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(1. 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院， 長沙410007；2.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司， 長沙 410004;3.湖南省湘電試驗研究院有限公司， 長沙 410004)

蘭姆波在檢測鍋爐受熱面管中的應(yīng)用

彭碧草1,2,龍毅1,2,周夢保2,3,何朋非2,3,曹智2,3,王澤湘2,3

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長沙410007；2.湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，長沙410004;3.湖南省湘電試驗研究院有限公司，長沙410004)

為提高火電廠鍋爐受熱面管檢測的可靠性和效率，研究了針對受熱面管吹損的超聲蘭姆波檢測技術(shù)。以4.00 mm壁厚的管材為例，通過求解頻散方程，分析了蘭姆波傳播的頻散特性。結(jié)果表明：聲束入射角為35.2°，激勵頻率為500 kHz時，對于未發(fā)生吹損的管材，S0和A0模態(tài)的端面回波在時間域上會連續(xù)疊加；對于發(fā)生吹損的管材，S0和A0模態(tài)的端面回波在時間域上存在間隔，通過時間間隔可判斷吹損程度。試驗結(jié)果為火電廠鍋爐受熱面管的檢測提供了一種高效高精度的無損檢測方法。

蘭姆波；鍋爐受熱面管；吹損；頻散分析

確保火力發(fā)電廠鍋爐受熱面的安全運(yùn)行是火電廠金屬技術(shù)監(jiān)督中最重要的工作[1]。對于高參數(shù)大容量機(jī)組，特別是超(超)臨界機(jī)組，機(jī)組在運(yùn)行過程中受吹灰器和煙氣的影響，受熱面管極易產(chǎn)生吹損。現(xiàn)階段鍋爐受熱面檢查以宏觀檢查為主，這種方法檢查效率低，對檢查人員責(zé)任心要求較高，并且目不能及之處會漏檢，從而給鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。因此研究一種高效率、高精度、全覆蓋的無損檢測方法具有重要的工程應(yīng)用價值。蘭姆波作為一種在厚度與其波長數(shù)量級相同的板狀導(dǎo)波介質(zhì)中傳播的由縱波和橫波不斷反射耦合形成的彈性波[2]，已被廣泛應(yīng)用于薄板類構(gòu)件的檢測中。國內(nèi)劉振清[3]最早系統(tǒng)介紹了蘭姆波的頻散特性，并對蘭姆波檢測的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。裴俊峰等[4]在此基礎(chǔ)上研究了試件厚度及密度的變化對蘭姆波相速度及群速度的影響，禹化民等[5]的研究表明根據(jù)試件選擇合適參數(shù)激勵蘭姆波，能避免單一模態(tài)檢測造成的漏檢。GUO等[6]的研究表明當(dāng)小規(guī)格管材的壁厚滿足條件時，管中也可產(chǎn)生并傳播蘭姆波，并能成功檢測金屬薄壁管材內(nèi)、外壁上深度為0.10 mm的人工刻槽缺陷。楊齊等[7]研究了超聲Lamb波對板材中氫鼓泡缺陷的檢測。邢耀淇等[8]研究了超聲導(dǎo)波對核燃料包殼管裂紋、分層等缺陷的檢測技術(shù)。現(xiàn)階段蘭姆波檢測的重點(diǎn)在于對板材裂紋、分層、鼓包等缺陷的檢測，對管道吹損減薄檢測案例方面的報道則較少。筆者以火力發(fā)電廠鍋爐受熱面中低溫再熱器管為研究對象，分析蘭姆波在對應(yīng)規(guī)格低溫再熱器管中傳播的頻散特性，通過群速度的變化獲得對厚度變化最敏感和最不敏感的兩種模態(tài)，利用兩種模態(tài)在管壁厚度變化時傳播速度不同的特點(diǎn)，檢驗蘭姆波在吹損管中的檢測效果。

