鋼結(jié)構(gòu)高溫TOFD法遙控裂紋診斷技術(shù)講解

采用高溫TOFD法的鋼結(jié)構(gòu)遙控裂紋診斷技術(shù)摘要：為了保證生產(chǎn)操作的安全性，JFE鋼鐵公司使用各種診斷裝置評估鋼結(jié)構(gòu)的老化程度和剩余壽命。其中本文作者們研發(fā)了一種安裝于自行走小車上的、焊縫裂紋遙控檢測裝置，。其所采用的衍射時差（TOFD）法超聲檢測技術(shù)，既能滿足精度要求又能進(jìn)行連續(xù)檢測?？赏瑫r檢測高溫（200℃)垂直面上的豎向裂紋和橫向裂紋。除其他特性外，在自行走小車中采用的磁性輪，可在200℃高溫的三維曲面上行走。該裝置已應(yīng)用于工業(yè)高爐熱風(fēng)爐焊接線裂紋的診斷，其更高的檢測效率和工作安全性已得到證實。作為鋼鐵廠標(biāo)志的高爐不僅出產(chǎn)生鐵，還為整個鋼鐵公司提供煉鐵副產(chǎn)品煤氣。兩次定期檢修之間的6個月生產(chǎn)期里，必須保證高爐每日24小時不間斷工作的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。熱風(fēng)爐為高爐供應(yīng)1200℃的熱風(fēng)，是高爐生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，所以也需要穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。本文介紹一種針對熱風(fēng)爐鋼殼焊接線的遙控裂紋診斷技術(shù)，作為保證鋼結(jié)構(gòu)安全的范例。該裂紋診斷因此，有必要采取措施預(yù)防結(jié)構(gòu)性組件中的腐蝕損耗、疲勞裂紋及類似問題，以控制結(jié)構(gòu)件的老化。造成的殘余應(yīng)力和鼓風(fēng)導(dǎo)致的內(nèi)部壓力作用于這些焊縫上。燃?xì)庖鸬乃崧独淠畬?dǎo)致的應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC）也成為鋼殼內(nèi)表面上的問題。為防止出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，熱風(fēng)爐建造時采取了以下措施：（2）在鋼殼內(nèi)表面上采用耐酸涂層或耐酸澆鑄料筑層。（3）給鋼殼外表面進(jìn)行絕熱處理，以防止內(nèi)表面上發(fā)生冷凝。（4）近年來采用了低裂紋敏感性鋼種。雖然上述應(yīng)力腐蝕裂紋預(yù)防措施是在建造階段實施的，設(shè)備使用期間從安全控制角度還要進(jìn)行下列檢（1）日常檢查：對鋼殼進(jìn)行變型和裂紋目視檢查。（2）長周期檢查：用坡口超聲波探傷法檢測焊接線裂紋。用坡口超聲波探傷法檢測裂紋需要一定的時間，因為對較高的檢測點必須架設(shè)臨時性腳手架，如圖1由于實施坡口超聲波探傷檢測的鋼殼的表面溫度較高（10～200℃),人工檢查時存在燙傷和高空墜落事故之類的隱患。為了解決這些問題，本文作者開發(fā)了一種遙控裂紋診斷裝置。它采用超聲波衍射時差（TOFD）法，從而節(jié)省了檢測時使用高空腳手架的成本，并減少了人工檢測操作易引發(fā)人身事故的風(fēng)險。新開發(fā)的遙控裂紋診斷裝置的外貌如圖2所示。該裝置由裂紋檢測傳感器和一臺自行走小車組成，小車承載著傳感器行走在熱風(fēng)爐外殼上。遙控裂紋診斷裝置的主要數(shù)據(jù)見表1。3.2.1開發(fā)裂紋檢測傳感器的相關(guān)問題開發(fā)裂紋檢測傳感器涉及到以下五個問題。（1）能夠快速連續(xù)地檢測裂紋的高度。（3）能夠同時檢測橫向和縱向裂紋。（5）能夠在圓筒型豎向表面上進(jìn)行圓周向和垂直向的缺陷檢測。表1遙控裂紋診斷裝置的數(shù)據(jù)裂紋檢測方法裂紋檢測方法檢測目標(biāo)裂紋縱向裂紋和橫向裂紋裂紋高度檢測精度裂紋高度檢測能力受檢物體厚度受檢物體溫度檢測速度3.2.2TOFD法的原理在TOFD法中，兩個超聲波傳感器設(shè)置于探傷位置的兩側(cè)，如圖1所示。其中一個傳感器發(fā)出超聲波，另一個傳感器檢測出由裂紋的頂端和底端產(chǎn)生的衍射波。在這一過程中，從兩個衍射波傳播時間之差中檢測通過對圖3中所示的A示波器波型進(jìn)行成像處理，可獲得圖4所示的D示波器顯示屏輸出。