钢结构高温tofd法遥控裂纹诊断技术

1、采用高温tofd法的钢结构遥控裂纹诊断技术yoshimoto matsuo 等摘要：为了保证生产操作的安全性，jfe钢铁公司使用各种诊断装置评估钢结构的老化程度和剩余寿命。 其中本文作者们研奔发了 一种安装于自行走小车上的、遥控焊缝裂纹遥控检测装置,姿装手吕苗存4车 上。客其所采用的衍射时差（t0fd）法超声检测技术,因为该法业能满足精度要求又能进行连续检测。 可同时检测高温（ 200°c）垂直面上的竖向裂纹和横向裂纹。除其他特性外，冨弄特色的在自行走小车中 采用孑竝磁性轮，可在200cc高温的三维曲面上行走。该装置已应用于工业高炉热风炉焊接线裂纹的诊断， 其更高的检测效率和工作安全

2、性已得到证实。1.刖吞作为钢铁厂标志的高炉不仅出产生铁，还为整个钢铁公司提供炼铁副产品煤气。两次定期检修之间的 6个月生产期里，必须保证髙炉每日24小时不间断工作的正常运转。热风炉为高炉供应1200c的热风，是高炉生产的关键设备之-，所以也需要稳定的操作运直状态。木文介绍一种针对热风炉钢壳焊接线的遥控裂纹诊断技术，作为保证钢结构安全的范例。该裂纹诊断 技术采用高温tofd法。2单综的热风炉钢壳焊接线裂纹传统诊断法高炉15年更换一次炉衬，同吋高炉木体也被翻新。相比z下，热风炉要求3045年的长期稳定工作。 因此，有必要采取措施预防结构性组件中的腐蚀损耗、疲劳裂纹及类似问题，以控制结构件的老化。2

3、.1导致热风炉钢壳焊缝裂纹的诱因素及预防措施热风炉的钢壳是圆筒型结构，内径为10m、高度50m, rfl 1950mm厚的钢板经对焊建造而成。焊接 造成的残余应力和鼓风导致的内部压力作用于这些焊缝上。燃气引起的酸餌冷凝水导致的应力腐蚀裂纹（scc）也成为钢壳内表面上的问题。为防止出现应力腐蚀裂纹，建造热风炉建造时采取了以下措施:（1）给钢壳焊缝实施退火以消除应力解除退火。（2）在钢壳内表面上采用耐酸涂层或耐酸浇铸料筑层。（3）给钢壳外表而进行绝热处理，以防止内表而上发生冷凝。（4）近年來采用了低裂纹敏感性钢种。2.2传统的钢壳焊缝裂纹检测方法及其问题虽然上述应力腐蚀裂纹预防措施是在建造阶段实施

4、的，设备使用期间从女全控制角度还要进行下列检 查工作：（1）日常检杏：对钢壳进行变型和裂纹目视检查。（2）长周期检查：用坡口超声波探伤法检测焊接线裂纹。用坡口超声波探伤法检测裂纹需要一定的时间，因为对较高的检测点必须架设临时性脚手架，如图1 （略）所示。由于实施坡口超声波探伤检测的钢壳的表血温度钱高（10200°c）,人丄检查时存在烫伤和高空坠落 事故z类的隐患。为了解决这些问题，本文作者开发了一种遥控裂纹诊断装置。它采用超芦波衍射时差 （tofd）法，从而节省了检测时使用高空脚手架的成本，并减少了人工检测操作易引发人身事故的风险。3. 高温tofd法遥控裂纹诊断技术的开发3.1新开

5、发装置的主要数据新开发的遥控裂纹诊断装置的外貌如图2所示。该装置山裂纹检测传感器和一台自行龙小车纽成，小 车承载着传感器行走在热风炉外壳上。遥控裂纹诊断装置的主要数据见表1。3.2高温tofd裂纹检测传感器的开发3.2. 1开发裂纹检测传感器的相关问题开发裂纹检测传感器涉及到以下五个问题。（1）能够快速连续地检测裂纹的高度。（2）能够高精度地检测裂纹高度。（3）能够同时检测横向和纵向裂纹。（4）能够检测高达200°c的热风炉钢壳的缺陷。（5）能够在圆筒型竖向表血上进行圆周向和垂直向的缺陷检测。图2t0fd法遥控裂纹诊断装置的外貌表1遥控裂纹诊断装置的数据裂纹检测方法衍射吋差（tofd

