鍋爐金屬銅體焊縫裂紋的檢驗(yàn)方法和研究

趙永年

（武威市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，甘肅 武威 733000）

鍋爐是一種多流程能量轉(zhuǎn)換裝置，是當(dāng)代大型發(fā)電廠發(fā)熱系統(tǒng)中的重要機(jī)械設(shè)備，同時(shí)也是生活中為人們提供所需熱能的核心設(shè)備，由于其操作簡(jiǎn)單、發(fā)熱所需成本較低，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到人們生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域中。鍋爐主要由汽水系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)兩大部分組成，燃燒系統(tǒng)通過對(duì)燃料燃燒，將產(chǎn)生的熱能通過金屬銅管傳遞到汽水系統(tǒng)中，再有汽水系統(tǒng)將熱能通過水蒸氣向外傳遞，從上可以看出金屬銅管是連接鍋爐兩大系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。通常情況下是利用焊接技術(shù)將汽水系統(tǒng)與燃燒系統(tǒng)連接在一起的，為了保證鍋爐運(yùn)行的安全性，在焊接完成后需要對(duì)鍋爐金屬銅體焊縫是否有裂紋進(jìn)行檢驗(yàn)，如果鍋爐金屬銅體焊縫存在裂紋會(huì)使鍋爐設(shè)備運(yùn)行存在潛在威脅，容易出現(xiàn)鍋爐爆炸和漏水現(xiàn)象，因此鍋爐金屬銅體焊縫裂紋檢驗(yàn)已經(jīng)成為保障鍋爐運(yùn)行安全和運(yùn)行質(zhì)量的重要手段。目前用于鍋爐金屬銅體焊縫裂紋檢驗(yàn)方法有超聲波無損檢驗(yàn)方法、渦流無損檢驗(yàn)方法、激光無損檢驗(yàn)方法等，這幾種檢驗(yàn)方法在實(shí)際應(yīng)用過程中具有成本高、誤差高、效率低等缺點(diǎn)，以及無法滿足鍋爐金屬銅體焊縫裂紋的檢驗(yàn)需求，為此提出鍋爐金屬銅體焊縫裂紋的檢驗(yàn)方法和研究，提高檢驗(yàn)方法的應(yīng)用價(jià)值，為鍋爐金屬銅體焊縫裂紋檢驗(yàn)提供理論依據(jù)。

1 鍋爐金屬銅體焊縫裂紋的檢驗(yàn)方法

此次研究目標(biāo)針對(duì)鍋爐金屬銅體焊縫裂紋缺陷，借鑒國內(nèi)外該方面的檢驗(yàn)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)一種電磁波檢驗(yàn)方法。因?yàn)殡姶挪ㄔ诮饘俳橘|(zhì)和非金屬介質(zhì)之間會(huì)呈現(xiàn)出不同的特性，對(duì)于像鍋爐金屬銅體這種金屬類東西，電磁波在其界面會(huì)發(fā)生傳遞和穿透特性，如果存在裂縫，電磁波在其界面會(huì)發(fā)生反射和吸收特性[1]。根據(jù)以上分析，對(duì)鍋爐金屬銅體焊縫裂紋缺陷進(jìn)行檢驗(yàn)與識(shí)別，主要在理論研究基礎(chǔ)上通過分析金屬電磁波特征信號(hào)的變化，來實(shí)現(xiàn)裂紋缺陷特征的識(shí)別與檢驗(yàn)[2]。在檢驗(yàn)過程中利用電磁波技術(shù)向鍋爐金屬銅體焊縫處發(fā)射電磁波，將導(dǎo)波桿視作為電磁波波導(dǎo)，根據(jù)波導(dǎo)理論，利用無線傳感技術(shù)采集到電磁波信號(hào)，然后對(duì)電磁波信號(hào)進(jìn)行處理和分析，掌握電磁波變化規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐金屬銅體焊縫裂紋的檢驗(yàn)。以下從鍋爐金屬銅體焊縫裂紋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、裂紋定位三個(gè)方面對(duì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.1 鍋爐金屬銅體焊縫裂紋數(shù)據(jù)采集

