锅炉金属铜体焊缝裂纹的检验方法和研究

赵永年

（武威市特种设备检验所，甘肃 武威 733000）

锅炉是一种多流程能量转换装置，是当代大型发电厂发热系统中的重要机械设备，同时也是生活中为人们提供所需热能的核心设备，由于其操作简单、发热所需成本较低，已经被广泛应用到人们生产和生活的各个领域中。锅炉主要由汽水系统和燃烧系统两大部分组成，燃烧系统通过对燃料燃烧，将产生的热能通过金属铜管传递到汽水系统中，再有汽水系统将热能通过水蒸气向外传递，从上可以看出金属铜管是连接锅炉两大系统的关键部件。通常情况下是利用焊接技术将汽水系统与燃烧系统连接在一起的，为了保证锅炉运行的安全性，在焊接完成后需要对锅炉金属铜体焊缝是否有裂纹进行检验，如果锅炉金属铜体焊缝存在裂纹会使锅炉设备运行存在潜在威胁，容易出现锅炉爆炸和漏水现象，因此锅炉金属铜体焊缝裂纹检验已经成为保障锅炉运行安全和运行质量的重要手段。目前用于锅炉金属铜体焊缝裂纹检验方法有超声波无损检验方法、涡流无损检验方法、激光无损检验方法等，这几种检验方法在实际应用过程中具有成本高、误差高、效率低等缺点，以及无法满足锅炉金属铜体焊缝裂纹的检验需求，为此提出锅炉金属铜体焊缝裂纹的检验方法和研究，提高检验方法的应用价值，为锅炉金属铜体焊缝裂纹检验提供理论依据。

1 锅炉金属铜体焊缝裂纹的检验方法

此次研究目标针对锅炉金属铜体焊缝裂纹缺陷，借鉴国内外该方面的检验文献，设计一种电磁波检验方法。因为电磁波在金属介质和非金属介质之间会呈现出不同的特性，对于像锅炉金属铜体这种金属类东西，电磁波在其界面会发生传递和穿透特性，如果存在裂缝，电磁波在其界面会发生反射和吸收特性[1]。根据以上分析，对锅炉金属铜体焊缝裂纹缺陷进行检验与识别，主要在理论研究基础上通过分析金属电磁波特征信号的变化，来实现裂纹缺陷特征的识别与检验[2]。在检验过程中利用电磁波技术向锅炉金属铜体焊缝处发射电磁波，将导波杆视作为电磁波波导，根据波导理论，利用无线传感技术采集到电磁波信号，然后对电磁波信号进行处理和分析，掌握电磁波变化规律，从而实现锅炉金属铜体焊缝裂纹的检验。以下从锅炉金属铜体焊缝裂纹数据采集、数据处理、裂纹定位三个方面对检验方法进行详细说明。

1.1 锅炉金属铜体焊缝裂纹数据采集

将电磁波发射器作为电磁波信号源，利用波导杆将电磁波信号传递到锅炉金属铜体焊接处，以无线传感器作为信号接收装置，采集到锅炉金属铜体焊接处的电磁波信号。首先要根据检验环境温度以及被测电磁波发射源频率范围选择一款合适的无线传感器，由于锅炉金属铜体焊缝裂纹扩展产生的电磁波信号主要能力集中在142kHz～256kHz频段范围内，电磁波信号的峰值频率基本在210kHz左右，因此以型号为HGF-45上引线传感器作为电磁波信号接收装置，采集时将传感器工作温度设定为-20℃～110℃，频率范围设定在110kHz～280kHz，谐振频率设定为165kHz，将灵敏度峰值调制140dB。由于锅炉金属铜体直径大约为3600mm左右，铜体焊接区域距离铜体边缘距离大约有760mm左右，为了确保无线传感器对裂缝电磁波信号采集的质量，要在锅炉金属铜体焊缝两侧各设置两个无线传感器，并且两个无线传感器之间的距离不得小于锅炉金属铜体的半径。无线传感器安置完后还要选择一个合适的波导杆，因锅炉金属铜体通常情况下处于室内厂房的高空作业平台上，周围温度较高，且无线传感器及锅炉金属铜体外形大小都会对波导杆参数产生影响，因此结合多方面考虑，选取直径为10.5mm、钢材厚度为4.55mm的13号圆钢作为波导杆的母材，波导杆的长度为250mm，利用传感器固定装置将导波杆与传感器固定住。

