专利名称：一种高温压力管道壁厚的超声检测方法
技术领域：
本发明涉及无损检测技术，具体为一种高温压力管道壁厚的超声检测方法。
背景技术：
流体输送管道尤其是含固体颗粒的流体输送管道经常会受到介质的腐蚀、冲蚀与磨蚀，导致其壁厚减薄。由于流体流动特性的差异，管道不同部位的壁厚减薄是极不均匀的，弯头、三通、设备的进出口等部位通常是壁厚减薄较为严重的部位。而这些部位往往又是管道的高应力区。对于高压管道，这些部位无疑会成为最薄弱的环节，一旦壁厚减薄至低于承载所需最小壁厚，将会在这些部位首先产生裂纹并破裂，进而造成灾难性事故。为此，对由于各种原因壁厚减薄严重的高压管道进行壁厚监测是非常必要的。国内外石油、化工、核电等行业都非常重视此类管道的壁厚监测，以保证生产的安全。而对于磨损等原因造成的壁厚减薄特别严重的部位甚至提出在线实时监测及安全评估的要求。目前，管道壁厚监测方法主要有腐蚀检测法、电阻腐蚀探针法和超声波法。腐蚀检测法是利用化学成分分析仪检测腐蚀系统的腐蚀物的含量及累积含量，从而间接地实现管道壁厚测量，其测量结果往往只能对应腐蚀的总量或平均量，很难对应于管道局部壁厚的变化。电阻腐蚀探针法是利用探针与管壁的等长度腐蚀并测量探针的电阻变化，进而实现管道壁厚的在线测量。然而安装探针需要在管道上开孔，而需要检测的部位又多为弯头、三通等特殊部位，开孔并安装探针很不方便，同时对于高压管道，开孔也会对其强度造成一定的负面影响。尽管超声波壁厚测量在管道检测中应用很广，但高温管道的检测需在管道壁厚的测点位置设置保温盒，测量时打开保温盒，比较麻烦，同时为了实现高温管道壁厚的测量，还需要价格较贵的高温探头和高温耦合剂，且操作人员需近距离接触高温构件，易发生烫伤，劳动条件差。中国专利CN2235603Y提出了一种综合利用超声波测厚原理及腐蚀探针原理的壁厚测量方法。该方法用于高温炉衬厚度的在线检测技术中，金属测量杆代替探针插入高温炉衬随炉衬一同腐蚀，利用超声波探头测量测杆的长度变化，进而得到炉衬厚度的变化，然而这一技术同样不能直接应用于高温高压管道的壁厚检测上，主要原因仍然是高压管道的开孔问题。多项美国专利(US4783997、US7080556、US5951163)提出了利用超声波缓冲杆(Buffer Rod)测量高温物体，主要用来检测管道或设备中的高温流体，此时缓冲杆主要用作超声导波杆，并提出涂层可有效减少超声波的蔓延回声，提高信噪比，同时提出具有锥度的缓冲杆具有更佳的导波性能。中国专利CN100483069C提出了一种高温高压管道的超声波壁厚在线监测方法。该方法在需要进行管道壁厚检测的部位焊接与高温高压管道材料相同的测量杆，测量杆端部设置冷却装置，以降低与超声波探头接触端的温度。从而可以利用一般的超声波耦合剂和探头较好的实现壁厚测量，实现高温高压管道的超声波壁厚在线监测。然而该方法需要测量导波杆的温度分布，并对试件及导波杆内的声速进行修正，才能推算出被测构件的厚度，操作复杂，不利推广。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是提供一种高温压力管道壁厚的超声检测方法。该检测方法操作容易，计算简便，既不影响高温压力管道的强度，又能利用一般超声波探头及耦合剂进行高温压力管道壁厚的检测，成本低廉，适于工业化实施。本发明解决所述技术问题的技术方案是设计一种高温压力管道壁厚的超声检测方法，该检测方法采用以下工艺(I)在高温压力管道的外壁沿法线方向采用非焊透的方式焊接一个与高温压力管道同材质的阶梯导波杆，并在阶梯导波杆端部的中心区保留足够的未熔合面积，使阶梯导波杆阶梯部位的圆环面积、焊接区圆环的圆环面积以及中心区未熔合的圆面积尽可能相等;(2)在高温压力管道的外壁覆盖保温层，保温层厚度大于阶梯导波杆的阶梯段长度；(3)在阶梯导波杆的中上部安装冷却装置，工作时通过冷却装置使阶梯导波杆的上端部冷却至60°C以下，所述冷却装置为 水冷夹套或风冷翅片；(4)使用常温超声波探头及耦合剂进行超声测量，利用数字超声波探伤仪，测量各界面的反射波声程，计算出阶梯导波杆的导波阶梯面与阶梯导波杆和被测管道接触界面之间的声程差L1、管道内壁面与阶梯导波杆和被测管道接触界面间的声程差L2,已知阶梯段长度为Ici,则被测高温压力管道的厚度h由下式(I)给出
