CN107632068B - 一种锅炉受热面管减薄量的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锅炉受热面管减薄量的检测方法，包括：步骤1：获取兰姆波在待检测锅炉内受热面管的标准壁厚d₁下的频散曲线；步骤2：根据频散曲线中的群速度频散曲线获取最佳检测频率f₁；步骤3：获取步骤2中的最佳检测频率f₁对应在相速度频散曲线中兰姆波的相速度c_p，并根据斯奈尔定律确定声束入射角α；步骤4：依据步骤3中的声束入射角α，可变角度探头连接超声波探伤仪并维持在最佳检测频率f₁下进行检测，以及采集S0模态和A0模态的回波信号；步骤5：根据回波信号获取S0模态和A0模态端面回波的渡越时间差，并依据渡越时间差进行受热面管的减薄量计算。本发明通过该方法可以方便快捷地完成检测，同上提高检测结果的可靠度。

Description

一种锅炉受热面管减薄量的检测方法

技术领域

本发明属于容器无损检测领域，尤其涉及一种锅炉受热面管减薄量的检测方法。

背景技术

火力发电厂锅炉受热面的安全运行是火电厂金属技术监督最重要的工作。对于高参数大容量机组，特别是超(超)临界机组，机组在运行过程中受吹灰器和烟气的影响，受热面管极易产生吹损导致减薄。现阶段锅炉受热面检查以宏观检查为主，这种方法检查效率低，对检查人员责任心要求较高，并且目不能及之处会存在漏检的情况，故该检查方法对锅炉的稳定运行存在隐患；而即使采用超声测厚仪对壁厚进行测量，由于超声测厚仪是点式测量方式，决定了其测量结果的随机性和偶然性。为提高火电机组用锅炉受热面管检测可靠性和检测效率，针对锅炉受热面管研发一种方便快捷的锅炉受热面管减薄量的检测方法十分必要。

发明内容

针对锅炉受热面管减薄量的现有检测方法中宏观检测存在检查效率低的缺陷、超声测厚仪检测的检测结果存在随机性和偶然性的问题，实有必要提供一种锅炉受热面管的检测方法，可以方便快捷地完成检测，基于兰姆波检测克服现有超声测厚仪中点式测量方式带来的检测结果的随机性和偶然性，提高检测结果的可靠度。

本发明提供一种锅炉受热面管的检测方法，包括：

步骤1：获取兰姆波在待检测锅炉内受热面管的标准壁厚d₁下的频散曲线；

其中，所述频散曲线包括相速度频散曲线和群速度频散曲线，所述相速度频散曲线表示在所述受热面管的标准壁厚d₁下兰姆波的相速度c_p与检测频率f的对应关系，所述群速度频散曲线表示在所述受热面管的标准壁厚d₁下兰姆波的群速度c_q与检测频率f的对应关系；