1 試驗設(shè)計

1.1蘭姆波基本理論

蘭姆波是在具有兩個平行表面的構(gòu)件中由縱波和橫波相互疊加而成的一種應(yīng)力波，傳播時質(zhì)點(diǎn)振動受上下界面的影響，振動方式十分復(fù)雜。根據(jù)聲波質(zhì)點(diǎn)的振動特點(diǎn)可將蘭姆波分為兩種類型，一種為質(zhì)點(diǎn)做對稱運(yùn)動的對稱型蘭姆波(S)，一種為質(zhì)點(diǎn)做反對稱運(yùn)動的反對稱型蘭姆波(A)。每種類型的蘭姆波根據(jù)速度的不同又分為不同模態(tài)，如常見的低階模態(tài)(A0、A1、S0、S1)，以及高階模態(tài)(A2、S2、A3、S3)。上述模態(tài)蘭姆波的振動方式隨頻率、板厚等參數(shù)的變化而變化，蘭姆波波速與頻率、板厚的關(guān)系符合下述頻散方程。

對稱型(S)蘭姆波的頻散方程為

反對稱型(A)蘭姆波的頻散方程為

式中：cl、ct分別為試件中縱波與橫波的傳播速度；ω為圓頻率；h為試件厚度；k為導(dǎo)波波矢。

蘭姆波傳播時相速度與群速度間的關(guān)系可表示為

式中：cq、cp分別為蘭姆波的群速度與相速度。

從上述方程可知，在特定介質(zhì)中，蘭姆波聲速是頻率和板厚的函數(shù)。利用蘭姆波對試件進(jìn)行檢測時，首先需要確定頻率和聲束入射角。在檢測指定試件時，由于厚度值h不變，蘭姆波的聲速由頻率直接決定，實際上選定了頻率就意味著選定了入射角。

1.2蘭姆波檢測的頻率選擇

以火力發(fā)電廠壁厚為4.00 mm的受熱面管為例，探討蘭姆波在名義壁厚和壁厚減薄情況下的傳播特性。根據(jù)《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督檢查技術(shù)導(dǎo)則》要求，當(dāng)鍋爐受熱面管壁厚減薄超過設(shè)計壁厚30%時需對管段進(jìn)行更換處理，因此筆者選擇管子減薄超標(biāo)的臨界尺寸30%作為此次討論的最大減薄量，并一同討論在壁厚減薄10%，20%時蘭姆波的傳播特征。石歡等[9]的研究表明蘭姆波在小規(guī)格管材中的頻散特性與在平板中的頻散特性一致，因此上文給出的平板中的頻散方程同樣適用于小規(guī)格管材相關(guān)檢測參數(shù)的計算。

圖1 壁厚4.00 mm管材中的蘭姆波頻散曲線

超聲波在鋼材中的縱波聲速為5 700 m·s-1，橫波聲速為3 100 m·s-1，楔塊采用有機(jī)玻璃制作，縱波在楔塊中的傳播速度為2 700 m·s-1。根據(jù)式(1)～(5)求解獲得在名義壁厚(4.00 mm)下的頻散曲線如圖1所示。由圖1(a)可知，當(dāng)激發(fā)頻率小于600 kHz時，只存在S0、A0和A1 3種模態(tài)的蘭姆波，且在500 kHz附近上述3種模態(tài)蘭姆波的傳播速度基本一致，此參數(shù)下用蘭姆波進(jìn)行檢測時獲得的S0、A0和A1模態(tài)的端面回波在時域上會連續(xù)疊加。然而，SHEIRETOV等[10]研究表明除S0與A0模態(tài)蘭姆波能在任意頻率下傳播外，其他蘭姆波的傳播下截止頻率的存在，需群速度穩(wěn)定在一定頻率范圍內(nèi)才能以穩(wěn)定速度傳播，A1模態(tài)蘭姆波的截止頻率約為600 kHz。因此，當(dāng)檢測頻率小于600 kHz時，實際上傳播的只有S0和A0兩種模態(tài)；為了利用S0和A0模態(tài)在500 kHz時群速度相同，兩種模態(tài)的波在端面反射時會出現(xiàn)連續(xù)疊加的特性，筆者選用的檢測頻率為500 kHz。

