一种超声导波检测在役主汽管道蠕变损伤的方法与流程

本发明涉及锅炉中的主汽管道无损检测领域，具体涉及一种超声导波检测在役主汽管道蠕变损伤的方法。

背景技术：

电站锅炉中的主汽管道在发电机组运行过程中长期在高温、高压等恶劣环境下工作，主汽管道不可避免的受到高温蠕变的损伤，引起材料性能的退化，从而导致材料性能失效，引发安全事故。对这些在役主汽管道进行健康监测及检验，以获得其剩余寿命是十分必要和迫切的。

目前，通常对在役主汽管道蠕变损伤采用的检测手段主要有非破坏的现场检验法和破坏的割管取样法。

现场检验法可以不损伤主汽管道，但只能检验主汽管道表面的状态，检验范围较小，常用的手段是取若干点检验，进而代表整个管道；并且采用现场金相及硬度检验时，只能获得其蠕变老化粗劣估算，误差范围较大。

割管取样法可以获得全截面管道各项性能参数，包括进行拉伸试验、蠕变断裂试验等。但割管取样法取样后还需要在取样部位进行焊接修补，这种修补方法，会对主汽管道整体安全性能产生不利影响；近年来发展起来的小冲杆蠕变试验，是一种微试样取样及测试技术，也需要对管道进行一定的破坏，且试验时需要一段时间，不利于快速检测分析。

主汽管道的蠕变损伤是与温度、应力和时间有关的现象，是材料的微观结构的累积的损伤变化过程。在蠕变损伤过程中材料中固溶合金元素会不断析出，碳化物的组分、形态、分布和浓度会发生变化，在晶界处碳化物会不断积聚，甚至形成孔洞。主汽管道材料这种微观组织结构的变化会引起应力波的散射。

公开号为：103926324b的中国专利介绍了一种超声表面波检测主汽管道蠕变损伤的方法，其核心技术是利用超声表面波在主汽管道外表面固定距离内测试其衰减系数，建立表面波衰减系数和主汽管道蠕变损伤程度的表征关系。其优点是非破坏检验，并且其检测区域是两探头之间的表面线性区域，远大于通过现场金相法检验随机取点法的区域；但超声表面波只能在固体表面传播，其能量随传播深度的增加而迅速减弱，一般认为其可检测的深度为两倍波长。因而，该专利的局限性是可采集的材料声特性数据只是在主汽管道的两倍波长深度的外表面；而蠕变性能变化是发生在材料的整个厚度范围内，并且材料的工作温度越高，其蠕变损伤程度就越大。主蒸汽管道内部承受着高温高压蒸汽，温度由内壁向外壁逐渐降低，蠕变损伤程度也就由内壁向外壁逐渐降低。由此可见，基于超声表面波技术的主汽管道蠕变损伤检测方法存在着代表性不足的欠缺。

因此，有必要发明一种新型检测在役主汽管道蠕变损伤的方法，可以获取管道全厚度尺寸、包括内壁蠕变损伤程度的信息，以便对整个管道的蠕变损伤程度进行精准评估。

技术实现要素：

针对现有技术中在役主汽管道蠕变损伤检测存在的不足，本发明提供了一种超声导波检测在役主汽管道蠕变损伤的方法，利用超声导波来测量评价主汽管道全厚度范围内蠕变损伤情况。

本发明采用以下的技术方案：

一种超声导波检测在役主汽管道蠕变损伤的方法，包括以下步骤：

步骤1：制作一组原始对比试块；

原始对比试块共有6块，6块原始对比试块尺寸相同，编号为s0～s5；

步骤2：获取蠕变加速试验断裂时间h；

对编号为s0的原始试块进行蠕变加速试验，直至其断裂，记录断裂时间为h；

步骤3：制作全厚度蠕变损伤对比试块组；

在相同试验环境下，对编号s1～s5的五块原始对比试块进行蠕变加速试验，控制编号s1的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.2h，控制编号s2的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.4h，控制编号s3的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.6h，控制编号s4的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.8h，控制编号s5的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.9h；将5块完成蠕变加速试验的原始对比试块定义为全厚度蠕变损伤对比试块组，并重新编号为ss1～ss5号全厚度蠕变损伤对比试块，对应1～5级主汽管道材料蠕变损伤级别；