为了保证采集信号的质量，在进行数据采集之前需要将电磁波发射器与无线传感器进行校准，校准电磁波导入口与导出口的开路、短路，将电磁波发射器频率设定在47.20GHz～48.05GHz范围内，开启电磁波发射器开关，即可采集到锅炉金属铜体焊缝裂纹数据。

1.2 锅炉金属铜体焊缝裂纹数据处理

在电磁波信号采集过程中，如果周围存在电缆、高压电线等其它金属介质，会干扰信号采集，使采集的电磁波信号为连续性发生信号，此时采集到的发射参数对裂纹检验没有任何意义，其中包括微波计数、电磁波计数率、微波上升时间、微波持续时间、微波幅度分布等，而与锅炉金属铜体焊缝裂纹检验有直接关系的是一种突发型电磁波信号，因此需要对采集到的电磁波信号进行处理，将无用信号进行删除。此次采用小波包变换法对无线传感器采集到的电磁波信号进行处理，首先将采集到的电磁波信号进行分解，分解成各个频段的信号，其公式表示如下：

公式（1）中，κ表示小波分解函数；γ为相应的尺度函数；β为信号正交补空间。通过信号分解得到各个频段的电磁波能量，然后选取一定频段信号进行小波包重组，以此锅炉金属铜体焊缝裂纹数据处理处理，为后续锅炉金属铜体焊缝裂纹定位分析提供依据。

1.3 锅炉金属铜体焊缝裂纹定位分析

由于锅炉金属铜体焊缝裂纹点的位置是未知的，且采集的电磁波信号量较大，为了保证锅炉金属铜体焊缝裂纹定位分析的精度，将电磁波信号以相同长度分成两份，从实际检验考虑，将信号长度设定为2t，并且选择固定的采样频率z，假设前半部分电磁波信号为a，后半部分电磁波信号为b，从而得到相关系数ρ，其计算公式如下所示：

公式（2）中，n为采集的电磁波信号总数量；v为前半部分电磁波信号数量；υ为后半部分电磁波信号数量。如果计算的相关系数ρ值大于0，说明锅炉金属铜体焊缝处不存在裂纹；如果计算的相关系数ρ值小于0，说明金属铜体焊缝处存在裂纹，其裂纹位置计算公式如下：

公式（3）中，S为锅炉金属铜体焊缝出现裂纹的位置；X为锅炉金属铜体长度；Z为电磁波传播速度；Δt为波导杆导入电磁波与导出电磁波的时差。利用以上公式可以确定锅炉金属铜体焊缝出现裂纹的具体位置，以此实现锅炉金属铜体焊缝裂纹的检验。

2 实验

实验选取十个锅炉金属铜体作为实验对象，该锅炉金属铜体焊缝长度为1600mm，焊缝宽度为55mm，铜体直径为3600mm，该十个锅炉金属铜体焊缝处均存在长度为15mm～45mm、深度为4.5mm～11.5mm的裂纹。对于实验中所有实验过程及结果数据记录均采用恒泰电子有限公司的GIHKHG数据软件，然后将软件计算得到的实验结果导入EXCEL表格内。

利用此次设计方法与传统方法对锅炉金属铜体焊接裂缝进行检验，对比两种方法的检验误差，检验误差为实验过程中两种方法所检验到的裂纹长度和深度与实际情况的差值，实验结果如下图所示。

图1 两种方法检验误差对比

从上图可以明显看出，此次设计方法对于锅炉金属铜体焊接裂纹检验误差低于传统方法，该方法极大地提高了锅炉金属铜体焊接裂纹检验的准确性，说明此次设计方法可以满足锅炉金属铜体焊接裂纹检验的精度需求。

3 结束语

此次结合已有的裂纹检验技术并借鉴最新科学研究进展，对锅炉金属铜体焊缝裂纹检验方法进行了研究，有效提高了铜体焊缝裂纹的检验精度，也提高了检验效率，简化了锅炉金属铜体焊缝裂纹检验过程，减小了人工检验工作量，大大降低了锅炉金属铜体焊缝裂纹的检验成本。

由于个人能力有限，虽然在该方面取得了一定的研究成果，但还存在一些不足之处，提出的检验方法在应用时需要结合实际检验要求与环境，并且今后仍需要在该方面进行深入研究，促进锅炉金属铜体焊缝裂纹检验方法的应用与推广。