所述相速度频散曲线和群速度频散曲线均至少包括兰姆波中S0模态和A0模态下的曲线；

步骤2：根据步骤1的频散曲线中的群速度频散曲线获取最佳检测频率f₁；

其中，所述最佳检测频率f₁对应在群速度频散曲线中的S0模态的群速度和A0模态的群速度的差值小于预设值；

步骤3：获取步骤2中的最佳检测频率f₁对应在所述相速度频散曲线中兰姆波的相速度c_p，并根据斯奈尔定律确定声束入射角α；

其中，斯奈尔定律对应的计算公式如下所示：

α＝arcsin(c_l/c_p)；

式中，c_l表示探头锲块中的纵波的传播速度；

步骤4：依据步骤3中的声束入射角α，将可变角度探头连接超声波探伤仪并维持在最佳检测频率f₁下进行检测，同时采集S0模态和A0模态的回波信号；

步骤5：根据步骤4中回波信号获取S0模态和A0模态端面回波的渡越时间差，并依据渡越时间差进行所述受热面管的减薄量计算；

其中，若所述渡越时间差小于预设阈值，所述待检测锅炉的受热面管未发生减薄；

若所述渡越时间差大于或等于预设阈值，根据所述渡越时间差计算出所述待检测锅炉的受热面管中已知吹损长度L的减薄量。

将待检测锅炉的参数代入兰姆波频散方程并采用现有的方式绘制出频散曲线。

优选地，所述相速度频散曲线的横坐标是检测频率f，纵坐标是兰姆波的相速度c_p，所述群速度频散曲线的横坐标是检测频率f，纵坐标是兰姆波的群速度c_q。

优选地，所述相速度频散曲线的横坐标是频积厚fd，纵坐标是兰姆波的相速度c_p，所述群速度频散曲线的横坐标是频积厚fd，纵坐标是兰姆波的群速度c_q；

其中，fd＝f×d；

式中，f为检测频率，d为受热面管的壁厚；

获取的所述相速度频散曲线和所述群速度频散曲线中横坐标的频厚积fd为检测频率f与受热面管的标准壁厚d₁的乘积。

频散曲线的横坐标为频厚积fd时，在频散曲线中最佳检测频率f₁对应的频厚积fd就为最佳检测频率f₁与受热面管的标准壁厚d₁的乘积，即最佳检测频率f₁对应的相速度或者群速度实质上为最佳检测频率f₁对应的频厚积fd₁在频散曲线中所对应的相速度或者群速度。

优选地，步骤5中根据所述渡越时间差计算出所述待检测锅炉的受热面管中已知吹损长度L的减薄量的过程如下：

首先按照如下公式计算出在所述受热面管的吹损长度L内的S0模态端面回波速度C_S0：

其中，C_A0表示为吹损长度L内A0模态的群速度，C_A0等于最佳检测频率f₁对应在所述群速度频散曲线中A0模态的群速度，ΔT表示S0模态和A0模态端面回波的渡越时间差；

其次，根据所述群速度频散曲线中S0模态的曲线获取C_S0群速度下的频厚积fd₂，并将获取的C_S0群速度下的频厚积fd₂除以最佳检测频率f₁计算出受热面管的实际壁厚d₂；

其中，fd＝f×d；

式中，fd为频厚积，f为检测频率，d为受热面管的壁厚；

最后，按照如下公式计算出受热面管减薄量Δd：

Δd＝d₁-d₂。

利用渡越时间差以及群速度频散曲线获取到实际情况的频厚积fd₂，而又因为是保持在最佳检测频率f₁下进行检测，进而可知受热面管的实际壁厚d₂，从而计算受热面管的减薄量Δd。

且在群速度频散曲线中A0模态的群速度曲线平缓，尤其是检测频率大于某特定值后，A0模态的群速度基本保持不变，故C_A0等于最佳检测频率f₁对应在所述群速度频散曲线中A0模态的群速度。

其中，群速度频散曲线的横坐标为检测频率f时，C_S0群速度下的频厚积fd₂为在群速度频散曲线中C_S0群速度对应的检测频率f与受热面管的标准壁厚d₁的乘积；若群速度频散曲线的横坐标为频厚积fd时，C_S0群速度下的频厚积fd₂为C_S0群速度在群速度频散曲线对应的横坐标。