6、）法检测目标裂纹纵向裂纹和横向裂纹裂纹高度检测精度土 1mm裂纹高度检测能力至少2.0mm受检物体厚度1950mm受检物体温度0 200°c检测速度l5m/min3. 2. 2 tofd法的原理与坡门超声波探伤法相比，采用tofd法是因为与坡口超声波探伤法柑毘它荃更适于连续检测，并具 有优异的裂纹高度检测粘度。在tofd法中，两个超声波传感器设置于探伤位置的两侧，如图1所示。其 中一个传感器发出超声波，另一个传感器检测出由裂纹的顶端和底端产牛的衍射波。在这一过程中，从两 个衍射波传播时间z差中检测出裂纹的位置和高度。通过对图3中所示的a示波器波型进行成像处理，可获得图4所示的d示波器

7、显示屏输出。虽然d 示波器显示屏是tofd法的标准输出屏，但为了获得准确的裂纹高度和位置，有必耍验证a示波器波型。bottom endreceiving uaveupperi end end-1h卜 lateral应月-亠 wave heightretlection wave from basetransmission sensor/变送传感器、lateral wave/横向波、receiving sensor/收传感器、crack/裂纹、reflection wave from base/基材响应波、transmission wave/变送波、diffraction wave/衍射波、rec

8、eiving wave/接收波、 叩per end/顶端、bottom end/底端、crack height/裂纹高度图3 tofd法的裂纹高度检测原理图4衍射时渥（tofd）法显示屏输出示例（d扫描）3.2.3横向和竖向裂纹的同时检测图5显示出焊接线的tofd传感器布局的俯视图。对竖向裂纹传感器而言，发送和接收传感器的布置 与焊接线呈直角；而横向裂纹传感器的布置与焊接线呈45°倾角。这种布局可在一次扫描里同时检测横向 和竖向裂纹。可根据竖向和横向裂纹传感器的不同的敏感度并通过观察a示波器波型来区分竖向和横向裂纹。表2 显示出竖向和横向裂纹的检测敏感度。lateral crackl

9、ateral crack/横向裂纹、lateral crack sensor/横向裂纹传感器、vertical crack sensor/竖向裂纹传感器、verticalcrack/竖向裂纹、welding line/焊接线图5衍射时差（tofd）法传感器布置图表2竖向和横向裂纹的检测敏感度竖向裂纹横向裂纹竖向裂纹传感器-x横向裂纹传感器oo:高敏感度检测o：敏感，但检测率相对较低a-x：低检测率或迟饨检测3.2.4提供用于垂直面上探伤的趙盒剂偶合奔质在迹行稳定、高敏感度的超声波探伤时，必须给传感器与受检表而之间稳定地提供一种捲合偶合介质, 以增加超声波的传播效率。由丁受检表曲是竖向的，给角度

10、探测器的楔型简单地涂抹偶合介质是不充分的, 所以在本项研究中采用了不间断地供应水作为軽偶合介质。连续的水供丞应还能起到冷却的作用。为了在探头与受检表血z间保持一个均匀的水膜，在楔型上加工有一个深度0.2mm的槽子（图6）。 考虑到受检而的温度问题，木来计划选用水和一种粘性溶液作为介适的偶合介质。但实际使用的检测 装置允许采川水作为偶合介质，在高达200°c范围内均可实施检测。wedge ofieoe*wedge of angle probe/角度探测器的楔空、ditch for coupling mediun”耦合剂偶合介质槽、supply hole forcoupling medi

11、um/耦合剂偶合介质供应孔图6挤入耦合剂偶合介康的加工槽3. 2. 5传感器悬挂机制及其外貌为了在传感器与受检表血z间保持一个恒定的压力，采用一种链接机制和弹赞将传感器悬挂在自行垂 小车上。这样述能消除表血不规则对测定值的彩响。另外，还采用了一个结构，能够调整传感器之间的间距，使之与受检区域的钢板厚度和对应。图7显 示岀传感器背部背血的外貌。图7传感器背部形貌3.3自行走小车的开发要求自行小车具备以下四个功能：(1) 能够在三维曲面上自由行走。(2) 能够电缆遥控操作进行前后左右行走。(3) 考虑到焊珠等，能以最人10mm的步跨行走。(4) 能够在fr/j达200°c温丿艾的钢板表面

12、上行走。在这四个功能中，第(1)和(3)项是为高空管线腐蚀诊断装置所作的改进。因为该装置的开发是前 期完成的，所以这里主要讨论第(4)项功能的开发。3.3.1永磁铁的选择商用永磁铁的性能比较见表3。选用了具有高磁力、高矫顽性和高仞性的钱磁铁，通过空气冷却解决其较差的温度性能；当行走在 200°c高温的钢壳上时将永磁铁和轮子表面保持在60°c o表3商用永磁铁的性能比钱项目钱磁铁al-ni-co侈钻铁氧体磁力oo矫顽性能oo韧性o居里点300°c860°c750°c450°c耐热性能o:优异o：可用a：相对较差3. 3. 2减轻磁性轮的