當(dāng)受熱面管吹損減薄時，厚度對S0和A0兩種模態(tài)頻散特性是有影響的，通過計算獲得不同減薄量下(10%，20%和30%)S0和A0模態(tài)蘭姆波的頻散曲線，如圖2所示(圖中0%表示未出現(xiàn)減薄情況)。由圖2可知，A0模態(tài)的傳播速度，幾乎不隨壁厚的變化而變化，但S0模態(tài)蘭姆波在300 kHz～1.5 MHz頻段內(nèi),群速度對厚度的變化十分敏感。因此，在此參數(shù)下采用蘭姆波進(jìn)行檢測，當(dāng)管子發(fā)生吹損時，由于S0和A0模態(tài)端面回波在時間域上會產(chǎn)生間隔，儀器檢測理論上會顯示兩個回波;而當(dāng)管子未發(fā)生吹損時,S0和A0模態(tài)由于聲速相同，端面回波在時間域上是連續(xù)的，儀器檢測理論上只顯示一個回波，故在實際檢測中可通過回波的個數(shù)來判斷管子是否存在吹損。

圖2 受熱面管在不同壁厚減薄量下A0與S0模態(tài)蘭姆波的頻散曲線

1.3聲束入射角選擇

蘭姆波在不同試件中各模態(tài)的相速度及群速度不同，實際檢測中為了獲取特定模態(tài)的蘭姆波，在激勵過程中需計算探頭的聲束入射角，入射角的計算如式(6)所示。

式中：cl為縱波在楔塊中的傳播速度；cp為蘭姆波在被檢試件中的相速度。

由式(6)可知，當(dāng)楔塊中縱波的傳播速度一定時，只要確定蘭姆波在試件中的相速度，即可計算出聲束入射角。

2 試驗制備、方法與結(jié)果分析

2.1試驗制備與方法

取一根名義規(guī)格(外徑×壁厚)為φ63.5 mm×4.00 mm，總長度為1 000 mm，吹損長度為400 mm的受熱面管(吹損區(qū)域以20 mm的間隔對其進(jìn)行測厚，獲得20個點(diǎn)的厚度數(shù)據(jù)后取平均值，求得吹損區(qū)域的平均厚度為3.22 mm)和一根未吹損總長度1 000 mm的受熱面管，采用HS610e超聲探傷儀激勵500 kHz脈沖信號，探頭型號為OLYMPUS-0.5P-6×6KB。由圖1(b)可知在壁厚4.00 mm管中，S0模態(tài)相速度為4 688 m·s-1，將此速度代入式(6)求得聲束入射角為35.2°。試驗采用自發(fā)自收方式，試驗裝置連接示意如圖3所示，超聲探傷儀獲取回波信號后通過數(shù)據(jù)線連接至PC機(jī)后做定量分析。

圖3 試驗裝置連接示意

圖4 未吹損管與吹損管的S0和A0模態(tài)蘭姆波端面回波圖像

2.2檢測結(jié)果分析

通過HS610e超聲探傷儀采集蘭姆波回波信號，獲得不同厚度下(未吹損管壁厚4.00 mm，吹損管壁厚3.22 mm)S0和A0模態(tài)蘭姆波端面回波,如圖4所示。由圖4(a)可知端面回波只有一個波峰，這是由于S0和A0模態(tài)蘭姆波在此厚度下傳播速度一致，因此端面回波在時間域上出現(xiàn)了連續(xù)疊加。由圖4(b)可知端面回波存在兩個波峰，這是由于S0和A0模態(tài)蘭姆波在此厚度下傳播速度不同，此時S0模態(tài)蘭姆波傳播速度大于A0模態(tài)蘭姆波，因此端面回波在時間域上出現(xiàn)了時間間隔形態(tài)。

