测量时, 选择与管内径相配的支撑片, 将探头置于管子中间。如图3所示, 超声波脉冲由传感器发出, 经旋转反射镜反射到管壁上, 在管壁内外面又发生反射, 按原路线返回, 被传感器接收。根据管壁内外面反射信号的情况, 可
判断管壁的厚度变化。
当裂缝平面与圆周面平行或接近平行时, 检测方法与壁厚的检测相似。如图7所示, 由于裂缝位于内外管壁之间, 产生的反射波将出现在内外壁响应信号S 1和S 2
之间。
图7 平行于圆周面的裂缝检测
图3 检测示意图
当裂缝平面与圆周面不平行时, 往往不用反射镜, 而用超声探头直接对裂缝进行检测。将裂缝大致分为轴向(裂缝与管道轴线平行) 和周向(裂缝与管道轴线垂直) 两种, 为获取较大的信号, 超声传播方向应尽可能与裂缝平面垂直, 所以对裂缝的检测方法也有两种。对轴向裂缝的检测如图8所示, 这时探头轴线和发出的超声信号与管子轴线垂直, 但探头偏离轴线一定距离, 并绕轴线旋转, 经调整, 超声信号经管壁表面折射后, 与裂缝方向垂直(或接近垂直) 。对管外壁裂缝采用直接反射法(图8a) , 对内壁裂缝采用二次反射法(图8b) 进行检测。
周向裂缝的检测如图9所示, 由于裂缝与管子
设完好的管子在CRT 上的波形显示如图4所示, S 1, S 2表示管内外壁响应信号。当波形变化如图5所示, S 1不动, S 2向S 1方向移动, 则说明外壁减薄; 当波形变化如图6所示, S 2不动, S 1向S 2方向移动, 则说明内壁减薄。
由于检测过程中, 探头不断移动, 反射镜由微电机控制转动, 所以计算机可完整准确地计算、
记录整
(上接第309页)
的检测, 并进行了解剖, 结果表明误差基本上能控制在5～10mm 范围内。
我们在两个剥离间隙较小, 检测时又想分别标出边界的情况下, 在模拟试块和容器试块上作了一些尝试。在基体侧探测, 探头从剥离中心先向外移动时, 缺陷波明显下降, 底波出现并明显上升, 继续向外移动, 缺陷波没消失却又上升, 这样以底波最高时, 探头中心点左右各5m m 定为两剥离边界的间隙距离。在堆焊层侧检测, 探头从剥离中心向外移动时, 缺陷波逐渐下降, 在波形尚未消失时(高度约为10%～20%) , 缺陷波又逐渐升高。此时以缺陷波最低时, 探头中心点左右各5m m 作为两剥离边界的间隙距离。
经与实际解剖结果相比较, 剥离边界间隙在8～15m m 时, 可以区分。
(a ) 外壁轴向裂缝(b ) 内壁轴向裂缝
图8
轴向裂缝检测
(a) 外壁周向裂缝(b) 内壁周向裂缝
图9 周向裂缝检测
5 小结
目前国内热壁加氢反应器越来越多, 制订一个氢剥离的在役检验行业标准是非常必要的。
(1) 合理选择有代表性的部位检测, 如温度、压力波动较大区域(如冷氢段) , 内壁制造时返修较多部位, 停车降温时, 温度下降较快、厚度较小的封头处等作为检测重点, 视检测结果决定是否扩检。(2) 外壁检验时最好在筒体上调节灵敏度, 否则会造成很大误差, 此误差主要是由标准试块与容器筒体晶粒度差异而造成。笔者在检验工作中还发现, 即使同一容器两个筒节之间也有差异, 这也是造成内、外壁检测结果不一致的主要原因之一。
(3) 为了使检测结果有一个可比性, 应使用同一型号探头、同一测长方法和同一灵敏度调节方法进行再检测。
收稿日期:1999-12-02
轴线垂直, 检测时将探头轴线与管子轴线偏转一个
角度, 这样超声信号以一定角度入射管壁内表面, 折射后也与裂缝方向垂直(或接近垂直) 。同样也可采用直接反射法(图9a ) 和二次反射法(图9b ) 对外壁和内壁裂缝进行检测。探头绕管子轴线转动, 并沿轴线方向移动, 从而实现对管壁的扫描式检查。检查结果经处理后可由计算机显示, 并按标准格式打印。
参
考
文
献
1 新日本非破坏检查株式会社. 火力发电设备 非破坏检
查新技术介绍资料. 北九州, 日本, 1996.
2 中国机械工程学会无损检测学会. 无损检测概论. 北京:
机械工业出版社, 1993. 3 张俊哲等. 无损检测技术及其应用. 北京:科学出版社,
1993.