优选地，步骤1中获取频散曲线的过程如下：

首先，获取待检测锅炉的受热面管的标准壁厚d₁；

最后，将所述标准壁厚d₁代入兰姆波频散方程求取获得所述相速度频散曲线和所述群速度频散曲线；

其中，兰姆波频散方程如下所示：

对称模态：

反对称模态：

群速度c_q与相速度c_p的关系：

其中，p²＝ω²/c_L ²-k²，q²＝ω²/c_T ²-k²，k＝ω/c_p，fd＝f×d；

c_L、c_T分别为受热面管内纵波波速和横波波速，h等于受热面管的标准壁厚d₁，k为波数，ω为圆频率，fd为频厚积，f为检测频率，d为受热面管的壁厚。

将自由板的兰姆波频散方程中板厚h取值为受热面管的标准壁厚，进而实现了利用板的兰姆波频散方程得到近似的兰姆波在圆管中的频散曲线。

优选地，步骤2中获取最佳检测频率的过程如下：

首先，获取特定横坐标的值；

其中，在所述群速度频散曲线中所述特定横坐标对应的A0模态和S0模态的群速度相等，且满足随着横坐标由所述特定横坐标减少时A0模态和S0模态的群速度差异变大；

其次，再根据所述特定横坐标的值获取检测频率，得到的所述检测频率为最佳检测频率f₁。

横坐标为检测频率f时，特定横坐标即为最佳检测频率f₁；横坐标为频积厚fd时，得到特定横坐标即特定频厚积fd₁时，将特定频积厚除以受热面管的标准壁厚d₁后的检测频率为最佳检测频率。特定频厚积fd₁下A0模态和S0模态的群速度相等，而且随着频厚积fd减少A0模态和S0模态的群速度差异变大，故可知在该特定频厚积fd₁下A0、S0模态群速度是个分界点，从而可以有效地识别两者模态端面回波的渡越时间差ΔT，提高最终检测结果的可靠性。

优选地，步骤3中兰姆波在所述受热面管的相速度c_p为所述最佳检测频率f₁对应在所述相速度频散曲线中S0模态的相速度c_p1。

选用S0模态的相速度计算入射角，能同时激发出A0与S0两种模态兰姆波。

优选地，步骤4中可变角度探头连接超声波探伤仪进行检测之前，对所述可变角度探头的接触面进行打磨，使所述可变角度探头的接触面与所述受热面管的被检管面的契合度达到30％～50％相契合。

由于已选用的可变角度探头接触面为平面，因此需要对接触面进行打磨，确保探头与被检管面充分接触。

优选地，所述超声波探伤仪的耦合剂为机油或浆糊。

有益效果：

本发明提供一种锅炉受热面管减薄量的检测方法，通过获取兰姆波在待检测锅炉内的频散曲线进而获取到最佳检测频率，并采用S0模态和A0模态同时进行检测的方式，通过分析S0模态和A0模态端面回波的渡越时间差来实现受热面管的减薄判断以及受热面管的减薄量计算，其中，若渡越时间差小于预设阈值，受热面管未发生减薄；若渡越时间差大于或等于预设阈值，则根据渡越时间差计算出待检测锅炉的受热面管中已知吹损长度L的减薄量。通过上述方法，一方面利用兰姆波实现了自动检测，提高了检测效率，不依靠人为判断，提高检测结果；再者，采用兰姆波的S0模态和A0模态同时进行的方式，基于兰姆波的检测范围大、检测距离远、检测时可以从一个探测点实现大面积长距离的检测特征，提高检测结果的可靠度，克服了现有超声测厚仪中点式测量方式的测量结果的随机性和偶然性。

此外，本发明结合频散曲线进行计算，而频散曲线是依据待检测锅炉的参数得出的，故本发明的频散曲线是与待检测锅炉相匹配的，进而提高检测结果的真实性和准确度。

再者，本发明选用维持在最佳检测频率下进行检测，而最佳检测频率是根据特定频厚积fd₁下A0模态和S0模态的群速度相等，而且随着频厚积fd减少A0模态和S0模态的群速度差异变大时的特定频厚积fd₁得出的，故可知在该特定频厚积fd₁下A0、S0模态群速度是个分界点，从而可以有效地识别两者模态端面回波的渡越时间差ΔT，提高最终检测结果的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的锅炉受热面减薄量的检测装置的示意图；

图2是本发明实施例提供的受热面管的标准壁厚d₁＝4.00mm，c_L＝5.940m/ms，c_T＝3.240m/ms的频散曲线；

图3是本发明实施例提供的受热面管的标准壁厚d₁＝3.50mm，c_L＝5.940m/ms，c_T＝3.240m/ms的频散曲线。

具体实施方式

下述将结合具体实施例对本发明进一步说明。具体的，本发明将以尺寸为

的低温再热器管检测为例，说明本发明火电机组用锅炉受热面管减薄量的检测方法。

如图1所示，用于检测锅炉受热面减薄量的检测装置包括：超声探伤仪、PC(personal computer)机、超声探头，其中，PC机和超声探头分别与超声探伤仪连接。超声探头采用可变角度探头，PC机用于根据回波信号计算出受热面管的减薄量。