雖然D示波器顯示屏是TOFD法的標(biāo)準(zhǔn)輸出屏，但為了獲得準(zhǔn)確的裂紋高度和位置，有必要驗證A示波器波型。3.2.3橫向和豎向裂紋的同時檢測圖5顯示出焊接線的TOFD傳感器布局的俯視圖。對豎向裂紋傳感器而言，發(fā)送和接收傳感器的布置與焊接線呈直角；而橫向裂紋傳感器的布置與焊接線呈45o傾角。這種布局可在一次掃描里同時檢測橫向可根據(jù)豎向和橫向裂紋傳感器的不同的敏感度并通過觀察A示波器波型來區(qū)分豎向和橫向裂紋。表2顯示出豎向和橫向裂紋的檢測敏感度。表2豎向和橫向裂紋的檢測敏感度豎向裂紋傳感器豎向裂紋傳感器橫向裂紋傳感器橫向裂紋○豎向裂紋◎○◎：高敏感度檢測○：敏感，但檢測率相對較低△-×：低檢測率或遲鈍檢測3.2.4提供用于垂直面上探傷的耦合劑在進(jìn)行穩(wěn)定、高敏感度的超聲波探傷時，必須給傳感器與受檢表面之間穩(wěn)定地提供一種耦合介質(zhì)，以增加超聲波的傳播效率。由于受檢表面是豎向的，給角度探測器的楔型簡單地涂抹偶合介質(zhì)是不充分的，所以在本項研究中采用了不間斷地供應(yīng)水作為耦合介質(zhì)。連續(xù)的供水還能起到冷卻的作用。為了在探頭與受檢表面之間保持一個均勻的水膜，在楔型上加工有一個深度0.2mm的槽子（圖6）?？紤]到受檢面的溫度問題，本來計劃選用水和一種粘性溶液作為合適的偶合介質(zhì)。但實際使用的檢測裝置允許采用水作為偶合介質(zhì)，在高達(dá)200℃范圍內(nèi)均可實施檢測。3.2.5傳感器懸掛機(jī)制及其外貌為了在傳感器與受檢表面之間保持一個恒定的壓力，采用一種鏈接機(jī)制和彈簧將傳感器懸掛在自行走小車上。這樣還能消除表面不規(guī)則對測定值的影響。另外，還采用了一個結(jié)構(gòu)，能夠調(diào)整傳感器之間的間距，使之與受檢區(qū)域的鋼板厚度相對應(yīng)。圖7顯示出傳感器背面的外貌。要求自行小車具備以下四個功能：（2）能夠電纜遙控操作進(jìn)行前后左右行走。在這四個功能中，第（1）和（3）項是為高空管線腐蝕診斷裝置所作的改進(jìn)。因為該裝置的開發(fā)是前期完成的，所以這里主要討論第（4）項功能的開發(fā)。3.3.1永磁鐵的選擇商用永磁鐵的性能比較見表3。選用了具有高磁力、高矯頑性和高韌性的釹磁鐵，通過空氣冷卻解決其較差的溫度性能；當(dāng)行走在200℃高溫的鋼殼上時將永磁鐵和輪子表面保持在60℃。表3商用永磁鐵的性能比較釹磁鐵Al-Ni-Co釤鈷鐵氧體磁力◎〇〇△矯頑性能◎△〇〇◎〇△△居里點耐熱性能△◎〇△△：相對較差3.3.2減輕磁性輪的重量吸附力與輪子的厚度成正比，因此，考慮到所需的吸附力及整個裝置的緊湊型設(shè)計，采用了12mm的3.3.3裂紋診斷裝置附著和脫離鋼殼的操作安全性磁輪的吸附力極強(qiáng)，約為2000N。因此，為了確保將診斷裝置附著和脫離鋼殼時的操作安全性，有必在鋼殼與磁輪之間插入橡膠片以人為地設(shè)置一個空氣間隙，是控制吸附力的簡便方法。診斷裝置附著和脫離鋼殼時的工作安全性。設(shè)置2.0mm的間隙時吸附力是診斷裝置總重量的2.5倍。用一個帶有切槽（寬度0.5mm，通過放電極加工制備）以模擬自然裂紋的標(biāo)樣，驗證了新開發(fā)的診斷下的試驗結(jié)果分別示于圖7和圖8。裂紋高度低于2.0mm時無論在20℃或200℃均無法檢測出，因此，裂紋高度檢測極限是2.0mm。實了新開發(fā)裝置的裂紋診斷精度優(yōu)于坡口超聲波探傷，具備必要的和足夠的測量精度。表4裂紋高度檢測的試驗條件項目試驗條件模擬裂紋的寬度（mm）模擬裂紋的長度（mm）模擬裂紋的高度（mm）試樣溫度(℃)20、200新型遙控裂紋診斷裝置在JFE西日本鋼廠4號高爐2號熱風(fēng)爐的應(yīng)用結(jié)果示于表5。由于爐體上的永久性檢查平臺及其螺栓周圍的絕熱層影響到焊接線，所以不可能將新裝置應(yīng)用于這些區(qū)域。這樣，新裝置的應(yīng)用率被局限于48%。不過，即使這樣也不再需要給熱風(fēng)爐的整個表面架設(shè)大型腳手架。這可使裂紋檢測的周期減少一半。此外，新診斷裝置使手工坡口缺陷探傷工作減少一半，并且大大減少了腳手架的架設(shè)范圍，從而減少發(fā)生燙傷和高空墜落之類事故的風(fēng)險。表5遙控裂紋診斷裝置在西日本鋼廠4號高爐2號熱風(fēng)爐的應(yīng)用實例檢測總長度（m）