收稿日期:1998-09-18
(上接第333页)
(a) 检验参数规定 射线源的能量与透射方向、成象几何、扫描、图象处理与显示参数。
(b) 辅助措施 射线束的准直与滤波、工件的遮蔽及其它控制散射线措施。
(c) 质量控制 采用象质计(E747, E1025) 显示图象质量, 象质计的选择、数目和放置等应符合标准的规定。
(d ) 标记 图象应有定位标志和识别标志。(4) 系统性能鉴定与监测系统的性能在检验前应进行鉴定, 在检验过程中应定期核查。
上述规定与要求可保证焊件和铸件射线实时成象检验结果的可靠性和稳定性。
图7-6给出的是射线实时成象检验系统在低电压下的丝型象质计灵敏度(WPS ) 一例, X 射线机的焦点尺寸为0. 3m m , 使用的是178mm (7in ) 图象增强器, 透照布置的放大倍数为3。
收稿日期:2000-01-28
第22卷第7期2000年7月
无损检测NDT
Vo l. 22 N o. 7July 2000
仪器方法
小管道的内部超声检测
胡 超
(宁波大学, 宁波 315211)
摘 要 由超声传感器、反射镜和旋转机构等组成的微型探头, 可伸进内径为10～70mm 的小管道, 用水浸方式对管道进行扫描检查, 并将信号传向探伤仪或计算机, 实现对管壁厚度、内外壁损耗、裂缝以及其它参数的检测。
主题词 超声检验 管道 裂纹 厚度检测
INNER ULTRASONIC TESTING FOR SMALL TUBES
Hu C hao (Ning bo U niv ersity )
Abstract T he micr o -pr obe com po sed o f ultr asonic t ransducer , r eflecto r and r otat ing element can be used t o do im mersio n scanning in the small tubes w ith 10～70mm inner diameter s, by which sig nals can be transfer ed t o instr ument or micro computer to test the tube w all t hickness, the loss and cr acks o f inner and o uter surfaces of tubes and other pa ramet er s .
Keywords U ltr asonic testing T ube Crack T hickness measur ement
某些小管道, 如电厂的锅炉、压缩机中的管道, 由于其结构特点, 希望在不拆卸的情况下进行维修检查, 但这种检查在管道外部难以实现, 理想的方法是将探头伸进管道内部来进行检测。对于小的薄型金属管, 以往常采用内部电涡流法检测, 但对导磁材料的管道, 其磁导率分布不均匀, 难以获得精确的检测结果; 对管壁较厚的管道, 电涡流检测会受到很多限制。为此新日本非破坏检查公司研制出一种内部超声波检测装置[1], 以实现对管道快速有效的检查。作者于1998年上半年在日本参加了无损检测的研修, 曾在此公司学习, 本文就此作一介绍。
适用材料:金属及非磁性材料
2 系统构成
系统由超声探头、卷取机、水泵、探伤仪、便携式计算机和记录仪组成(图1)
。
1 系统的主要指标
测量参数:管壁厚度、内外壁损耗、裂缝以及轴向和周向截面形状
测量范围:管壁厚度0. 5～20m m 测量精度:±0. 1m m 适用管内径:10～70mm
测量速度:最大500mm /s (内径35m m , 马达驱动)
弯管半径:最小200m m 测量长度:15m(连续测量) 图1 系统原理图
超声探头由超声传感器、反射镜、旋转机构(分马达驱动和水涡轮驱动) 和连接器等组成, 这些元件都装在密封圆管内。图2所示为马达驱动式超声探头。微型马达通过齿轮带动连接器转动, 连接器上装有不锈钢制成的超声反射镜, 超声传感器发出超声波被反射并旋转, 从而实现对被检对象的扫查。超声探头分直管和弯管两种, 直管探头的各部分硬联接, 弯管探头各部分则用弹簧管柔性联接, 可用于检测弯曲半径>200mm 的管子。
图4
完好管子的情况
图2 超声探头结构简图
工作时, 水泵通过缆线中的水管将超声探头快速地推进被测管道中, 并使其周围充满水, 即采用水浸式工作方式。探头到达被测管道的尽头时, 卷取机卷动缆线将探头收回。同时, 探伤仪控制反射镜绕轴线旋转, 并发出频率为10～20M Hz 的超声波脉冲, 此信号经管壁反射后, 送回到探伤仪中。操作者可从探伤仪的CRT 显示器上观测反射信号, 从而了解管壁的厚度及损伤情况。
检测过程中, 计算机可实时地接收从探伤仪传出的信号, 自动进行处理和计算, 给出各种被测参数和管道的截面图、损伤图。也可用记录仪进行记录。
图5
外壁减薄的情况
图6 内壁减薄的情况
个管子的壁厚变化情况, 并能显示任一截面图。
4 裂缝的检测
