黄建明实战案例专栏 | 【案例85】小小常识 – 巧用你的相控阵技术(3)

文章来源:微信公众号:航空无损检测
85 小小常识 – 巧用你的相控阵技术(3)

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事后想起这个案例觉得挺有趣的,我们做无损探伤的,有时候我们探伤并不是找缺陷,反而要通过探伤去证明没有缺陷。



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实战案例专栏 /   案例85

2007年10月香港某电厂总工程师打电话来问我有什么NDT方法可以证明他们电厂锅炉中集热管内壁是否有裂纹(Boiler Header Crack)


原来之前电厂找到一家外国公司为电厂的这个使用近25年的锅炉作寿命评估和检测,他们在用内窥镜检测其中锅炉集热箱内部状况时,发现在有些管孔内壁处有很多疑似裂纹的痕迹(crack like indication),却又没有办法证实是否真的是裂纹。


电厂必须想办法确定是否真的是裂纹,如果是裂纹就不能使用,就需要全部拆除更换,他们很担心是裂纹,所以他找到我帮他想想办法。


我主动前往电厂当面向他了解详细情况。


他把内窥镜检测的图片给我观看,我看到在内壁孔口呈星状放射性的裂纹痕迹,这痕迹我想任何人看后都说像裂纹。


他对我说:“如果真的是裂纹,这个锅炉集热箱就报废了,重新更换一个新的就得几百万,而且延误发电的时间,你帮我看看有什么方法可以确定它是否裂纹?”


再向他索取集热箱图纸(见图1),我按图纸上的尺寸1:1作图,通过看图和作图,我发现集热箱的筒体材料是低合金钢,外径约Φ444mm,壁厚有 100mm,这样的形状和厚度只能从筒体外壁用超声波方法检测,但是,外壁却有很多条直径Φ50mm 的小管锅炉管插入和焊接,管与管之间间隙窄小,只有纵向约60mm、周向约80mm的间距。


(图 1 集热箱管结构图)


怀疑的裂纹迹痕呈星状,也就是说纵向、横向和斜向都有,探伤时必须所有方向都要考虑到。


纵向可以像平板一样扫查,而周向是曲面形的,用斜入射检测时必须考虑超声折射角度是否能保证超声束扫查到内壁。


过1:1作图,根据管与管之间的距离和壁厚可以直接计算出应该使用的角度。


通常,我们检测裂纹这种端角反射型缺陷多采用 45°横波斜探头,但是在这里就无法施展了,因为没有足够的扫查距离,同时对于小外径大厚壁的圆形管状构件,45°是无法扫查到底面的。


从作图上计算,只能够用横波30°折射角度的探头扫查纵向和周向。


按30°折射角度来做扫查对于纵向当然是没问题,但是周向扫查时仅仅能扫查到底面(折射声束轴线掠过内壁面),若要保证百分之百扫查到底面,就必须用更小的横波折射角度,这样问题就来了,我们都知道有机玻璃斜楔的横波斜探头检测钢的时候,第一临介角是27.5°,在这个入射角度附近容易出现波型转换(例如出现爬行纵波),再加上底面本身就是一个圆凸弧形曲面,超声波在底面上反射就很容易同时出现纵波和横波,容易产生误判,因此是不适 合采用折射横波探伤了,考虑到这个问题,周向扫查只好用纵波斜探头了。


通过作图计算,我们发现用20°至25°的纵波斜探头完全可以覆盖扫查底面,无论是纵向还是周向,同时也可以在狭窄的空间扫查,为了提高检测速度,我们决定全部采用纵波斜探头


通常,我们在作图分析计算后都会找一个实物来做实际对比测试,看看实际检测出来的结果是否能达到预期效果,如果能得到满意的效果再去现场检测,就更有把握进行检测了。


同时也可以当面演示给客户看,增加客户对我们检测的信心。我向电厂要求提供一段同尺寸同材料的集热箱筒体给我做对比试块。他说没有


那怎么办?


其实,按我们以前的经验,纸上作图能够扫查到就已经可以到现场进行检测了,但是为 了慎重起见,我们还是想用实物做个对比较为妥当。纵向的还可以用平板仿真试块(见图4),周向的则必须是与被检测工件同样管状的仿真试块。


(图 4 平板的仿真试块上的人工缺陷)


怎么做呢?


经过反复思考,最后我想到我有位朋友他工厂有电火花线切割机(EDM),可以用低合金的钢板切割出一个环型的管状试块啊!


低合金钢板和集热箱的低合金钢管都是钢材料,声速是一样的(相近的),而且低合金的钢板在市面很容易买到。


我把这想法立即打电话告诉电厂总工,我们检测的目的是找裂纹并不是要求精确定量,用厚钢板代替用真实的管材是可以的。


他在听完我的解释后同意我的想法,并且告诉我把这个设计和制造试块费用都加在这个检测费用中。


得到客户的认同和支持,我马上就做试块了


我买到一块厚度60mm的钢板,然后找我的朋友帮忙用电火花线切割机切割成一块略大于1/4的管状的试块来,并且按图纸上1:1的要求,机加工出直径Φ25mm孔洞(模拟插入的小锅炉管),并在内孔壁上做了纵向的人工缺陷(见图3图4)。


(图 3 机加工直径25mm孔)


试块加工出来后,用超声相控阵仪器测试效果非常好(见图5),实际测量出来的角度是纵波22°。


(图 5 用超声相控阵仪器测量出角度是 22°)


考虑到集热箱外壁在长达25年的燃烧过程中其表面肯定是很粗糙的,虽然我们要求探伤前需要打磨的,但现场的环境不一定能打磨得很光滑,如果我们全部用相控阵探头直接在上面扫查有可能造成磨损,这对于昂贵的相控阵探头来说是不花算的。


我就向探头制造厂家订购几个传统的22°纵波斜探头,厂家说他们手上正好有批23°的纵波斜探头,只差1度,问我要不要。


我看没问题,就要厂家直接给我寄来了,拿来在试块上一试,效果很好(见图6)。


(图 6 用纵波直探头 23°的波形)


了保证检测结果的可靠性,我们的检测程序中规定先用传统超声波方法和23°的纵波斜探头进行粗扫查,当发现有可疑回波时再用相控阵方法和相控阵探头核对。


在试验室测试成功后,我们带上试块和仪器到现场演示给电厂总工程师他们看,他们很满意我们的演示,然后再安排我们上去检测集热箱上有怀疑裂纹的管孔,经过几天的全面检测未见任何裂纹回波(见图2)。


(图 2 集热箱管现场检测状况)


厂总工说:“真是虚惊一场!不是裂纹就好了!非常感谢您们的帮忙!”


这么多年又过去了,从未发生任何事故,说明我们的这个检测方法是正确的和可靠的。


事后想起这个案例觉得挺有趣的,我们做无损探伤的,有时候我们探伤并不是找缺陷,反而要通过探伤去证明没有缺陷。


如果电厂的朋友有遇到这种问题时,不妨参考下这个真实案例。


关于作者



黄建明 长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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