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凝汽器不锈钢波纹管超声导波检测技术的研究
蔡红生 李世涛 刘文生 河南电力试验研究院
摘要：近年来不锈钢波纹管在凝汽器中应用越来越广泛，至今国内对不锈钢波纹管的检测方法还很缺乏，为了解决这一难题，本文提出一种新技术—超声导波检测技术，并从理论上分析T模态超声导波检测的难点及可行性。
关键字：超声导波 凝汽器 不锈钢波纹管
The Research on Guided Wave Detection Technique for Stainless Steel Corrugated Tube
of The Condenser
CaiHong-sheng LiShi-tao LiuWen-sheng
Henan Electric Power Research Institute, Henan Zhengzhou 450052
Abstract: There isn’t specified detection method on stainless steel corrugated tube which is used on condenser widely recent years. Guided wave detection technique, a new detection technique, is recommended for the detection of stainless steel corrugated tube in this text, and the difficulty as well as the feasibility of T-Mode guided wave detection is analyzed on theory.
Keyword： Guided wave Condenser Stainless Steel Corrugated Tube 1 前言
凝汽器是电站机组中最常见的一种设备，也是金属监督检验的重点。目前电站机组中应用的凝汽器普遍采用不锈钢合金光管，这种换热管结构简单、但传热效果较差。随着科学技术的发展，近年来一种新型不锈钢波纹管以其传热效果好、不易堵，同时具有传统的合金光管适用性强等优点，在电力行业中获得广泛的应用。
随着不锈钢波纹管在电站机组中应用的不断扩大，近年来国内多次出现电站冷凝器不锈钢波纹管开裂泄漏事故，导致锅炉给水品质下降及冷凝器换热效率的降低，直接影响着机组的正常运行。通过调查统计，凝汽器波纹管开裂泄漏事故主要存在两种情况，其一是近年来不锈钢波纹管制造质量存在问题，造成运行初期失效，如河南某电厂#2机凝汽器不锈钢波纹管大面积泄漏导致机组非正常停机，见图1；其二，不锈钢波纹管在腐蚀介质的环境下经过长期高压运行，导致应力腐蚀失效。因此，加强对凝汽器不锈钢波纹管的检测显得尤为重要。
图1 不锈钢波纹管开裂图
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不锈钢波纹管的介绍
目前在凝汽器中采用的不锈钢波纹管，一般是由不锈钢光管经过特殊的工艺加工成型。由于波峰与波谷之间高度约几毫米，管内流动呈等直径流束型式和弧形流束型式，导致流速和压力周期性变化，冷热流体流动时产生强烈扰动，使流体的流动状态达到充分踹流，极大破坏了边界层和污垢层的实际厚度，导致其换热系数明显提高，且不易发生堵塞现象。
在凝汽器中，不锈钢波纹管之所以能脱颖而出，成为合金光管的更新替代产品，是因为其具有优越的综合性能，主要有以下特点：
（1）不锈钢波纹管根据流道的周期性变化，利用自身的能量去自动破坏边界层，大大提高了管内外的换热系数。
（2）不锈钢波纹管内外流体扰动充分，同时管道曲率变化大，在温差的作用下可以自由伸缩，因此结垢速度慢，相对热阻小，排除了腐蚀根源及堵塞现象，因此安全可靠，使用寿命长。
（3）由于不锈钢波纹管的自身结构特点，在一定的流速下，管内的流体可达到踹流状态，因此，相对于其他换热管而言，流动阻力较低，压力损失小，节省动力。
（4）不锈钢波纹管的换热系数高，并可形成两流体的纯逆流，因此冷流体的出口温度可高于热流体的出口温度，两流体的对数平均温差可减少，凝汽器的温度效率和热回收率可达80%以上，高于现有形式的凝汽器。 3
不锈钢波纹管检测研究状况
凝汽器是发电厂的一个重要组成部分，其工作性能直接影响整个发电机组的热经济性和安全性。随着科学技术的快速发展，不锈钢波纹管的生产工艺及流体理论研究已经在逐步成熟，相信不久的将来，这种新型的换热管材在凝汽器中应用将会越来越广泛。由于凝汽器内不锈钢波纹管内漏失效而降低机组效率或被迫停运，造成营业收入及维护费等相关损失，为了尽量减少损失，必须采用相关的检测手段对其进行重点监督。
目前，由于不锈钢波纹管结构原因，常规检测方法的干扰信号很强，国内只对波纹管成型前的光管进行涡流检测，而国外对这种换热器管材检测的主要手段也是涡流检测和超声波综合检测（内置旋转检测系统），但是这些技术只能在需要检测时进行局部检测，并且检测的可靠率及灵敏度不高。
