CN102980539A - 锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法 - Google Patents

锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法 Download PDF

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郝晓军
牛晓光
赵纪峰
代小号
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
Hebei Electric Power Construction Adjustment Test Institute
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Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
Hebei Electric Power Construction Adjustment Test Institute
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Abstract

本发明涉及锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法，利用高频超声波脉冲发生/接收单元激励探头，产生超声波并接收来自探头的反射信号，宽频带示波器显示超声波信号。测量过程为：⑴连接高频超声波脉冲发生/接收单元、宽频带示波器和高频横波直探头，调整仪器参数；⑵打磨被测的受热面管表面，涂上耦合剂；⑶高频横波直探头置于被测受热面管表面，启动仪器进行测量；⑷调整宽频带示波器时基比例与增益，显示的超声回波信号及其时间间隔；⑸计算管壁金属层厚度S1和管内壁氧化层厚度S2。本发明清晰地分辨出氧化层/金属基体界面的反射信号，精确测量锅炉受热面管管壁金属层和氧化层的厚度，检测精确度高，操作简单方便，为生产运行和设备维护提供准确的数据。

Description

锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法
技术领域
 本发明属于超声波探伤检测技术领域，涉及一种锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法。
技术背景
长期运行的锅炉受热面管由外壁氧化及腐蚀产物层、金属厚度层和内壁氧化物层三层构成。常规超声波测厚装置检测管壁的厚度时，无法分别测量出氧化层厚度和金属管壁厚度，其测得的厚度值是金属层厚度与氧化层厚度之和。对设备强度起作用的是金属层厚度，上述测量值会造成强度核算及寿命计算的严重误差，影响锅炉设备的正常运行。导致常规超声波测厚装置无法测量氧化层厚度和管壁金属厚度的原因有二：
一、氧化层/金属基体界面反射信号低
在管壁金属与内壁氧化层接合紧密情况下，超声波探头发出的超声声束垂直入射到金属/内壁氧化层界面时，由于界面两侧介质声阻抗相差较小，在界面上有96％声波透射，只有4％的声波反射。从回波的高低方面描述，内壁氧化层/空气界面的回波远高于金属/氧化物界面的回波。金属/内壁氧化层界面回波太低，不能使常规测厚仪接收电路工作，故测厚仪只能检测到氧化层与空气界面反射信号，超声测厚仪或普通A型超声波探伤仪显示的厚度值是金属层与氧化腐蚀层的厚度之和，而非不是管壁剩余金属厚度。
二、使用的脉冲峰较宽致使分辨低
普通A型超声波探伤仪测量，由于仪器频带宽度低，只能对低频窄频带信号进行非失真激发和接收放大。如果激发5MHz纵波直探头，脉冲周期200ns，每个脉冲串由三个脉冲组成，经过检波为正向脉冲，再经过滤波线路处理得到正向脉冲串的包络线，单峰宽度为600ns，能分辨的最小时间信号按300ns计算（按三角峰形处理），则能区分的最小氧化层厚度约1mm，如此低的分辨力是不能满足氧化层厚度测量要求。
发明内容
本发明提供一种锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法，以清晰分辨氧化层/基体界面的反射信号，锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的同步测量，精确测量锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度，为生产运行和设备维护提供准确的数据。
本发明锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法，测量过程如下：
⑴连接高频超声波脉冲发生/接收单元、宽频带示波器和高频横波直探头，调整仪器参数；
⑵打磨被测的受热面管表面，涂上耦合剂；
⑶将高频横波直探头置于被测受热面管表面，启动仪器进行测量；
⑷调整宽频带示波器的时基比例与增益，显示的超声回波信号及其时间间隔；
⑸计算管壁金属层厚度S1和管内壁氧化层厚度S2：
     S1＝Ct·t3/2           （1）
    其中：
     S1：管壁金属层厚度；
     Ct：超声波于钢基体中的传播速度；
  T3：内壁氧化层/空气界面一次反射波与内壁氧化层/金属界面的二次反射波等相位点的时间间隔；
  S2＝Ct`·t2/2            （2）
其中：
S2：管内壁氧化层厚度；
Ct`：超声波于氧化层中的传播速度；
  t2：内壁氧化层/空气界面一次反射波与氧化层/金属界面的一次反射波等相位点的时间间隔。
耦合剂为横波耦合剂。仪器参数包括频率、脉冲发射能量、高低通滤波带宽和脉冲重复频率。高频超声波脉冲发生/接收单元的频带宽度为200MHZ。宽频带示波器的频带宽度为200MHZ，采样速率为1GS/S，时间测量精度为±2ns。高频横波直探头的中心频率为20MHz，半高峰频谱宽度为12.6～31.1MHz。高频横波直探头设有小晶片和透声楔。
