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高温紧固螺栓的超声相控阵检测技术

日期:2014/4/8           浏览次数:3502

高温紧固螺栓的超声相控阵检测技术

                                                           ——  严晓东

                                                                                                    (华东电力试验研究院科技开发有限公司)   

      作为火力发电厂汽轮机的关键部件,高温紧固螺栓广泛应用于各类高温部件的连接。

      高温螺栓在结合处产生压紧力和紧固力,其工作温度高(500~620℃)应力大,如产生裂纹而导致运行中断裂,则造成机组非计划停机,甚至人身伤亡事故,经济损失巨大。

 

      历来火电厂都将高温紧固螺栓作为重点监视部件,严格检测。要求尽早尽小的发现裂纹。

      超声波检测是一种对裂纹类缺陷非常有效的无损检测手段,因其灵敏、快速,被广泛应用于高温螺栓的质量监控。
 
新问题的出现
 
      常规的螺栓超声波检测以直探头、小角度纵波探头端部检测或横波杆部检测为主,通常可有效发现≥1mm槽深当量的裂纹。
      但随着火电机组向超临界、高参数发展,越来越多特殊牌号、规格和形状的螺栓被应用于新型设备中,给螺栓检测带来不易克服的困难。
      提高螺栓超声检测的精度和准确性,需进一步提高螺栓超声检测的灵敏度和信噪比。
      检测灵敏度是检测出最小缺陷的能力,只有当缺陷反射信号被超声检测系统放大到可“视”的程度,缺陷才可能被发现,这与缺陷反射回波的大小密切相关。
      相对于提高灵敏度,信噪比的增高则更为关键和困难,单纯提高灵敏度,对小裂纹的检出没有明显改善。
      微小裂纹与其他结构波、变形波的有效区分和识别,需要更多的特征信息和数据进行比对及确认。
      与传统超声检测技术相比,相控阵能够通过电子的方式改变超声波的焦点与角度,一个位置即可实现多个角度同时扫查,并且能够通过二维图像的方式将各个角度的回波信息同时显示出来。
      超声相控阵具有声束可聚焦、角度可变、可进行多角度扇形扫描的特性,这正对应了提高螺栓检测灵敏度、信噪比和缺陷信号识别的需要。
       直探头检测螺栓时,主声束角度为0°,到达螺纹部位的多数为副瓣声束。
 
        超声相控阵在扫查范围内,每一个到达螺纹的波束均为聚焦主声束,声压高于直探头的副瓣,提高了灵敏度。
        超声相控阵声束角度可变,能够覆盖-30~30°范围,对螺纹根部萌生的大多数裂纹都能实现垂直入射,显著提高了反射率,大大提升了信噪比。

        超声相控阵运用多个法则,将多个角度的反射波通过扇形图像显示出来,螺纹信号稳定清晰、间隔均匀且无杂波。

      当螺纹中存在裂纹时:

 
             均匀的螺纹信号将被破坏,间隔中出现异常信号裂纹与其相邻螺纹信号存在色差,幅度与裂纹深度正向相关。
 
             超声相控阵扇扫图像,提供了整个检测范围内的二维图像。给缺陷波的识别提供了更多的信息,提高了缺陷识别的准确率和可靠性。
 
             可显示不同深度上声束的反射信号和波高,结合探头的移动,还可显示某一个深度上不同角度的波形。

     这样既能对比不同深度上裂纹的波形,也能够对比同一深度,多个角度的波形,这对特定部位小裂纹的识别,提供了现有其他方法无法给与的判别信息。大大提升了微小裂纹检测的可靠性和准确性。

相控阵纵波检测螺栓本侧时,可以清晰看到螺栓各螺纹的信号,信号强度依次递减;当螺栓有缺陷时,相邻螺纹信号中间出现异常信号。

     总结:

 
      超声相控阵检测螺栓技术,可有效提高微小裂纹的检出率,灵敏度高准确性好;
 
      动态改变超声波入射角度,信噪比提升明显,裂纹可识别率大大提高,结果稳定可靠;
 
      多角度连续扫查,覆盖范围大,提高了检测效率;
 
      超声相控阵横波检测螺栓时,各类波形稳定、清晰,有助于裂纹波的识别,显著降低误判率;
 
      检测结果可以同时以A扫描和扇形扫描显示,既给缺陷波的识别提供了更多的信息,又能够按现行的探伤标准进行质量评定,提高了缺陷识别的准确率和技术的适用性;
 
      提高了粗晶材质螺栓检验的信噪比,但检测深度仍受衰减影响较大,需进一步改进探头及仪器。
 
      超声相控阵作为螺栓检测方面的新技术,
 

      在灵敏度、信噪比和缺陷的识别方面有较大进步,是螺栓检测的新技术和新方向,值得推广和应用。

 

 

 

 

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