步骤4：搭设超声导波检测系统；

超声导波检测系统包括超声导波检测仪和超声波导波探头，超声波导波探头包括发射导波探头一个，接收导波探头两个，发射导波探头和接收导波探头均连接到超声导波检测仪上；

步骤5：利用超声导波检测系统测试全厚度蠕变损伤对比试块组的轴向导波衰减系数和周向导波衰减系数；

步骤6：绘制轴向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线、周向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线；

利用步骤5获得的轴向导波衰减系数绘制轴向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线，曲线纵坐标为轴向导波衰减系数，横坐标为蠕变损伤级别；

利用步骤5获得的周向导波衰减系数绘制周向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线，曲线纵坐标为周向导波衰减系数，横坐标为蠕变损伤级别；

步骤7：对待检测的主汽管道蠕变损伤程度进行检测；

利用超声导波检测系统测试待检测的主汽管道的轴向导波衰减系数和周向导波衰减系数；根据步骤6中的轴向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线和周向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线，获得主汽管道轴向蠕变损伤级别；

步骤8：建立主汽管道蠕变损伤数据库。

优选地，步骤1中，原始对比试块用未经使用的主汽管道余料制作，原始对比试块的材质和厚度与待检测的主汽管道的材质和厚度一致。

优选地，步骤2中，蠕变加速试验的试验环境根据待检测的主蒸汽管道的实际工作参数选取。

优选地，步骤5中，轴向导波衰减系数的计算过程为：

超声波导波探头轴向布置在ss1号全厚度蠕变损伤对比试块上，超声导波检测仪接收检测数据，计算ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k1，用同样的方式依次检测ss2号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k2、ss3号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k3、ss4号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k4和ss5号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k5。

优选地，ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k1的计算过程为：

其中，两个接收导波探头的距离为l1，两个接收导波探头接收到的检测数据由超声导波检测仪的液晶面板显示出来；将排列在中部的一个接收导波探头接收到的波高调整至液晶面板满屏刻度的80％，记录此时波高读数b1；记录另一个接收导波探头接收的超声导波波幅，液晶面板读数为b2；由公式k1＝(b1-b2)/l1得出ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k1；

同样，能够得到ss2号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k2、ss3号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k3、ss4号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k4和ss5号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k5。

优选地，步骤5中，周向导波衰减系数的计算过程为：

超声波导波探头周向布置在ss1号全厚度蠕变损伤对比试块上，超声导波检测仪接收检测数据，计算ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k1′，用同样的方式依次检测ss2号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k2′、ss3号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k3′、ss4号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k4′和ss5号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k5′。

优选地，ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k1′的计算过程为：

两个接收导波探头的距离为l1′，两个接收导波探头接收到的检测数据由超声导波检测仪的液晶面板显示出来；将排列在中部的一个接收导波探头接收到的波高调整至液晶面板满屏刻度的80％，记录此时波高读数b1′；记录另一个接收导波探头接收的超声导波波幅，液晶面板读数为b2′；由公式k1′＝(b1′-b2′)/l1′得出ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k1′；

同样，能够得到ss2号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k2′、ss3号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k3′、ss4号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k4′和ss5号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k5′。

优选地，利用获得的轴向导波衰减系数k1～k5绘制轴向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线，利用获得的周向导波衰减系数k1′～k5′绘制周向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线。

优选地，步骤7具体包括：超声波导波探头轴向布置在待检测的主汽管道上，超声导波检测仪接收检测数据，计算待检测的主汽管道的轴向导波衰减系数ks；超声波导波探头周向布置在待检测的主汽管道上，超声导波检测仪接收检测数据，计算待检测的主汽管道的周向导波衰减系数ks′；

查步骤6轴向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线中ks对应的横坐标值，即得出主汽管道轴向蠕变损伤级别；查步骤6周向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线中ks′对应的横坐标值，即得出主汽管道周向蠕变损伤级别；