本实施例中一种锅炉受热面管减薄量的检测方法包括如下步骤：

步骤1：获取兰姆波在待检测锅炉内受热面管的标准壁厚d₁下的频散曲线。

其中，频散曲线包括相速度频散曲线和群速度频散曲线，相速度频散曲线表示在受热面管的标准壁厚d₁下兰姆波的相速度c_p与检测频率的对应关系，群速度频散曲线表示在受热面管的标准壁厚d₁下兰姆波的群速度c_q与检测频率的对应关系；相速度频散曲线和群速度频散曲线均至少包括了兰姆波中S0模态和A0模态下的曲线。本实施例中，优选相速度频散曲线的横坐标是检测频率f，纵坐标是兰姆波的相速度c_p，群速度频散曲线的横坐标是检测频率f，纵坐标是兰姆波的群速度c_q，如图2中的上图和下图所示分别为标准壁厚d₁＝4.00mm的相速度频散曲线和群速度频散曲线，如图3中的上图和下图所示分别为标准壁厚d₁＝3.50mm的相速度频散曲线和群速度频散曲线。

其他可行的实施例中，相速度频散曲线的横坐标是频积厚fd，纵坐标是兰姆波的相速度c_p，群速度频散曲线的横坐标是频积厚fd，纵坐标是兰姆波的群速度c_q，获取的相速度频散曲线和群速度频散曲线中的频厚积fd为检测频率f与受热面管的标准壁厚d₁的乘积。

其中，频厚积的定义为：fd＝f×d，式中，f为检测频率，d为受热面管的壁厚。

获取频散曲线的具体过程为：首先，获取待检测锅炉的受热面管的标准壁厚d₁；

最后，将标准壁厚d₁代入兰姆波频散方程求取获得相速度频散曲线和群速度频散曲线；

其中，兰姆波频散方程如下所示：

对称模态：

反对称模态：

群速度c_q与相速度c_p的关系：

其中，p²＝ω²/c_L ²-k²，q²＝ω²/c_T ²-k²，k＝ω/c_p；

c_L、c_T分别为受热面管内纵波波速和横波波速，h等于受热面管的标准壁厚d₁，k为波数，ω为圆频率，其中c_L、c_T、k、ω的值均是通过现有方法进行现场实测。

步骤2：根据步骤1的频散曲线中的群速度频散曲线获取最佳检测频率f₁；

其中，最佳检测频率f₁对应在群速度频散曲线中的S0模态的群速度和A0模态的群速度的差值小于预设值，本实施例中优选地对应的S0模态的群速度和A0模态的群速度的差值为零，获取最佳检测频率f₁的过程如下：

首先，获取特定横坐标的值；

其中，在所述群速度频散曲线中所述特定横坐标对应的A0模态和S0模态的群速度相等，且满足随着横坐标由所述特定横坐标减少时A0模态和S0模态的群速度差异变大；

其次，再根据所述特定横坐标的值获取检测频率，得到的所述检测频率为最佳检测频率f₁。

若是频散曲线的横坐标为检测频率f，则特定横坐标的值为最佳检测频率f₁，若频散曲线的横坐标为频厚积fd，则将特定横坐标的值除以受热面管的标准壁厚d₁得到检测频率，得到的检测频率为最佳检测频率f₁。

步骤3：获取步骤2中的最佳检测频率f₁对应在所述相速度频散曲线中兰姆波的相速度c_p，并根据斯奈尔定律确定声束入射角α；

其中，斯奈尔定律对应的计算公式如下所示：

α＝arcsin(c_l/c_p)；

式中，c_l表示探头锲块中的纵波的传播速度；

本实施例优选，兰姆波在所述受热面管的相速度c_p为所述最佳检测频率f₁对应在所述相速度频散曲线中S0模态的相速度c_p1。这是因为选用S0模态的相速度计算入射角，能同时激发出A0模态与S0模态两种模态兰姆波。如图2和图3所示，从图2中上图可知，f＝0.5MHz时，S0模态相速度＝5000m/s，A0模态相速度为2740m/s，从图3中的上图可知，f＝0.5MHz时，S0模态相速度＝5170m/s，A0模态相速度＝2680m/s。由此可知随着壁厚d的减少，A0模态的相速度保持一致，而S0相速度产生变化。故选用S0的相速度计算入射角，才能同时激发出A0模态与S0模态两种模态兰姆波。从图2中下图和图3的下图可知，在f≥0.2MHz时，A0的群速度保持一致，而S0的群速度则随着检测频率f的变化而剧烈变化。欲使工件中同时产生A0与S0两种模态兰姆波，则优选S0模态的相速度来计算入射角。