為進(jìn)一步對上述時間域上的間隔進(jìn)行定量分析，提取圖2中頻率為500 kHz的S0模態(tài)與A0模態(tài)蘭姆波在不同壁厚管子中的傳播速度，如表1所示。由表1可知，未發(fā)生吹損時，S0模態(tài)與A0模態(tài)蘭姆波的群速度基本一致;當(dāng)管壁厚度發(fā)生變化時，A0模態(tài)蘭姆波群速度基本穩(wěn)定在3 100 m·s-1左右，而S0模態(tài)蘭姆波的群速度從3 051 m·s-1劇烈增大至4 678 m·s-1(壁厚減薄量達(dá)30%時)，并且速度變化與減薄量成正比，減薄量越大S0模態(tài)與A0模態(tài)蘭姆波速度差異越大，兩個回波的時間間隔越大，通過時間間隔即可判斷受熱面管的吹損程度。

表1 不同模態(tài)蘭姆波的傳播速度 m·s-1

根據(jù)上文計算獲得此參數(shù)下理論時間間隔為72 μs，試驗中時間間隔為68 μs，誤差約為5.5%。由于試驗過程中未對蘭姆波模態(tài)信號進(jìn)行分離，S0與A0模態(tài)回波在端面反射時發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生高階次模態(tài)波。模態(tài)波的聲速差異，導(dǎo)致S0與A0在時域上產(chǎn)生疊加與偏移，使得回波波包的時域刻度加寬，從而導(dǎo)致S0與A0模態(tài)回波時間的確定產(chǎn)生誤差。如需準(zhǔn)確提取回波時間，還需采用信號處理方法提取S0與A0模態(tài)回波。

3 結(jié)論

(1) 對4.00 mm壁厚的受熱面管進(jìn)行蘭姆波頻散特性分析，得出結(jié)論：管子未發(fā)生吹損時，頻率為500 kHz時，S0和A0模態(tài)蘭姆波的傳播速度基本一致；管子壁厚發(fā)生變化時，A0模態(tài)蘭姆波傳播速度基本保持不變，S0模態(tài)蘭姆波傳播速度劇烈變化。

(2) 利用上述蘭姆波中S0和A0模態(tài)的傳播特性，將蘭姆波應(yīng)用于鍋爐受熱面管的吹損檢測中。試驗結(jié)果表明：管子未發(fā)生吹損時，S0和A0模態(tài)的端面回波在時間域上出現(xiàn)連續(xù)疊加；管子發(fā)生吹損時，S0和A0模態(tài)的端面回波在時間域上存在間隔，并且通過時間間隔大小可判斷吹損程度(減薄量)。

(3) 針對壁厚為4.00 mm的受熱面管，采用35.2°入射角和500 kHz的頻率能有效檢測出受熱面管的吹損缺陷;對于其他壁厚的受熱面管可采用類似的方法確定入射角和頻率,從而實現(xiàn)吹損的檢測。

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ApplicationofLambWaveinDetectingBoilerHeatingSurfaces

PENGBicao1,2,LONGYi1,2,ZHOUMengbao2,3,HEPengfei2,3,CAOZhi2,3,WANGZexiang2,3

(1.StateGridHunanElectricPowerCompanyResearchInstitute,Changsha410007,China;2.HunanXiangdianBoilerPressureInspectionCenterCo.,Ltd,,Changsha410004,China;3.HunanXiangdianBoilerTestResearchInstituteCo.,Ltd.,Changsha410004,China)

To increase the reliability and efficiency of ultrasonic inspection for the boiler heating surfaces, the ultrasonic lamb waves and their applications to the blowing inspection of blowing damages of heating surfaces were studied. The dispersion characteristics of lamb waves were analyzed by solving the dispersion equations in the pipes with a thickness of 4.00mm. The results showed that the echoes of S0 and A0 modes in the end face of non-blowing pipes were superimposed continuously at time domain, while the situation was different in the blowing pipes as the incident angle being 35.2° and the frequency being 500 kHz, and the extent of blowing damages in the pipes was decided by time interval of the two modes. A high accuracy and precision non-destructive testing method for the boiler heating surfaces was provided.

Lamb wave; noiler heating surfaces; blowing damage; dispersion analysis

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0064-04

2017-03-10

彭碧草(1982-),男，高級工程師，主要從事電力設(shè)備檢測和失效分析

何朋非， xiaofeiji529@163.com

10.11973/wsjc201710014