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傳統(tǒng)的無損檢測方法因其效率低，難以發(fā)現(xiàn)特殊位置及特殊狀態(tài)時設(shè)備和零件的缺陷等制約了其發(fā)展。近年來新型的爬波檢測技術(shù)以其高效和可發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷的特點引起了人們的關(guān)注。文章介紹爬波檢測厚壁管內(nèi)壁缺陷的原理、研究步驟、研究的目的和意義、市場需求前景、創(chuàng)新點和技術(shù)水平。

1爬波檢測的原理

傳統(tǒng)的無損檢測方法因其效率低，難以發(fā)現(xiàn)特殊位置及特殊狀態(tài)時設(shè)備和零件的缺陷等制約了其發(fā)展。近年來新型的爬波檢測技術(shù)以其高效和可發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁缺陷的特點引起了人們的關(guān)注，但是在許多文獻中并沒有詳細的介紹爬坡原理，而是把它講的非常抽象復(fù)雜難懂。

爬波：在第一臨界角產(chǎn)生的并以縱波沿表面?zhèn)鞑サ牟�。爬波的產(chǎn)生通常是超聲波由聲速小的介質(zhì)向聲速大的介質(zhì)中入射，當超聲縱波的折射角為90°時，產(chǎn)生爬波。然而爬波爬不遠。如圖1所示，當αL=αⅠ時，折射縱波聲軸折射角β=900。殘留在第二介質(zhì)的“爬波”的最小折射角約為80度左右，它們與折射縱波聲軸夾角大約為100，接近零值半擴散θo，聲壓自然很低；再加上第二界面的分散折射，使折射波線向各方向上的聲壓普遍降低，這是爬波可檢測距離很小、爬不遠的原因。據(jù)說，“爬波”的回波波幅，與始脈沖幅度之間，可能有與距離4次方成反比的關(guān)系。

而在此研究中，超聲波從鋼中向空氣中入射，在弧形的介質(zhì)界面上產(chǎn)生爬波。這種現(xiàn)象的提出較少出現(xiàn)在文獻中，其可靠性和轉(zhuǎn)換機制需要進一步研究。另外，爬波的檢測范圍較短，其靈敏度能否滿足檢測要求，都需在標準試塊上進行核實。

2研究步驟

2.1研究厚壁管內(nèi)壁上超聲體波向爬波的轉(zhuǎn)換機制

首先利用數(shù)值方法模擬超聲波在厚壁管內(nèi)的傳播過程，明確傳播過程中超聲波的屬性，觀察超聲體波在內(nèi)壁上轉(zhuǎn)換為爬波的現(xiàn)象。然后，利用實驗方法來驗證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。實驗中通過觀察特征信號和回波信號，得到超聲波的傳播速度來判定超聲波的屬性。最后，通過幾何聲學理論確認爬波的轉(zhuǎn)換機制。

2.2設(shè)計超聲波在厚壁管內(nèi)壁上傳播的幾何聲路

為了使超聲體波在內(nèi)壁上能夠轉(zhuǎn)換為爬波，超聲體波在內(nèi)壁上的入射角應(yīng)確保在一定的數(shù)值內(nèi)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和幾何聲學理論，設(shè)計出合理的入射角度，并在標準試塊上進行試驗。

2.3研制爬波檢測用超聲探頭

為了研制出較好性能的爬波探頭，需要優(yōu)選出匹配的探頭參數(shù)：頻率、入射角度、晶片尺寸等。首先，利用有限元方法找出參數(shù)的大致范圍，然后利用正交試驗的方法制作一批探頭，在標準試塊上確定出最優(yōu)的參數(shù)組合。