將電磁波發(fā)射器作為電磁波信號(hào)源，利用波導(dǎo)桿將電磁波信號(hào)傳遞到鍋爐金屬銅體焊接處，以無線傳感器作為信號(hào)接收裝置，采集到鍋爐金屬銅體焊接處的電磁波信號(hào)。首先要根據(jù)檢驗(yàn)環(huán)境溫度以及被測(cè)電磁波發(fā)射源頻率范圍選擇一款合適的無線傳感器，由于鍋爐金屬銅體焊縫裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的電磁波信號(hào)主要能力集中在142kHz～256kHz頻段范圍內(nèi)，電磁波信號(hào)的峰值頻率基本在210kHz左右，因此以型號(hào)為HGF-45上引線傳感器作為電磁波信號(hào)接收裝置，采集時(shí)將傳感器工作溫度設(shè)定為-20℃～110℃，頻率范圍設(shè)定在110kHz～280kHz，諧振頻率設(shè)定為165kHz，將靈敏度峰值調(diào)制140dB。由于鍋爐金屬銅體直徑大約為3600mm左右，銅體焊接區(qū)域距離銅體邊緣距離大約有760mm左右，為了確保無線傳感器對(duì)裂縫電磁波信號(hào)采集的質(zhì)量，要在鍋爐金屬銅體焊縫兩側(cè)各設(shè)置兩個(gè)無線傳感器，并且兩個(gè)無線傳感器之間的距離不得小于鍋爐金屬銅體的半徑。無線傳感器安置完后還要選擇一個(gè)合適的波導(dǎo)桿，因鍋爐金屬銅體通常情況下處于室內(nèi)廠房的高空作業(yè)平臺(tái)上，周圍溫度較高，且無線傳感器及鍋爐金屬銅體外形大小都會(huì)對(duì)波導(dǎo)桿參數(shù)產(chǎn)生影響，因此結(jié)合多方面考慮，選取直徑為10.5mm、鋼材厚度為4.55mm的13號(hào)圓鋼作為波導(dǎo)桿的母材，波導(dǎo)桿的長度為250mm，利用傳感器固定裝置將導(dǎo)波桿與傳感器固定住。

為了保證采集信號(hào)的質(zhì)量，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前需要將電磁波發(fā)射器與無線傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)電磁波導(dǎo)入口與導(dǎo)出口的開路、短路，將電磁波發(fā)射器頻率設(shè)定在47.20GHz～48.05GHz范圍內(nèi)，開啟電磁波發(fā)射器開關(guān)，即可采集到鍋爐金屬銅體焊縫裂紋數(shù)據(jù)。

1.2 鍋爐金屬銅體焊縫裂紋數(shù)據(jù)處理

在電磁波信號(hào)采集過程中，如果周圍存在電纜、高壓電線等其它金屬介質(zhì)，會(huì)干擾信號(hào)采集，使采集的電磁波信號(hào)為連續(xù)性發(fā)生信號(hào)，此時(shí)采集到的發(fā)射參數(shù)對(duì)裂紋檢驗(yàn)沒有任何意義，其中包括微波計(jì)數(shù)、電磁波計(jì)數(shù)率、微波上升時(shí)間、微波持續(xù)時(shí)間、微波幅度分布等，而與鍋爐金屬銅體焊縫裂紋檢驗(yàn)有直接關(guān)系的是一種突發(fā)型電磁波信號(hào)，因此需要對(duì)采集到的電磁波信號(hào)進(jìn)行處理，將無用信號(hào)進(jìn)行刪除。此次采用小波包變換法對(duì)無線傳感器采集到的電磁波信號(hào)進(jìn)行處理，首先將采集到的電磁波信號(hào)進(jìn)行分解，分解成各個(gè)頻段的信號(hào)，其公式表示如下：

公式（1）中，κ表示小波分解函數(shù)；γ為相應(yīng)的尺度函數(shù)；β為信號(hào)正交補(bǔ)空間。通過信號(hào)分解得到各個(gè)頻段的電磁波能量，然后選取一定頻段信號(hào)進(jìn)行小波包重組，以此鍋爐金屬銅體焊縫裂紋數(shù)據(jù)處理處理，為后續(xù)鍋爐金屬銅體焊縫裂紋定位分析提供依據(jù)。

