专利名称：用于冷凝器不锈钢波纹管的导波检测方法
技术领域：
本发明涉及一种用于冷凝器不锈钢波纹管的导波检测方法，属于无损检测技术领域。本发明利用压电晶片的逆压电效应和压电效应，在波纹管中激励和接收导波，并通过对声能的分析来对波纹管的缺陷有无等进行检测。
背景技术：
在我国，83%以上的电力是由火力发电厂提供的。进入21世纪以来，随着国内经济的快速发展，电力工业的发展也十分迅速。火力发电厂的高压加热器和凝汽器大都采用黄铜管、碳钢或不锈钢管作热交换管。这些管材除了在生产和安装时留下的隐性缺陷并在运行过程继续扩展外，在管道使用过程还会产生各种新的缺陷，如管内沉积物引起的点腐蚀、化学气体诱发形成的管外环形槽状腐蚀坑以及管内流水冲击磨蚀等，从而导致泄漏。现今，对工业管道在役状况的无损检测方法主要包括超声、磁粉、射线、渗透和涡流检测等方法。由于热交换器中热交换管的管束密度较大，空间分布紧凑，采用普通检验方法难以进行有效检查，因此对于冷凝器不锈钢波纹管进行无损检测主要采用涡流检测技术。但在实际检测中采用涡流检验方法需要逐点探测，耗时费力，难以进行大批量的检查。 此外，仅依靠涡流检测通常也难以区分缺陷的种类和形状。超声导波技术是一种新兴的无损检测方法，特别适用于管、杆和板等多种结构的缺陷检测和健康状况评估。该技术可以利用少量传感器对结构进行长距离大范围检测，可以对结构整个横截面上的缺陷进行检测，可以通过调节模态和频率，选取适合的单个或多个导波模态对结构进行健康状况评估。从总的调研情况来看，国内外对一般工业管道的健康状况检测研究较多，许多检测方法趋于成熟，在工程实际中得到了一定的应用，取得了良好效果。而针对大型火电站锅炉管网这种特殊的检测对象，将无损检测技术用于热交换管损伤检测的文献较少。而实时状态检验的高经济性、高效率是必不可少的，因此需要发明一种能够进行长距离检测的无损检测技术，满足冷凝器不锈钢波纹管检测的工程要求。
发明内容
本发明的目的在于通过提供一种用于冷凝器不锈钢波纹管的导波检测方法，利用超声导波技术来实现冷凝器不锈钢波纹管中大范围、长距离快速检测，能够进行长距离检测，检测信号简单明了、便于分析，进而降低检测成本。为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案。本发明包括压电晶片2安装在波纹管1上，和功率放大器4相连接，功率放大器 4与函数发生器3，函数发生器3的输出端和数字示波器5的输入端连接，计算机6和数字示波器5连接，压电晶片2同时也和数字示波器5连接。本发明的利用纵向模态超声导波对冷凝器不锈钢波纹管缺陷有无测量的方法是通过以下步骤实现的
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在波纹管1直管端位置安装压电晶片2，该压电晶片同时用于激励和接收波纹管中的导波信号；由函数发生器3产生一个经Harming窗调制的中心频率可调的窄带脉冲，该中心频率点附近范围内，所选导波模态几乎是非频散的，它的群速度随频率的变化很�。藕诺陌缬敕仍诖ス炭杀３窒喽圆槐洌煌备玫疾Ｌニ俣仁亲羁斓模匀魏尾幌Ｍ鱿值哪Ｊ叫藕哦荚谄浜蟮酱铮子谠谑庇蚰谇殖龈行巳さ男藕牛患だ藕啪β史糯笃�4进行功率放大，而后加载在压电晶片2，在波纹管1中激励所选取的纵向导波模态；激励的导波信号在波纹管1中传播至端面或缺陷处会发生反射，而后被压电晶片 2捕获到而后传入示波器5显示接收到的波形，并通过数据端口存储到计算机6，读取缺陷波包和已知特征波包的到达时间。由于波纹管外壁结构复杂，实际传播距离比轴向长度略长，因此只通过缺陷波包到达时间来计算缺陷的轴向位置会出现偏差。若读取位置已知的特征波包(如端面)到达时间为参考，就可以减少这种偏差，准确计算出缺陷的轴向位置，即实现缺陷的识别和定位。本发明采用了以上的技术方案，达到了以下效果可以对冷凝器不锈钢波纹管缺陷有无进行快速、有效地测量；只需在波纹管的一个端头安装传感器即可对整根波纹管进行检测，检测方便，效率高，劳动强度低。
图1本发明整体安装示意图；图2不锈钢管中纵向模态导波的群速度频散曲线图；图3激励信号时域波形图；图4使用压电晶片自激励自接收时的接收信号。图中，1、波纹管，2、压电晶片，3、函数发生器，4、功率放大器，5、数字示波器，6、计算机。
