超临界机组高温高压管道无损检测方法研究

郝延涛，陈稳定

(西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710032)

超临界机组高温高压管道(简称Suhtp管道)由于长期受到高温高压作用的影响，导致管道容易产生裂缝，故需要对该管道进行无损检测[1]。通过研究Suhtp管道无损检测方法，提升了管道生产设备的监测性能，并能够及时发现影响管道装置或构件安全运行的隐患[2]。

目前，Suhtp管道的无损检测方法主要有X射线检测方法、超声检测方法以及红外检测方法[3]，相关领域的学者对此进行研究并取得了一定的研究成果。文献[4]提出了一种基于X射线实时成像技术的产品无损检测方法，采用X射线仪器对实时成像检测粉末产品的缺陷进行检测，结合自回归分析方法对测量值取均值，最后用3D法进行无损检测。该方法的弊端在于进行管道损伤检测时传输损耗较大，自适应性较差。文献[5]提出了一种基于红外逐点扫描的聚乙烯管管道无损检测方法，结合红外光谱特征分析方法，实现聚乙烯管管道厚度检测。该方法计算量较大，且对管道裂缝检测的自适应性较差。

针对上述问题，本文提出基于超声波检测的Suhtp管道无损检测方法。首先逐点扫描Suhtp管道均匀分布的裂缝，获取其相关参量；然后再依据Suhtp管道的特征阻抗，进行裂缝检测，得出Suhtp管道无损检测的统计特征量，从而完成无损检测；最后通过实验分析，表明了本文方法在提高Suhtp管道无损检测能力方面有着优越性能。

1 管道的超声场损伤特征分布及无损检测统计量计算

1.1 管道损伤特征分布

为了实现管道无损检测，首先需要分析管道的损伤特性，如图1所示。管道超声波无损检测包含Suhtp管道的管壁、金属介质层的回波以及声场反射特征检测等[6-7]。

图1 Suhtp管道的损伤特性

根据图1对管道进行损伤特征分析，由于高温高压管道介质密度具有不均匀性，通过超声回波传播的透射性，得到管道的透射率Tw约为0.012；由Tw+Rw=1，得到管道的声场反射率Rw约为0.988；根据检测原理，采用超声回波探测方法，结合X射线的衰减特性进行Suhtp管道的无损检测特征分析，得到Suhtp管道宽度H为：

H=R-r

(1)

式中：R为衰减管壁的半径；r为声能量的输出内圆半径。

超声波透过固-液界面进入液体介质时，高温高压管道损伤的被测量值与输入量关系为：

(2)

式中：UH为高温高压管道损伤的被测量值；UR，Ur分别为管道外圆和内圆半径损伤输入量。令U=UR=Ur，引进不确定度u，则接收探头所接收的高温高压管道损伤特征分布为：

U′=2U2u

(3)

式中：U′为接收探头所接收的高温高压管道损伤特征数值。

1.2 管道无损检测统计量计算

根据上述管道损伤特征分析，进行Suhtp管道的无损检测统计量计算。

为了减小Suhtp管道损伤度的测量误差，引入标准偏差进行线性拟合分析，得到损伤偏差S：

(4)

u=S=0.002 5 (mm)

(5)

当一束超声波以一定的倾斜角到达管道边界时，采用自适应的调节反馈补偿方法，根据折射纵波和折射横波的差异性，分别得到Suhtp管道的第一临界角u1和第二临界角u2:

(6)

(7)

通过上述分析对管道无损检测进行数学建模，根据管道的截面厚度对裂缝进行检测研究。

2 基于超声波检测的高温高压管道无损检测方法

2.1 裂缝检测与特征提取

在上述管道无损检测统计量分析的基础上，进行管道的无损检测设计。本文提出基于超声波检测的Suhtp管道无损检测方法，在X射线的测量环境中，分析高温高压管道被反射或是转换成界面波的损伤，当u=2时，得到高温高压管道损伤测量的分辨误差输出ue为：

ue=2uc=2×0.017=0.034 (mm)

(8)

式中：uc为高温高压管道损伤测量的分辨误差。

(9)

透射系数T为：

(10)

2.2 Suhtp管道无损检测

考虑到管道在损伤条件下介质的黏性吸收和热传导吸收，建立管道不确定度测量模型，分析不同的超声波衍射特征在同一介质中的差异性，得到高温高压管道中的损伤特征分量：

(11)

式中：ρc0为管道特征阻抗；pia为负载阻抗；pta为源阻抗；p2ta为偏差角。设D为幅角，x为模角，当x=D或D+x=0时，可以推导出在(x,D)处管道的切变黏度η′与x=0处的超声波探测声压幅值ρ0之比tp：

(12)

其中

(13)

式中：S1为失配因子；S2为失配损耗。

通过上述计算，提取反射波声压振幅与入射波声压振幅作为管道无损检测的统计特征量，实现Suhtp管道无损检测。

3 实验与结果分析

为了验证本文方法用于Suhtp管道无损检测的可靠性，进行实验分析。实验设定高温高压管道的吸收系数为As=8.5×10-15s2/m，采用HVIC(high voltage integrated circuit ,高压集成电路)和闩锁抗干扰CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)制造工艺进行管道的无损检测，透过固-液界面引入6%的超声能量，给定初始的超声波检测量分辨力为0.15 ，输入失调电压为350 μV，误差给定估计值为0.012 mm。根据上述参数设定，进行管道的无损检测，得到管道误差校准原始数据见表1。

表1 管道误差校准原始数据

以表1的数据为原始样本，采用10次重复性测量分析进行管道的无损检测，得到Suhtp管道检测特征波形，如图2所示。

图2 Suhtp管道检测特征波形

分析图2可知，采用本文方法进行Suhtp管道检测的输出收敛性较好，可以算出超声波接收到回波的大致时间为230 μs，说明测试的收敛性较好，管道无损数据10次重复性测量结果见表2。

表2 Suhtp管道无损数据10次重复性测量结果

分析表2可知，采用本文方法对管道进行测量，能准确测量出管道损伤，对管道与管壁之间分界线的测试结果准确，对管道无损检测的置信度高于99.56%。

为了使实验具有可信性，采用基于磁记忆法和红外检测法作为实验对照组，测试不同方法的检测准确率，得到对比结果如图3所示。

图3 检测准确性对比

分析图3可知，当信噪比由-8 dB增加到10 dB时，本文方法检测准确率最高，均值为94.3%，而磁记忆法与红外检测法的准确率均值分别为86.5%和72.7%；随着信噪比增大，检测准确率越来越高，本文方法检测准确率在信噪比为2 dB时接近100%，而磁记忆法在信噪比为8 dB时才接近100%，红外检测法的准确率最高只有90%。由此可知，相比磁记忆法和红外检测法,采用本文方法进行Suhtp管道检测准确率更高。

4 结束语

本文提出基于超声波检测的Suhtp管道无损检测方法，通过分析Suhtp管道的损伤特征分布，采用自适应的调节反馈补偿方法，提取Suhtp管道的衍射波，并提取反射波声压振幅与入射波声压振幅作为管道无损检测的统计特征量，实现Suhtp管道无损检测。研究结果表明，本文方法进行Suhtp管道无损检测的准确率较高，具有很高的可信度。本文方法在管道的裂缝损伤检测和定位中具有较高的应用价值。