J^ = -TlZ11(I) O
丄与现有技术相比，本发明检测方法将与管道材料相同的阶梯导波杆以非焊透的形式垂直地焊接在高温压力管道检测部位；阶梯导波杆的中上部设置冷却装置，使其上端部温度降低，以便使用常规超声波探头及耦合剂进行测量；被测高温压力管道及阶梯导波杆下部加保温材料，保证导波杆阶梯段的温度接近被测高温压力管道的温度，利用数字超声波探伤仪的测厚功能，测量阶梯导波杆的阶梯面、阶梯导波杆和被测管道接触界面以及管道内壁面的反射波，根据导波杆阶梯段的已知长度及上述各界面反射波的声程差，不需修正即可推算出被测高温压力管道的厚度；因此具有操作容易，计算简便，既不影响高温压力管道的强度，又能利用一般超声波探头及耦合剂进行高温压力管道壁厚的检测，成本低廉，适于工业化实施。
图1是本发明高温压力管道壁厚的超声检测方法一种实施例的阶梯导波杆及其安装检测剖视结构示意图。图2是本发明高温压力管道壁厚的超声检测方法一种实施例的超声波反射波形图，该图给出的是由始波与阶梯面反射波确定的阶梯导波杆上端面与阶梯面之间的距离。图3是本发明高温压力管道壁厚的超声检测方法一种实施例的超声波反射波形图，该图给出的是由始波与阶梯导波杆和被测试件接触界面反射波确定的阶梯导波杆上端面与阶梯导波杆和被测试件接触界面之间的距离。图4是本发明高温压力管道壁厚的超声检测方法一种实施例的超声波反射波形图，该图给出的是由始波与被测试件下表面反射波确定的阶梯导波杆上端面与被测试件下表面之间的距离。图5是本发明高温压力管道壁厚的超声检测方法一种实施例的阶梯导波杆各反射面面积示意图；其中，Al所示的是阶梯部位的圆环面积；A2所示的是焊接区圆环的圆环面积；A3所示的是中心部位未熔合的圆面积。
具体实施例方式下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。本发明设计的高温压力管道壁厚的超声检测方法(简称检测方法，参见图1-5)，该检测方法先将与管道材料相同的阶梯导波杆以非焊透的形式垂直地焊接在高温压力管道检测部位；阶梯导波杆的中上部设置冷却装置，使其上端部温度降低，以便使用常规超声波探头及耦合剂进行测量；被测高温压力管道及阶梯导波杆下部加保温材料，保证导波杆阶梯段的温度接近被测高温压力管道的温度，利用数字超声波探伤仪的测厚功能，测量各界面的反射波，根据导波杆阶 梯段的已知长度及各界面反射波的声程差，不需修正即可推算出被测高温压力管道的厚度。本发明检测方法具体采用以下工艺(I)在高温压力管道I的外壁沿法线方向采用非焊透的方式焊接一个与高温压力管道同材质的阶梯导波杆3，为了保证非焊透连接，阶梯导波杆3端部中心区需保留足够的未熔合面积，为了使超声波在各界面的反射波均具有较大的反射强度，要求阶梯导波杆3阶梯部位的圆环面积、焊接区圆环的圆环面积以及中心区未熔合的圆面积尽可能相等；(2)在高温压力管道I的外壁覆盖保温层2，保温层2厚度需大于阶梯导波杆3的阶梯段长度，以保证阶梯段的温度尽量接近被测高温压力管道I (被测管道I)的壁温；(3)在阶梯导波杆3的中上部安装冷却装置4，工作时通过冷却装置使阶梯导波杆
3的下端部冷却至60°C以下；所述冷却装置4为水冷夹套或风冷翅片；(4)使用常温超声波探头及耦合剂进行超声测量，利用数字超声波探伤仪，测量阶梯导波杆3的阶梯面、阶梯导波杆3与被测管道I的接触界面以及管道内壁面的反射波声程，计算出阶梯导波杆3的导波阶梯面与阶梯导波杆3和被测管道I接触界面之间的声程差L1、管道内壁面与阶梯导波杆3和被测管道I接触界面间的声程差L2,已知阶梯段长度为I0,则被测管道(I)的厚度h由式(I)给出^ =(I)实际上，将与管道材料相同的阶梯导波杆以非焊透的形式垂直地焊接在被测管道I的监测部位，只要保证阶梯导波杆3阶梯面的温度接近被测管道I的温度，利用阶梯段的已知长度Itl及阶梯导波杆3的导波阶梯面与阶梯导波杆3和被测管道I接触界面之间的声程差L1、管道内壁面与阶梯导波杆3和被测管道I接触界面间的声程差L2，不需修正，即可推算出被测管道I的厚度。下面给出本发明检测方法的具体实施例，具体实施例不限制本申请权利要求的保护范围。实施例1将阶梯导波杆3的下端部焊接在一块平面圆板(被测管道I)上，所述阶梯导波杆3与平面圆板均采用20钢为原料制作，阶梯导波杆3的直径20mm，长度180mm，阶梯段长度