[2, 3]
3 壁厚的检测
[2, 3]
壁厚的检测采用直管探头。测量时, 选择与管内径相配的支撑片, 将探头置于管子中间。如图3所示, 超声波脉冲由传感器发出, 经旋转反射镜反射到管壁上, 在管壁内外面又发生反射, 按原路线返回, 被传感器接收。根据管壁内外面反射信号的情况, 可
判断管壁的厚度变化。
当裂缝平面与圆周面平行或接近平行时, 检测方法与壁厚的检测相似。如图7所示, 由于裂缝位于内外管壁之间, 产生的反射波将出现在内外壁响应信号S 1和S 2
之间。
图7 平行于圆周面的裂缝检测
图3 检测示意图
当裂缝平面与圆周面不平行时, 往往不用反射镜, 而用超声探头直接对裂缝进行检测。将裂缝大致分为轴向(裂缝与管道轴线平行) 和周向(裂缝与管道轴线垂直) 两种, 为获取较大的信号, 超声传播方向应尽可能与裂缝平面垂直, 所以对裂缝的检测方法也有两种。对轴向裂缝的检测如图8所示, 这时探头轴线和发出的超声信号与管子轴线垂直, 但探头偏离轴线一定距离, 并绕轴线旋转, 经调整, 超声信号经管壁表面折射后, 与裂缝方向垂直(或接近垂直) 。对管外壁裂缝采用直接反射法(图8a) , 对内壁裂缝采用二次反射法(图8b) 进行检测。
周向裂缝的检测如图9所示, 由于裂缝与管子
设完好的管子在CRT 上的波形显示如图4所示, S 1, S 2表示管内外壁响应信号。当波形变化如图5所示, S 1不动, S 2向S 1方向移动, 则说明外壁减薄; 当波形变化如图6所示, S 2不动, S 1向S 2方向移动, 则说明内壁减薄。
由于检测过程中, 探头不断移动, 反射镜由微电机控制转动, 所以计算机可完整准确地计算、
记录整
(上接第309页)
的检测, 并进行了解剖, 结果表明误差基本上能控制在5～10mm 范围内。
我们在两个剥离间隙较小, 检测时又想分别标出边界的情况下, 在模拟试块和容器试块上作了一些尝试。在基体侧探测, 探头从剥离中心先向外移动时, 缺陷波明显下降, 底波出现并明显上升, 继续向外移动, 缺陷波没消失却又上升, 这样以底波最高时, 探头中心点左右各5m m 定为两剥离边界的间隙距离。在堆焊层侧检测, 探头从剥离中心向外移动时, 缺陷波逐渐下降, 在波形尚未消失时(高度约为10%～20%) , 缺陷波又逐渐升高。此时以缺陷波最低时, 探头中心点左右各5m m 作为两剥离边界的间隙距离。
经与实际解剖结果相比较, 剥离边界间隙在8～15m m 时, 可以区分。
(a ) 外壁轴向裂缝(b ) 内壁轴向裂缝
图8
轴向裂缝检测
(a) 外壁周向裂缝(b) 内壁周向裂缝
图9 周向裂缝检测
5 小结
目前国内热壁加氢反应器越来越多, 制订一个氢剥离的在役检验行业标准是非常必要的。
(1) 合理选择有代表性的部位检测, 如温度、压力波动较大区域(如冷氢段) , 内壁制造时返修较多部位, 停车降温时, 温度下降较快、厚度较小的封头处等作为检测重点, 视检测结果决定是否扩检。(2) 外壁检验时最好在筒体上调节灵敏度, 否则会造成很大误差, 此误差主要是由标准试块与容器筒体晶粒度差异而造成。笔者在检验工作中还发现, 即使同一容器两个筒节之间也有差异, 这也是造成内、外壁检测结果不一致的主要原因之一。
(3) 为了使检测结果有一个可比性, 应使用同一型号探头、同一测长方法和同一灵敏度调节方法进行再检测。
收稿日期:1999-12-02
轴线垂直, 检测时将探头轴线与管子轴线偏转一个
角度, 这样超声信号以一定角度入射管壁内表面, 折射后也与裂缝方向垂直(或接近垂直) 。同样也可采用直接反射法(图9a ) 和二次反射法(图9b ) 对外壁和内壁裂缝进行检测。探头绕管子轴线转动, 并沿轴线方向移动, 从而实现对管壁的扫描式检查。检查结果经处理后可由计算机显示, 并按标准格式打印。
参
考
文
献
1 新日本非破坏检查株式会社. 火力发电设备 非破坏检
查新技术介绍资料. 北九州, 日本, 1996.
2 中国机械工程学会无损检测学会. 无损检测概论. 北京:
机械工业出版社, 1993. 3 张俊哲等. 无损检测技术及其应用. 北京:科学出版社,
1993.
收稿日期:1998-09-18
(上接第333页)
(a) 检验参数规定 射线源的能量与透射方向、成象几何、扫描、图象处理与显示参数。
(b) 辅助措施 射线束的准直与滤波、工件的遮蔽及其它控制散射线措施。
(c) 质量控制 采用象质计(E747, E1025) 显示图象质量, 象质计的选择、数目和放置等应符合标准的规定。
(d ) 标记 图象应有定位标志和识别标志。(4) 系统性能鉴定与监测系统的性能在检验前应进行鉴定, 在检验过程中应定期核查。
上述规定与要求可保证焊件和铸件射线实时成象检验结果的可靠性和稳定性。
图7-6给出的是射线实时成象检验系统在低电压下的丝型象质计灵敏度(WPS ) 一例, X 射线机的焦点尺寸为0. 3m m , 使用的是178mm (7in ) 图象增强器, 透照布置的放大倍数为3。
收稿日期:2000-01-28