检测工件时，高频横波直探头用于激励和接收在工件中传播超声波。宽频带高信噪比、高增益的高频超声波脉冲发生/接收单元负责激励高频横波直探头，产生高频、窄脉冲横波超声波信号，同时接收探头的反馈信号。高采样率的宽频带示波器负责显示超声波信号，使之可分辨出氧化层/金属基体界面的反射信号，并能提取不同反射波之间的时间间隔。
仪器参数如频率、脉冲发射能量、高低通滤波带宽和脉冲重复频率，根据选用的探头和被检对象材质及厚度确定。增益值根据实际检验时的耦合情况确定，应保证氧化层二次波不低于满屏高度的20%。关于示波器的时基比例，检测过程中先调节时基比例确定一次波、二次波的位置，之后再调节时基比例及示波器的延迟（或平移）旋钮，分别放大一次波、二次波，读取一二次波中基体层与氧化层所对应的时间值。
  本发明锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法通过采用高频超声波脉冲发生/接收单元，保证了高频信号采集的非失真、高信噪比、高增益和对微弱的氧化层/基体界面反射信号的接收。选用宽频带示波器，采样速率高，保证了高频波形的非失真显示，时间测量精度达±2ns。采用高频横波直探头提高了信号的分辨率。高频横波直探头配有小晶片及透声楔，解决管子曲率大、几何散射大及避开超声波近场区干扰的问题。本发明清晰地分辨氧化层/基体界面反射信号，精确测量锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度，实现锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的同步检测、检测精确度高，操作简单方便，为生产运行和设备维护提供准确的数据。
附图说明
图1为本发明锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度测量装置的示意图；
 图2为超声波于管壁中传播声程示意图；
    图3为示波器显示的超声回波信号及其时间间隔示意图。
    其中：
1—高频超声波脉冲发生/接收单元、2—宽频带示波器、3—高频横波直探头、4—受热面管、l1—透声楔、l2—探头晶片、l3—金属层、l4—氧化层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量装置，如图1所示，由高频超声波脉冲发生/接收单元1、宽频带示波器2和高频横波直探头3组成，高频超声波脉冲发生/接收单元分别与宽频带示波器和高频横波直探头电路连接。高频超声波脉冲发生/接收单元1的频带宽度为200MHZ。宽频带示波器2的频带宽度为200MHZ，采样速率为1GS/S，时间测量精度为±2ns。高频横波直探头3设有小晶片和透声楔，高频横波直探头的中心频率为20MHz，半高峰频谱宽度为12.6－31.1MHz。
本发明锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法为，将超声波探头耦合置于受热面管上，利用高频超声波脉冲发生/接收单元1激励高频横波直探头3，使之在工件中产生超声波，同时接收来自探头的反射信号，由宽频带示波器2显示高频超声波脉冲发生/接受单元发射与接收到的超声波信号。超声波在管壁中按图2所示的路径进行传播，调整示波器2的时基比例，显示图2中所示的各超声波信号，获得如图3所示的显示信号。
图2中 T1为探头/受热面管外壁界面层反射波信号，b11为内壁氧化层/金属基体界面一次反射波信号，b12为内壁氧化层/金属基体界面二次反射波信号，B11为内壁氧化层/空气界面一次反射波信号，B12为内壁氧化层/空气界面二次反射波信号。
图3中，t1为为探头/受热面管外壁界面层反射波与内壁氧化层/金属基体界面一次反射波等相位点的时间间隔。t2为内壁氧化层/空气界面一次反射波与氧化层/金属界面的一次反射波等相位点的时间间隔。t3为内壁氧化层/空气界面一次反射波与内壁氧化层/金属界面的二次反射波等相位点的时间间隔。t4为内壁氧化层/空气界面一次反射波与内壁氧化层/空气界面二次反射波等相位点的时间间隔。
具体测量步骤如下：
⑴按图1所示，连接好高频超声波脉冲发生/接收单元1、宽频带示波器2和高频横波直探头3，调整好仪器参数，仪器参数包扩频率、脉冲发射能量、高低通滤波带宽和脉冲重复频率。
⑵打磨好被测的受热面管4表面，涂上横波耦合剂。
⑶将高频横波直探头3置于被测受热面管4的表面，启动高频超声波脉冲发生/接收单元1进行测量。
    ⑷调整宽频带示波器3的时基比例与增益。时基比例范围根据被检管壁的厚度和超声波频率确定，增益根据现场实际耦合状态确定，氧化层二次波达满屏刻度20%以上。宽频带示波器显示的超声回波信号及其时间间隔。
⑸计算管壁金属层厚度S1和管内壁氧化层厚度S2：
     S1＝Ct·t3/2           （1）
    其中：
    S1：管壁金属层厚度；
     Ct：超声波于钢基体中的传播速度；
  T3：内壁氧化层/空气界面一次反射波与内壁氧化层/金属界面的二次反射波等相位点的时间间隔；
  S2＝Ct`·t2/2             （2）
其中：
S2：管内壁氧化层的厚度；
  Ct`：超声波于氧化层中的传播速度；
  t2：内壁氧化层/空气界面一次反射波与氧化层/金属界面的一次反射波等相位点的时间间隔。
实施例
对材质为12Cr2MoWVTiB，规格为Φ60×4.5mm钢管进行检测，其中：
Ct=0.00323mm/ns；Ct`=0.0029 mm/ns。测得：t3=2352ns；t2=154ns。
计算结果：管壁金属层厚度为S1＝Ct·t3/2=3.8mm，管壁金属层厚度为S2＝Ct`·t2/2=0.45mm。