近年来，随着科学技术的快速发展及人们对无损检测技术研究的不断重视，一种新技术——超声导波检测技术的研究已经非常普遍，并且已经在管道、路轨、液体火箭壳体及若干航空结构件的无损检测与评价中得到了很好的应用。由于超声导波沿传播路径衰减很小，并且在整个被检部件中均存在超声声场，因此这种技术如果能运用到凝汽器不锈钢波纹管上，它将会快速、准确地对每根不锈钢波纹管进行长距离的全面检测，从而快速鉴别出有潜在问题的管子的数量和分布，并对它们进行安全状态等级评估，这样不仅降低总检测及维护费用，同时也能增强凝汽器的可靠性及安全性。 4
采用超声导波检测技术的可行性研究
机械振动在弹性介质中的传播被称为弹性波，振动源在弹性介质中的振动方向与波在介质中的传播方向可以相同也可以不同。在无限均匀介质中存在着两种可传播的波：纵波、横波，他们以各自的特征速度在弹性介质中传播，远离边界而且无波形耦合，被称为体波。若弹性波传播存在边界条件的限制，如在板内传播的纵波、横波，他们将会在两个平行的边界上产生来回的反射，而沿平行板面的方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播，这样的一个系统称为平板超声波导。在此板状波导中传播的超声波即所谓的板波（或Lamb波），Lamb波是超声无损检测中最常用的一种导波形式，除此以外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导，它们共同特性是由两个或更多的平行界面存在而引入一个或多个特征尺寸(如壁厚、直径、厚度等)到问题中来。简而言之，在波导中传播的超声波称为超声导波。
由于受几何尺寸的影响，波导中超声波的传播速度随频率变化而发生改变，一般情况下，波导中同时有多种模态的导波存在，即波导中传播的超声波具有多模态性和频散性。例如，圆管中的导波分为三个模态：纵向模态（L模态）、弯曲模态（F模态）和扭转模态（T模态）。目前，在管道超声导波检测应用中常用的单一模态导波为L（0，1）、L（0，2）模态导波，但是由于凝汽器波纹管的特殊性，我们选择T模态的超声导波，这是因为此模态导波比L（0，1）、L（0，2）模态导波具有以下几
个方面的优势：
（1）T模态的超声导波对管中轴向裂纹具有很强的灵敏度；
（2）在一定的频率区域内，L（0，1）和L（0，2）的模态控制比较困难，T模态波在任频率区域都很容易控制；
（3）图2中给出了L模态及T模态在不同型号管子上的散射曲线，这里所给出的散射曲线壁厚和外径比例是固定的（为0.08）。从图中可以看出，散射曲线L（0，1）和L（0，2）随着波的频率和管子尺寸变化改变非常大，T（0，1）波的散射曲线在改变频率和管子尺寸是都是一条直线，因此T模态对于不锈钢波纹管检测具有更高的灵敏度及检测范围。
从超声导波的产生方式来分，包括压电效应及磁致伸缩效应，这里我们选择磁致伸缩效应方式，其基本原理是材料由于外加磁场的变化，其物理长度和体积都要发生微小变化，从而产生波导。图3是用于不锈钢波纹管检测的T模态导波探头，探头由一个空心圆柱导管、磁致伸缩传感器和一个牵引装置组成。电子装置可以产生T模态导波，在使用时，导管插入被检测的波纹管端口部位，由牵引装置拉动使导管外表面与波纹管内表面紧密接触，探测导波通过机械耦合传入波纹管进行检测。导管的尖端沿圆周方向被纵向切割为几个区域，可以膨胀，有助于导管外壁与波纹管内壁接触耦合。T模态导波通过导管尖端与波纹管的接触面导入波纹管，然后在波纹管中长距离传播，当管子存在不规律的几何特征时，就会产生反射信号。
目前，超声导波检测技术已经在常规工业管道、输油气管道、高压传输线铁塔、悬浮桥梁钢索等行业的无损检测与评价中得到了很好的应用。但凝汽器波纹管的结构比较特殊，管壁较薄，且在波峰及波谷的位置，超声导波的传播将会受到一定的影响，因此，通过理论计算分析，如何优化T模态探头，选择合适的检测参数是非常值得研究的。另外由于凝汽器设计中存在多个波纹管支撑管板，在波纹管支撑管板处，将会产生一个高电位浸透反射，如何通过某种方法来优化导波性能，从而屏蔽或者使波纹管支撑管板信号的影响降到最低也是非常重要。
总而言之，使用超声导波技术对凝汽器波纹管进行检测是一种低成本的检测方法，无需昂贵的清洗费用，只需将超声导波探头由端部插入换热器管内，就能对每根波纹管的整个横截面进行长距离的全面检测，从理论上分析，虽然这种检测方法还存在一些需要解决的难点，但是这种方法在凝汽器波纹管检测中还是可行的。
群速度（km/sec） 壁厚/外径=0.08
图2 T模态和L模态在不同尺寸管上的散射曲线（图中OD表示管子外径）
频率(kHz)
磁致伸缩导波探头
分割线
管
牵引机械装置
T模态磁致伸缩传感器
牵引头
图3 T模态导波探头
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结论
目前，作为一种新型换热管材—不锈钢波纹管已经在电厂凝汽器中应用非常普遍，而国内至今对不锈钢波纹管的检测方法还很缺乏，为此，本文从理论上分析，认为采用超声导波检测技术可以对不锈钢波纹管进行全面快速检查，及早发现隐患、防止其发生大面积泄露，确保凝汽器安全运行，具有非常重大的意义。在全国范围内推广使用该项技术，就可避免电厂由于非正常停机等造成的巨大经济损失，因此该项技术的推广应用前景十分广阔。
作者简介：蔡红生、高级工程师、河南电力试验研究院、450052、主要从事电力行业新检测技术的研究。