13、重量商川永磁铁的尺寸有限(外径59mm,孔径19mm,厚度10mm),因此设计了轻量轮，配备通过磁场 分析得到的高磁吸附力。普&子的外径约为80mm时获得了最大的吸附力，所以将轮子的外径设定为80mm (图4 (a)o吸附力与轮子的厚度成正比，因此，考虑到所需的吸附力及整个装置的紧凑型设计，采用了 12mm的 轮子厚度，如图4 (b)所示。考虑到伦子的截面形状，按图5 (b)所示的轻量设计，重量只是图5 (a)屮实体的67%,吸附力为 图5 (a)中实体的90%o综合考虑图5 (b)设计中优异的吸附力/車量z比率后，选择了图5 (b)的设计。根据上文所述，设定了 10.7的安全系数，以

14、防该装置在热风炉外壳上实施裂纹诊断时发生脱离或坠落事故。diameter of wheel(mm)(a)、nxu与 ju>=e-*q v(nvojetl.lleojsv16 42tl108th ickness of wheel (mm) (b)permanent mat?netunit:mm(b)absorptive force/吸附力、diameter of wheel/轮子直径、thickness of wheel/轮子厚度图4磁轮的磁场分析结果peitnanent magnet/永磁铁、steel wheel/钢轮、unit/单位图5磁伦截血的优化3. 3. 3裂纹诊断装置附着和脱

15、离钢壳的操作安全性磁轮的吸附力极强，约为2000no因此，为了确保将诊断装置附着和脱离钢壳时的操作安全性，有必 要考虑装置的重量（约180n）和磁轮的吸附力。在钢壳与磁轮之间插入橡胶片以人为地设置一个空气间隙，是控制吸附力的简便方法。实验结果得出的空气间隙与磁轮之间的关系如图6所示。给磁轮与钢壳间设置2.0mm的间隙，可保证 诊断装置附着和脱离钢壳时的工作女全性。设置2.0mm的间隙时吸附力是诊断装置总重量的2.5倍。(n) 0社 e 娶二 dj*q<absorptive force/吸附力、air gap/空气间隙图6空气i'可隙与磁轮吸附力3.4裂纹检测精度用一个带有切槽（宽

16、度0.5mm,通过放电极加工制备）以模拟自然裂纹的标样，验证了新开发的诊断 装置检测裂纹的精度。实验条件示丁表4。在试验中采川了 4级裂纹高度和2级标样温度。20°c和200°c 下的试验结杲分别示丁图7和图80裂纹高度低于2.0mm时无论在20°c或200°c均无法检测出，因此，裂纹高度检测极限是2. omnu对裂纹检测精度而言，20°c时标准偏差g0.31mm, 200°c时标准偏差o=0.58mnio因此，试验结果证 实了新开发装置的裂纹诊断精度优于坡口超声波探伤，具备必要的和足够的测量精度。表4裂纹高度检测的试验条件项h试验条

17、件试样厚度（mm）25模拟裂纹的宽度（mm）0.5模拟裂纹的长度（mm）20模拟裂纹的高度（mm）1.0、2.0、5.0、10试样温度（°c）20、 200output of crack heigh”裂纹高度输出、sham crack height/模拟裂纹的高度图7 20°c下模拟裂纹高度检测的精度120 8 6 4 2 0ia(lull二二耳-5上2utuuj。-nd-£24681012sham crack height （mm）output of crack height/裂纹高度输出、sham crack height/模拟裂纹的高度图8 200°c下模拟裂纹髙度检测的精度4. 新型裂纹诊断装置的实际应用效果新型遥控裂纹诊断装置在jfe西日本钢厂4号高炉2号热风炉的应用结果示于表5。由于炉体上的永久性检査平台及其螺栓周围的绝热层影响到焊接线，所以不可能将新装置应用于这些 区域。这样，新装置的应用率被局限于48%。不过，即使这样也不再盂要给热风炉的整个表iflj架设大型脚 手架。这可使裂纹检测的周期减少一半。此外，新诊断装置使手工坡口缺陷探伤工作减少一半，并且大大减少了脚手架的架设范围，从而减少 发生烫伤和高空坠落z类事故的风险。表5遥控裂纹诊断装置在西tl木钢厂4号高炉2号热风炉的应用实例项目过