例如，本实施例中选取已发生减薄的规格为

的低温再热器管，根据频散分析针对此管规格选用500KHz频率的可变角度探头，并经计算确定声束入射角α为35.2°。

步骤4：依据步骤3中的声束入射角α，将可变角度探头连接超声波探伤仪并维持在最佳检测频率f₁下进行检测，以及采集S0模态和A0模态的回波信号；

步骤5：根据步骤4中回波信号获取S0模态和A0模态端面回波的渡越时间差，并依据渡越时间差进行所述受热面管的减薄量计算。

其中，若所述渡越时间差小于预设阈值，所述待检测锅炉的受热面管未发生减薄；若所述渡越时间差大于或等于预设阈值，根据所述渡越时间差计算出所述待检测锅炉的受热面管中已知吹损长度L的减薄量。预设阈值是根据大量的实验验证推算而来。

具体的，根据所述渡越时间差计算出所述待检测锅炉的受热面管中已知吹损长度L的减薄量的过程如下：

首先按照如下公式计算出在所述受热面管的吹损长度L内的S0模态端面回波速度C_S0：

其中，C_A0表示为吹损长度L内A0模态的群速度，C_A0等于最佳检测频率f₁对应在所述群速度频散曲线中A0模态的群速度，ΔT表示S0模态和A0模态端面回波的渡越时间差；

其次，根据所述群速度频散曲线中S0模态的曲线获取C_S0群速度下的频厚积fd₂，并将获取的C_S0群速度下的频厚积fd₂除以最佳检测频率f₁计算出受热面管的实际壁厚d₂；

最后，按照如下公式计算出受热面管减薄量Δd：

Δd＝d₁-d₂。

例如，本实施例通过上述方法在吹损检测长度为1.5m，经计算可得整个被检测管最大减薄量为1.58mm。

本实施例还优选，步骤4中可变角度探头连接超声波探伤仪进行检测之前，对所述可变角度探头的接触面进行打磨，使所述可变角度探头的接触面与所述受热面管的被检管面契合度达到30％～50％相契合。例如在被检管面上铺上180#及600#砂纸，打磨可变角度探头接触面，保证探头与被检管面充分接触。

本实施例还优选选用浆糊作为耦合剂。

需要说明的是，本发明的检测方法不限定于火电机组用锅炉，还可以适用于其他类型的锅炉，本发明对此不进行具体的限定。

本发明通过上述锅炉受热面管的检测方法实现了自动检测，提高了检测效率，不依靠人为判断，提高检测结果；再者，采用兰姆波的S0模态和A0模态同时进行的方式，基于兰姆波的检测范围大、检测距离远、检测时可以从一个探测点实现大面积长距离的检测特征，提高检测结果的可靠度，克服了现有超声测厚仪中点式测量方式的测量结果的随机性和偶然性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的范围内可对其进行许多修改，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种锅炉受热面管减薄量的检测方法，其特征在于：包括：

步骤1：获取兰姆波在待检测锅炉内受热面管的标准壁厚d₁下的频散曲线；

其中，所述频散曲线包括相速度频散曲线和群速度频散曲线，所述相速度频散曲线表示在所述受热面管的标准壁厚d₁下兰姆波的相速度c_p与检测频率f的对应关系，所述群速度频散曲线表示在所述受热面管的标准壁厚d₁下兰姆波的群速度c_q与检测频率f的对应关系；

