电磁超声检测中高温对横波声速的影响

近年来,我国工业行业得到了快速发展,装置 逐步向大型化高参数发展,与此同时,作为企业生 命线的高温主蒸汽管网也进行了大量的建设。然而 目前由于装置长周期运行的要求以及装置检修安 排的错时性特点,高温主蒸汽管网往往无法停车进 行检验,同时目前国内许多企业的高温蒸汽管网中 的一部分服役较早的管线很少检验,有些甚至没有 检验过。企业高温蒸汽管网的安全运行正是目前工 程技术人员日益关注的问题,研究和发展高温蒸汽 管网在线状态监测技术已成为确保蒸汽管网安全 有效运行的必然要求。然而由于高温蒸汽管网温度 较高(>400℃),常规压电式超声测厚仪、探伤仪 无法在该温度下应用。电磁超声技术(EMAT)是近 年来发展迅速的检测方法,EMAT技术采用数字式, 属于非接触超声检测,检测温度最高可达500℃, 能激发各种类型的超声波,已经广泛地应用在各种 锻件、钢板、钢管的手动、半自动和全自动无损检 测中。

目前国内合肥通用机械研究院和大庆石油学院 在高温状态下的无损检测技术的研究较多。关卫和, 梁宏宝等人通过试验分析在常温~250℃范围内, 测定了随温度变化压力容器和压力管道用碳钢中横 波声速的变化规律,他们均采用高温测厚探头,选 用相应的高温耦合剂,测试了人工反射体的回波位

置随温度变化的情况,给出了由于温度变化产生测 量误差的修正方法;测量了常温到250℃范围内低 碳钢的超声横波衰减系数,取得了一定的研究成果, 但上述技术还无法应用于主蒸汽管网的在线检测。

超声波横波速度的测量,对高温测厚起着决定性的 作用。电磁超声发射出的横波超声并不是单一频率 的横波,是各种横波叠加而成的波束。本文介绍电 磁超声高温测厚原理及应用,使用美国lnnerspee公 司的电磁超声仪,以Q345R材料为对象,测量并分 析在蒸汽管线正常使用温度(20℃-400℃)范围时, EMAT横波声速与材料温度的关系,为高温主蒸汽 管网在线状态监测技术研究提供实践经验和数据资

如图1所示是电磁超声壁厚检测原理图,对换 能器的高频发射线圈通一强大的脉冲电压在铁磁材

料内感应出涡流,在偏置磁场的作用下,材料体内 激发出频率相同的电磁超声波,通常为传播方向与 振动方向相互垂直的横波。在铁磁材料边界面上电 磁超声的透射能力低,所以材料内的电磁声可以多 次在工件体内来回反射,回波被放置在金属材料上 的线圈所接收,则超声波往返在工件中传播的时间 即为两个回波信号的时间差。

应用电磁超声进行无损检测时,可以对高温, 危险区域的管线、表面粗糙、表面有锈垢和油漆层 的管线直接进行检测,不需要耦合剂,非常适用在 高温、高压管道壁厚的在线测量,高温测量中具有 很大的优势。EMAT检测技术采用非接触特性检测, 很好地克服压电超声的缺点,能解决板材、管材的 自动测厚问题。

2温度对超声波横波声速的影响 据理论计算表明,金属材料中的声速是随温度 的升高而降低的,考虑材料是各向同性的传声介质 时,其声速计算公式表示如下:

式中G一刚性模量,或称剪切弹性模量。由 (1)式可得,金属试验中的声速与密度、弹性模量、 泊松比相关,而这些参数随着温度的变化将发生 变化。

3实验测试 在EMAT高温测厚时,影响检测灵敏度的因素 包括随温度变化材质的变化,试块温度非均匀性, 热膨胀,仪器闸门的调节等,本实验忽略这些因素 对测量的影响。

3.1实验条件 高功率手持式电磁超声仪器,手持式激光测温 仪,电加热炉,厚度规格为6mm,10mm,12mm, 14mm,20mm的试板,材料为Q345R。实验现场如 图2所示。

3.2实验过程 通过电加热炉对试板进行加热,将加热后的高 温试板放在瓷板上,用电磁超声仪器进行测厚,同 时用激光测温仪测量试板的温度,试板每下降一 定温度测量其厚度。电磁超声仪器设置的声速为 3152m/s。

4实验结果和数据处理 用电磁超声仪器测得各温度下的厚度为表1。

由表1可知,随着试样温度的上升,EMAT测 厚值越大。300℃时的厚度值与25℃时的厚度值相 比,其值相差近0.6mm,超过了基准值的5%。所 以在高温检测时不能采用常温时声速,必须修正。

10mm试板游标卡尺实测厚度为10.06mm,电 磁超声常温实测值为10.02mm,验证了EMAT技 术在常温下的准确性。电磁超声仪器声速初设值 为3152m/s,厚度值为声速乘以超声通过试板的时 间。设温度下的材料的声速分别是下列公式中的

同理可得各温度下的横波声速,其计算结果见 表1。

计算得其他厚度试板的横波声速,随着温度变 化横波声速的试验曲线见图3。

5分析讨论 由图3的整体数据可知,EMAT的横波声速呈 直线衰减,可采用拟合直线来揭示EMAT声速随温 度变化的规律。一般情况下,直线拟合规律可以完 全满足工程上的要求。利用线性回归方程进行拟合, 得到20mm厚试块下的直线拟合方程,如图4所示。

图4中v表示横波声速,△t表示摄氏温度,其横 波声速随温度变化率为0.7263m/(s·℃)。同理得到 其他厚度试板的声速随温度变化率,如表2所示。

同,及影响实验的各个因素,不同厚度试板所得的 横波声速随温度变化率略有不同。为了得到工程上 Q345R材料横波声速随温度变化的规律,将5块试 板的数据取平均值,为0.6825m/(s·℃)。在已知一 个温度下的EMAT横波声速,就可以计算出各个温 度下的横波声速。

6结语 电磁超声作为无损检测新技术,具备了传统超 声检验的全部优势,EMAT检测可以对高温,危险 区域的管线、表面粗糙、表面有锈垢和油漆层的管 线直接进行检测,非常适合高温主蒸汽管网的在线 检测。本文通过实验验证了EMAT技术在常温测 量时的准确性;得到在25℃~400℃范围变化内, EMAT横波在Q345R钢内的传播速度值,按其趋势 拟合了EMAT横波声速随温度变化规律关系式。不 同厚度试板所得的EMAT横波声速随温度变化率略 有不同,其平均值为0.6825m/(s·℃),用以修正 Q345R材料不同温度下EMAT横波声速的实际值, 解决目前EMAT技术在主蒸汽管线高温在线检测应 用上急需解决的问题。

文章原作者：·浙江省特种设备检验研究院 虞雪芬 叶凌伟 夏立