优选地，步骤8具体包括：对不同材质不同厚度的主汽管道采用步骤1至步骤7的过程进行蠕变损伤级别判定，将所有主汽管道的蠕变损伤数据建立成主汽管道蠕变损伤数据库。

本发明具有的有益效果是：

本发明提供的超声导波检测在役主汽管道蠕变损伤的方法，通过设置全厚度蠕变损伤对比试块组，绘制导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线、周向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线，建立了管道一定长度轴向全厚度的超声导波衰减特性与主汽管道蠕变损伤级别对应关系；利用参考曲线可完成对在役主蒸汽管道的实际蠕变损伤情况进行分级评定；最后可建立全厚度尺寸的主汽管道蠕变损伤数据库，便于对全厚度尺寸的主汽管道蠕变损伤检测。

本发明开发的全厚度蠕变损伤对比试块组，可以通过调节对试块的蠕变加速时间实现调节损伤级别的范围，具有测试范围宽的优点。

采用超声导波的方法可实现对在役主汽管道蠕变损伤的全厚度尺寸无损检测，包括内壁蠕变损伤程度的信息，提高了管道蠕变损伤程度评估准确度，也避免了对主汽管道造成伤害，不影响主汽管道的正常使用。

本发明得到的波幅参数直观明了，曲线制作简单，具有检测效率高的特点。

本发明使用的全厚度蠕变损伤对比试块组与管道的规格材质相同，可充分利用管道余料，节约资源，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为超声导波检测在役主汽管道蠕变损伤的结构示意图。

1、待检测的主汽管道；2、刚性探头支架；3、发射导波探头；4、接收导波探头；5、接收导波探头；6、电缆线；7、发射信号接口；8、接收信号接口；9、接收信号接口；10、超声导波检测仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

超声波导波是一种由于介质边界存在而产生的机械波，可在有边界的介质内如管子、平板、棒等传播，传播方向平行于介质的边界面。在管子介质中，超声导波以纵波、扭转波和弯曲波等多种波形存在。超声导波可以在整个介质边界内传播振动，能反映管道全厚度范围内声学特性。由于高温材料的蠕变损伤，是以碳化物粒子在全厚度的晶界析出及晶界破坏表现出来的，其结果是超声导波在该材料全厚度传播时的衰减与蠕变损伤程度存在关联。本发明基于超声导波技术，借助专用导波蠕变损伤分级评定对比试块组，找出超声导波衰减与蠕变损伤程度对应关系，绘制参考曲线，进而对在役主汽管道蠕变损伤情况进行评价。

该方法不破坏主汽管道便能对主汽管道蠕变损伤的程度进行全厚度检测，具有效率高，成本低，检测范围大，准确度高的优点。

结合图1，一种超声导波检测在役主汽管道蠕变损伤的方法，包括以下步骤：

步骤1：制作一组原始对比试块；

原始对比试块共有6块，6块原始对比试块尺寸相同，编号为s0～s5；

原始对比试块用未经使用的主汽管道余料制作，原始对比试块的材质和厚度与待检测的主汽管道的材质和厚度一致。

原始对比试块的宽度和长度要能满足超声波导波探头周向和轴向布置的要求。

在一个实施例中，原始对比试块宽度至少大于探头的宽度，取3倍探头宽度，一般取30mm；试块长度一般取230mm，其中200mm为超声导波检测范围，30mm为两端夹具夹持范围。

步骤2：获取蠕变加速试验断裂时间h；

对编号为s0的原始试块进行蠕变加速试验，直至其断裂，记录断裂时间为h；

蠕变加速试验的试验环境根据待检测的主蒸汽管道的实际工作参数选取，对于亚临界机组，试验参数为150mpa及540℃。

步骤3：制作全厚度蠕变损伤对比试块组；

在相同试验环境下，对编号s1～s5的五块原始对比试块进行蠕变加速试验，控制编号s1的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.2h，控制编号s2的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.4h，控制编号s3的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.6h，控制编号s4的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.8h，控制编号s5的原始对比试块的蠕变加速试验的试验时间为0.9h；将5块完成蠕变加速试验的原始对比试块定义为全厚度蠕变损伤对比试块组，并重新编号为ss1～ss5号全厚度蠕变损伤对比试块，对应1～5级主汽管道材料蠕变损伤级别；