3研究的目的、意義

厚壁管也稱厚壁鋼管，把鋼管外徑和壁厚之比小于20的鋼管稱為厚壁鋼管。石油、化工、電力等行業(yè)中存在著大量的厚壁管，這些管道起著輸送介質(zhì)、傳導(dǎo)能量的作用。隨著運行時間的增加，會逐漸出現(xiàn)腐蝕坑、裂紋、點蝕群等缺陷。一旦厚壁管出現(xiàn)破裂或失效，將會造成重大的安全事故。厚壁管道的常規(guī)超聲檢測方法需要逐點掃查被檢工件，導(dǎo)致工作量巨大，效率低下，成本高，甚至有些部位由于探頭無法接觸到導(dǎo)致無法檢測，所以利用傳統(tǒng)超聲方法很難實現(xiàn)快速、可靠、全面的檢測。因此，急需一種新的無損檢測方法來解決厚壁管內(nèi)壁缺陷的檢測難題。

爬波又稱為表面下縱波，是縱波以第一臨界角入射時在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的一種非均勻波。由于這種波傳播時，大部分能量主要集中在表面下某個范圍內(nèi)，且不同于表面波，對工件表面粗糙度不敏感，因此適用于檢測粗糙表面下的缺陷。本課題提出在厚壁管外側(cè)激勵出在內(nèi)壁上傳播的爬波檢測技術(shù)，具有長距離、對表面和近表面缺陷敏感的優(yōu)點，可以很好地實現(xiàn)快速、全面的厚壁管內(nèi)壁缺陷檢測。超聲體波在弧形表面轉(zhuǎn)換為爬波的機制鮮有研究，仍是一個新穎的、前沿的研究課題，具有重大的工程和科學研究價值。

4市場需求前景

厚壁管常見于鍋爐給水管道、主蒸汽管道、再熱器冷段和熱段管道等，在化工廠和電廠中占較大的比例。一旦厚壁管出現(xiàn)破裂或失效，將會造成重大的經(jīng)濟和安全事故。如：元寶山熱電廠2#機組投入運行的10年期間，共發(fā)生泄漏160次，其中厚壁管泄漏125次，占總泄漏的78.1%。又如：2012年佛山市某公司1臺SHFx20-2.45/400PII型鍋爐發(fā)生水冷壁管爆管事故，事故間接造成1人死亡，直接經(jīng)濟損失達30余萬元，并使該公司停產(chǎn)一周。另外，“四管”泄漏爆管是造成機組非計劃停運的主要原因，在火電廠鍋爐運行中，鍋爐四管的泄漏和爆破約占到各類事故總數(shù)的30%，有的機組甚至高達50%-70%的比例，由此造成火電廠機組的非計劃停運次數(shù)增加，且?guī)�來相當�(shù)慕?jīng)濟損失，對機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行威脅極大，嚴重威脅著鍋爐的安全經(jīng)濟運行。珠海寶塔石化有限公司、華峰石化有限公司等幾乎所有化工廠都有很多厚壁管道，這些都是本課題的需求前景和應(yīng)用領(lǐng)域。因此，將爬波技術(shù)應(yīng)用于厚壁管內(nèi)壁缺陷的快速檢測，不僅將是一項創(chuàng)新的、應(yīng)用前景廣闊的成果，而且還富含著重大的經(jīng)濟和理論價值。

5創(chuàng)新點和技術(shù)水平

創(chuàng)新點：（1）將爬波技術(shù)應(yīng)用于厚壁管的內(nèi)壁缺陷檢測中；超聲波在內(nèi)壁上轉(zhuǎn)變?yōu)榕啦ǖ穆晫W理論尚未完全明晰，仍需進一步研究；（2）研制了一款在厚壁管外壁激勵，在內(nèi)壁形成爬波的超聲探頭：該探頭根據(jù)被檢厚壁管的幾何尺寸和爬波的轉(zhuǎn)變機制研制，可檢測出內(nèi)壁上的裂紋、腐蝕等缺陷；（3）該檢測技術(shù)具有快速檢測的特點；利用爬波在表面上可傳播一定距離的特性，避免了對厚壁管進行逐點檢測，使得檢測效率大大提高；技術(shù)水平：（1）研制的超聲探頭在管外壁的四分之一區(qū)域上掃查，可快速檢測整個厚壁管的內(nèi)壁缺陷；（2）研制的超聲探頭可連接在現(xiàn)有的超聲檢測儀器上，檢測方便；（3）研制的超聲探頭制作成本較低，可降低厚壁管的檢測成本。