I。为15mm ;经卡尺测量得到选用的平面圆板厚度为20mm，用H08A焊丝采用氩弧焊将阶梯导波杆3焊在平面圆板上；然后在焊接部位设置保温层2，保温层2为石棉带(参见图1)；再在焊接部位的上端安装水冷却装置4，冷却套筒为外径57mm，壁厚3. 5mm的钢管，冷却长度50mm，通入冷却水，利用电加热将平面圆板加热至380°C，冷却水流量25m3/h，测得阶梯导波杆3下端部的温度为29°C ;利用数字超声波探伤仪CTS-2020测量阶梯导波杆3的导波阶梯面、阶梯导波杆3和圆板(被测管道I)接触界面、圆板(被测管道I)下表面的反射波声程，设定探伤仪的声速为5920m/s，得到反射波情况是(参见图2-4):图2给出的是由始波与阶梯面反射波确定的阶梯导波杆上端面与阶梯面之间的距离，图3给出的是由始波与阶梯导波杆和被测试件接触界面反射波确定的阶梯导波杆上端面与阶梯导波杆和被测试件接触界面之间的距离，图4给出的是由始波与被测试件下表面反射波确定的阶梯导波杆上端面与被测试件下表面之间的距离。因此，所述声程差是L1=ISl. 5-166. 1=15. 4mm,L2=202. 1-181. 5=20. 6mm。由式(I)计算得到，圆板厚度为20. 06mm,与圆板实际厚度的误差仅为0. 06mm。本发明未述及之处适用于现有技术。
权利要求
1.一种高温压力管道壁厚的超声检测方法，该方法采用以下工艺 (1)在高温压力管道的外壁沿法线方向采用非焊透的方式焊接一个与高温压力管道同材质的阶梯导波杆，并在阶梯导波杆端部的中心区保留足够的未熔合面积，使阶梯导波杆阶梯部位的圆环面积、焊接区圆环的圆环面积以及中心区未熔合的圆面积尽可能相等； (2)在高温压力管道的外壁覆盖保温层，保温层厚度大于阶梯导波杆的阶梯段长度； (3)在阶梯导波杆的中上部安装冷却装置，工作时通过冷却装置使阶梯导波杆的上端部冷却至60°C以下，所述冷却装置为水冷夹套或风冷翅片； (4)使用常温超声波探头及耦合剂进行超声测量，利用数字超声波探伤仪，测量各界面的反射波声程，计算出阶梯导波杆的导波阶梯面与阶梯导波杆和被测管道接触界面之间的声程差乙、管道内壁面与阶梯导波杆和被测管道接触界面间的声程差Z2，已知阶梯段长度为人，则被测高温压力管道的厚度h由下式(I)给出
2.根据权利要求1所述的高温压力管道壁厚的超声检测方法，其特征在于所述数字超声波探伤仪型号为CTS-2020，声速为5920 m/s。
全文摘要
本发明公开一种高温压力管道壁厚的超声检测方法，该方法采用以下工艺(1)在高温压力管道的外壁沿法线方向采用非焊透的方式焊接一个与高温压力管道同材质的阶梯导波杆，并在阶梯导波杆端部的中心区保留足够的未熔合面积；(2)在高温压力管道的外壁覆盖保温层，保温层厚度大于阶梯导波杆的阶梯段长度；(3)在阶梯导波杆的中上部安装冷却装置，工作时通过冷却装置使阶梯导波杆的上端部冷却至60℃以下；(4)使用常温超声波探头及耦合剂进行超声测量，利用数字超声波探伤仪，测量各界面的反射波声程，计算出声程差L1和L2，已知阶梯段长度为l0,则被测高温压力管道的厚度h由下式(1)给出 (1)。
文档编号G01B17/02GK103063170SQ20121058164
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者高炳军, 富阳, 石永亮, 权红恩, 马文蓉 申请人:河北工业大学