步骤4：搭设超声导波检测系统；

超声导波检测系统包括超声导波检测仪10和超声波导波探头，超声波导波探头包括一个发射导波探头3和两个接收导波探头4、5，发射导波探头和接收导波探头均连接到超声导波检测仪上。

具体的，发射导波探头3通过电缆线6连接在超声导波检测仪10的发射信号接口上，两个接收导波探头4、5通过电缆线连接在超声导波检测仪10的接收信号接口8、9上。

步骤5：利用超声导波检测系统测试全厚度蠕变损伤对比试块组的轴向导波衰减系数和周向导波衰减系数；

轴向导波衰减系数的计算过程为：

超声波导波探头轴向布置在ss1号全厚度蠕变损伤对比试块上，如图1，刚性探头支架能够更好的固定探头，维持探头的间距。超声导波检测仪接收检测数据，计算ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k1，用同样的方式依次检测ss2号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k2、ss3号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k3、ss4号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k4和ss5号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k5。

ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k1的计算过程为：

其中，两个接收导波探头的距离为l1，两个接收导波探头接收到的检测数据由超声导波检测仪的液晶面板显示出来；将排列在中部的一个接收导波探头接收到的波高调整至液晶面板满屏刻度的80％，记录此时波高读数b1；记录另一个接收导波探头接收的超声导波波幅，液晶面板读数为b2；由公式k1＝(b1-b2)/l1得出ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k1；

同样，能够得到ss2号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k2、ss3号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k3、ss4号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k4和ss5号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k5。

周向导波衰减系数的计算过程为：

超声波导波探头周向布置在ss1号全厚度蠕变损伤对比试块上，超声导波检测仪接收检测数据，计算ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k1′，用同样的方式依次检测ss2号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k2′、ss3号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k3′、ss4号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k4′和ss5号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k5′。

ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k1′的计算过程为：

两个接收导波探头的距离为l1′，两个接收导波探头接收到的检测数据由超声导波检测仪的液晶面板显示出来；将排列在中部的一个接收导波探头接收到的波高调整至液晶面板满屏刻度的80％，记录此时波高读数b1′；记录另一个接收导波探头接收的超声导波波幅，液晶面板读数为b2′；由公式k1′＝(b1′-b2′)/l1′得出ss1号全厚度蠕变损伤对比试块的轴向导波衰减系数k1′；

同样，能够得到ss2号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k2′、ss3号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k3′、ss4号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k4′和ss5号全厚度蠕变损伤对比试块的周向导波衰减系数k5′。

步骤6：绘制轴向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线、周向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线；

利用获得的轴向导波衰减系数k1～k5绘制轴向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线，曲线纵坐标为轴向导波衰减系数，横坐标为蠕变损伤级别；

利用获得的周向导波衰减系数k1′～k5′绘制周向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线，曲线纵坐标为周向导波衰减系数，横坐标为蠕变损伤级别；

步骤7：对待检测的主汽管道蠕变损伤程度进行检测；

超声波导波探头轴向布置在待检测的主汽管道1上，如图1，超声导波检测仪接收检测数据，计算待检测的主汽管道的轴向导波衰减系数ks；超声波导波探头周向布置在待检测的主汽管道上，超声导波检测仪接收检测数据，计算待检测的主汽管道的周向导波衰减系数ks′；

查步骤6轴向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线中ks对应的横坐标值，即得出主汽管道轴向蠕变损伤级别；查步骤6周向导波衰减系数－蠕变损伤级别参考曲线中ks′对应的横坐标值，即得出主汽管道周向蠕变损伤级别；

步骤8：建立主汽管道蠕变损伤数据库。

对不同材质不同厚度的主汽管道采用步骤1至步骤7的过程进行蠕变损伤级别判定，将所有主汽管道的蠕变损伤数据建立成主汽管道蠕变损伤数据库。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。