Claims (5)

1.锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法，测量过程如下：
⑴连接高频超声波脉冲发生/接收单元（1）、宽频带示波器（2）和高频横波直探头（3），调整仪器参数；
⑵打磨被测的受热面管（4）表面，涂上耦合剂；
⑶将高频横波直探头（3）置于被测受热面管（4）表面，启动仪器进行测量；
⑷调整宽频带示波器（3）的时基比例与增益，显示的超声回波信号及其时间间隔；
⑸计算管壁金属层厚度S1和管内壁氧化层厚度S2：
     S1＝Ct·t3/2           （1）
    其中：
    S1：管壁金属层厚度；
     Ct：超声波于钢基体中的传播速度；
  t3：内壁氧化层/空气界面一次反射波与内壁氧化层/金属界面的二次反射波等相位点的时间间隔；
  S2＝Ct`·t2/2            （2）
其中：
 S2：管内壁氧化层厚度；
  Ct`：超声波于氧化层中的传播速度；
   t2：内壁氧化层/空气界面一次反射波与氧化层/金属界面的一次反射波等相位点的时间间隔。
2.根据权利要求1所述锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法，其特征是：所述耦合剂为横波耦合剂。
3.根据权利要求1所述锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法，其特征是：所述仪器参数包括频率、脉冲发射能量、高低通滤波带宽和脉冲重复频率。
4.根据权利要求1所述锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法，其特征是：所述高频超声波脉冲发生/接收单元（1）的频带宽度为200MHZ；所述宽频带示波器（2）的频带宽度为200MHZ，采样速率为1GS/S，时间测量精度为±2ns；所述高频横波直探头（3）的中心频率为20MHz，半高峰频谱宽度为12.6～31.1MHz。
5.根据权利要求1所述锅炉受热面管管壁金属层和氧化层厚度的测量方法，其特征是：所述高频横波直探头（3）设有小晶片和透声楔。
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