1.3 鍋爐金屬銅體焊縫裂紋定位分析

由于鍋爐金屬銅體焊縫裂紋點(diǎn)的位置是未知的，且采集的電磁波信號(hào)量較大，為了保證鍋爐金屬銅體焊縫裂紋定位分析的精度，將電磁波信號(hào)以相同長度分成兩份，從實(shí)際檢驗(yàn)考慮，將信號(hào)長度設(shè)定為2t，并且選擇固定的采樣頻率z，假設(shè)前半部分電磁波信號(hào)為a，后半部分電磁波信號(hào)為b，從而得到相關(guān)系數(shù)ρ，其計(jì)算公式如下所示：

公式（2）中，n為采集的電磁波信號(hào)總數(shù)量；v為前半部分電磁波信號(hào)數(shù)量；υ為后半部分電磁波信號(hào)數(shù)量。如果計(jì)算的相關(guān)系數(shù)ρ值大于0，說明鍋爐金屬銅體焊縫處不存在裂紋；如果計(jì)算的相關(guān)系數(shù)ρ值小于0，說明金屬銅體焊縫處存在裂紋，其裂紋位置計(jì)算公式如下：

公式（3）中，S為鍋爐金屬銅體焊縫出現(xiàn)裂紋的位置；X為鍋爐金屬銅體長度；Z為電磁波傳播速度；Δt為波導(dǎo)桿導(dǎo)入電磁波與導(dǎo)出電磁波的時(shí)差。利用以上公式可以確定鍋爐金屬銅體焊縫出現(xiàn)裂紋的具體位置，以此實(shí)現(xiàn)鍋爐金屬銅體焊縫裂紋的檢驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取十個(gè)鍋爐金屬銅體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該鍋爐金屬銅體焊縫長度為1600mm，焊縫寬度為55mm，銅體直徑為3600mm，該十個(gè)鍋爐金屬銅體焊縫處均存在長度為15mm～45mm、深度為4.5mm～11.5mm的裂紋。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所有實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果數(shù)據(jù)記錄均采用恒泰電子有限公司的GIHKHG數(shù)據(jù)軟件，然后將軟件計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入EXCEL表格內(nèi)。

利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)鍋爐金屬銅體焊接裂縫進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)比兩種方法的檢驗(yàn)誤差，檢驗(yàn)誤差為實(shí)驗(yàn)過程中兩種方法所檢驗(yàn)到的裂紋長度和深度與實(shí)際情況的差值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

圖1 兩種方法檢驗(yàn)誤差對(duì)比

從上圖可以明顯看出，此次設(shè)計(jì)方法對(duì)于鍋爐金屬銅體焊接裂紋檢驗(yàn)誤差低于傳統(tǒng)方法，該方法極大地提高了鍋爐金屬銅體焊接裂紋檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，說明此次設(shè)計(jì)方法可以滿足鍋爐金屬銅體焊接裂紋檢驗(yàn)的精度需求。

3 結(jié)束語

此次結(jié)合已有的裂紋檢驗(yàn)技術(shù)并借鑒最新科學(xué)研究進(jìn)展，對(duì)鍋爐金屬銅體焊縫裂紋檢驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，有效提高了銅體焊縫裂紋的檢驗(yàn)精度，也提高了檢驗(yàn)效率，簡(jiǎn)化了鍋爐金屬銅體焊縫裂紋檢驗(yàn)過程，減小了人工檢驗(yàn)工作量，大大降低了鍋爐金屬銅體焊縫裂紋的檢驗(yàn)成本。

由于個(gè)人能力有限，雖然在該方面取得了一定的研究成果，但還存在一些不足之處，提出的檢驗(yàn)方法在應(yīng)用時(shí)需要結(jié)合實(shí)際檢驗(yàn)要求與環(huán)境，并且今后仍需要在該方面進(jìn)行深入研究，促進(jìn)鍋爐金屬銅體焊縫裂紋檢驗(yàn)方法的應(yīng)用與推廣。