具体实施例方式结合本发明方法的内容提供一下实施例(1)本实施例中冷凝器不锈钢波纹管的外直径25mm，壁厚为0. 7mm,螺距为10mm， 波高为0. 5mm。波纹管的密度为7900kg/m3，弹性模量210GPa，泊松比0. 285.通过数值求解描述纵向超声导波传播特性的Pochhammer频散方程，可以得到不锈钢管中纵向模态导波的群速度频散曲线。从图2中可以看出，频率为240kHz的L(0，2)模态导波的理论群速度为 eg = 5350m/s。(2)本实施例中的波纹管试样总长为Ll = 3780mm，传感器安装在距波纹管直管段端面处，压电片环整周均勻分布16片，所选压电陶瓷晶片长7mm，宽3mm，厚0. 5mm，振动类型为长度伸缩型。在波纹管上加工一个环向裂纹，周向长度10mm，轴向宽度0.4mm，中心位置距压电片环处L2 = 1500mm。(3)由函数发生器产生峰峰值为300mV的经Harming窗调制的20个震荡周期的单
4音频信号，选择的频率为240kHz，其波形如图3所示。激励信号经功率放大器进行功率放大，加载在压电晶片，进而在波纹管中激励出L(Od)模态导波信号，该信号传播至波纹管端面或缺陷处会发生反射，而后被压电晶片接收，在数字示波器显示，并通过端口存储到计算机中。(4)图4给出了采用本发明时的接收信号。从图中可以看出，在Ο-aiis的时间范围内，幅度最大的波包为端面反射回波，波包到达时间为tl = 1.478ms，则该波包的传播速度为2*Ll/tl = 5115m/s，该速度与理论上240kHz时的纵向L(0，2)模态导波群速度比较接近，故可以判定压电晶片环在240kHz时主要激励纵向L(0，2)模态导波。而这种偏差是由于波纹管外壁结构复杂，实际传播距离比轴向长度略长所致。当波纹管中存在缺陷时，导波会在缺陷处发生反射，接收信号中就会出现缺陷回波，该波包到达时间为t2 = 0. 588ms，缺陷和压电晶片环之间的距离L = Ll*t2/tl = 1503mm，相对误差仅为(L_L2)/L2 = 0. 3%0实验结果进一步验证了超声导波在冷凝器不锈钢波纹管缺陷检测方面的可行性， 同时也为波纹管的在役检测奠定一定基础。
权利要求
1.一种用于冷凝器不锈钢波纹管的导波检测方法，压电晶片(2)安装在波纹管(1)上， 和功率放大器(4)相连接，功率放大器(4)与函数发生器(3)，函数发生器(3)的输出端和数字示波器(5)的输入端连接，计算机(6)和数字示波器( 连接，压电晶片O)同时也和数字示波器( 连接；其特征在于检测方法包括以下步骤在波纹管(1)直管段粘贴长度伸缩型压电晶片( ，同时用于在波纹管(1)中激励和接收导波信号；由函数发生器(3)产生经Harming窗调制的中心频率可调的以及多个震荡周期的正弦脉冲，该激励信号经功率放大器(4)进行功率放大；通过压电晶片0)，在波纹管(1)中激励所选取的纵向导波模态；激励的导波信号当遇到波纹管(1)端面或缺陷处会发生反射，而后被压电晶片(2)捕获到而后传入示波器( 显示接收到的波形，并通过数据端口存储到计算机(6)，读取缺陷波包和已知特征波包的到达时间。
2.根据权利要求1所述的用于冷凝器不锈钢波纹管的导波检测方法，其特征在于所述的由函数发生器(3)产生经Harming窗调制的中心频率为240kHz。
3.根据权利要求1所述的用于冷凝器不锈钢波纹管的导波检测方法，其特征在于所述的由函数发生器(3)产生经Harming窗调制的震荡周期的正弦脉冲为20个。
全文摘要
一种用于冷凝器不锈钢波纹管的导波检测方法，在波纹管(1)直管段粘贴长度伸缩型压电晶片(2)，同时用于在波纹管(1)中激励和接收导波信号；由函数发生器(3)产生经Hanning窗调制的中心频率可调的以及多个震荡周期的正弦脉冲，该激励信号经功率放大器(4)进行功率放大；通过压电晶片(2)，在波纹管(1)中激励所选取的纵向导波模态；激励的导波信号当遇到波纹管(1)端面或缺陷处会发生反射，而后被压电晶片(2)捕获到而后传入示波器(5)显示接收到的波形，并通过数据端口存储到计算机(6)，读取缺陷波包和已知特征波包的到达时间。本发明中的传感器能够进行长距离检测，检测信号简单明了、便于分析，进而降低了检测成本。
文档编号G01N29/04GK102253121SQ20111007199
公开日2011年11月23日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者何存富, 吴斌, 焦敬品, 赵继辰 申请人:北京工业大学
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