所述相速度频散曲线和群速度频散曲线均至少包括兰姆波中S0模态和A0模态下的曲线；

步骤2：根据步骤1的频散曲线中的群速度频散曲线获取最佳检测频率f₁；

其中，所述最佳检测频率f₁对应在群速度频散曲线中的S0模态的群速度和A0模态的群速度的差值小于预设值；

步骤3：获取步骤2中的最佳检测频率f₁对应在所述相速度频散曲线中兰姆波的相速度c_p，并根据斯奈尔定律确定声束入射角α；

其中，斯奈尔定律对应的计算公式如下所示：

α＝arcsin(c_l/c_p)；

式中，c_l表示探头锲块中的纵波的传播速度；

步骤4：依据步骤3中的声束入射角α，将可变角度探头连接超声波探伤仪并维持在最佳检测频率f₁下进行检测，同时采集S0模态和A0模态的回波信号；

步骤5：根据步骤4中回波信号获取S0模态和A0模态端面回波的渡越时间差，并依据渡越时间差进行所述受热面管的减薄量计算；

其中，若所述渡越时间差小于预设阈值，所述待检测锅炉的受热面管未发生减薄；

若所述渡越时间差大于或等于预设阈值，根据所述渡越时间差计算出所述待检测锅炉的受热面管中已知吹损长度L的减薄量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述相速度频散曲线的横坐标是检测频率f，纵坐标是兰姆波的相速度c_p，所述群速度频散曲线的横坐标是检测频率f，纵坐标是兰姆波的群速度c_q。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述相速度频散曲线的横坐标是频积厚fd，纵坐标是兰姆波的相速度c_p，所述群速度频散曲线的横坐标是频积厚fd，纵坐标是兰姆波的群速度c_q；

其中，fd＝f×d；

式中，f为检测频率，d为受热面管的壁厚；

获取的所述相速度频散曲线和所述群速度频散曲线中横坐标的频厚积fd为检测频率f与受热面管的标准壁厚d₁的乘积。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：步骤5中根据所述渡越时间差计算出所述待检测锅炉的受热面管中已知吹损长度L的减薄量的过程如下：

首先按照如下公式计算出在所述受热面管的吹损长度L内的S0模态端面回波速度C_S0：

其中，C_A0表示为吹损长度L内A0模态的群速度，C_A0等于最佳检测频率f₁对应在所述群速度频散曲线中A0模态的群速度，ΔT表示S0模态和A0模态端面回波的渡越时间差；

其次，根据所述群速度频散曲线中S0模态的曲线获取C_S0群速度下的频厚积fd₂，并将获取的C_S0群速度下的频厚积fd₂除以最佳检测频率f₁计算出受热面管的实际壁厚d₂；

其中，fd＝f×d；

式中，fd为频厚积，f为检测频率，d为受热面管的壁厚；

最后，按照如下公式计算出受热面管减薄量Δd：

Δd＝d₁-d₂。

5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：步骤1中获取频散曲线的过程如下：

首先，获取待检测锅炉的受热面管的标准壁厚d₁；

最后，将所述标准壁厚d₁代入兰姆波频散方程求取获得所述相速度频散曲线和所述群速度频散曲线；

其中，兰姆波频散方程如下所示：

对称模态：

反对称模态：

群速度c_q与相速度c_p的关系：

其中，p²＝ω²/c_L ²-k²，q²＝ω²/c_T ²-k²，k＝ω/c_p，fd＝f×d；

c_L、c_T分别为受热面管内纵波波速和横波波速，h等于受热面管的标准壁厚d₁，k为波数，ω为圆频率，fd为频厚积，f为检测频率，d为受热面管的壁厚。

6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：步骤2中获取最佳检测频率的过程如下：

首先，获取特定横坐标的值；

其中，在所述群速度频散曲线中所述特定横坐标对应的A0模态和S0模态的群速度相等，且满足随着横坐标由所述特定横坐标减少时A0模态和S0模态的群速度差异变大；

其次，再根据所述特定横坐标的值获取检测频率，得到的所述检测频率为最佳检测频率f₁。

7.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：步骤3中兰姆波在所述受热面管的相速度c_p为所述最佳检测频率f₁对应在所述相速度频散曲线中S0模态的相速度c_p1。

8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：步骤4中可变角度探头连接超声波探伤仪进行检测之前，对所述可变角度探头的接触面进行打磨，使所述可变角度探头的接触面与所述受热面管的被检管面的契合度达到30％～50％相契合。

9.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：所述超声波探伤仪的耦合剂为机油或浆糊。

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