在役換熱器管缺損檢測(cè)新技術(shù)

 摘要：遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)是一種新興的管道檢測(cè)技術(shù)，并頗有潛在發(fā)展前途，它可以解決電力石化行業(yè)大量使用的鋼管在役快速探傷、測(cè)厚難題。本文論述遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理并舉例在石化工業(yè)熱交換管道的缺損檢查

在電力和石化工業(yè)中大量采用熱交換器作為介質(zhì)傳遞，其內(nèi)部由大量管束構(gòu)成，由于長(zhǎng)期處在腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力作用下，經(jīng)常產(chǎn)生腐蝕和磨蝕，因此對(duì)內(nèi)部換熱管的定期檢驗(yàn)是保證設(shè)備運(yùn)行的重要措施。

通常換熱管從材質(zhì)上可分為兩大類，一類是非鐵磁性材料，如奧氏體不銹鋼、鋁合金、鈦合金和銅合金等，常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)以其檢測(cè)速度快、靈敏度高、缺陷信號(hào)分析方法成熟，已廣泛應(yīng)用于火電、石化等部門的非鐵磁性金屬管道的缺陷檢測(cè)。然而在電力石化行業(yè)上大量使用另一類碳素鋼和低合金鋼等鐵磁性材料的換熱管，其特點(diǎn)是金屬的磁導(dǎo)率μr>>1,用常規(guī)渦流檢測(cè)方法存在很強(qiáng)的集膚效應(yīng)，如以下公式確定導(dǎo)體中渦流的標(biāo)準(zhǔn)δ：

δ=5.033×(?μrσ)-1/2

式中? --- 檢測(cè)頻率

      μr--- 材料相對(duì)磁導(dǎo)率

      σ --- 材料電導(dǎo)率

對(duì)于非鐵磁性材料，μr =1，對(duì)于強(qiáng)鐵磁性材料，μr =100～1000，按公式計(jì)算可知，強(qiáng)鐵磁性材料的渦流只有非鐵磁性材料的1/10～1/30，渦流由管內(nèi)壁穿透到管外壁就非常困難，如檢測(cè)頻率為10kHz時(shí)，鋼鐵中渦流的標(biāo)準(zhǔn)δ=0.051mm，如果用內(nèi)插式探頭測(cè)壁厚為2mm鋼管，渦流幅值由內(nèi)表面的100到外表面只剩下：

Jx=2/Jx=o=J2/J0=e-2/δ=9.3×10-18

如此低的數(shù)值普通的渦流探傷儀無法測(cè)出，也就是說，常規(guī)渦流方法無法檢查鋼管外壁缺陷。

另一方面，管徑尺寸的微小變化，管材成分的不均勻及運(yùn)行一段間之后管壁表面生銹（鐵磁性Fe3O4）都會(huì)引起電磁噪聲。這些因素是造成檢測(cè)信噪比降低的主要原因。

在無外磁場(chǎng)作用時(shí)，鐵磁性物質(zhì)中各個(gè)磁疇的自發(fā)磁化強(qiáng)度矢量的取向是不同的，但是對(duì)外效果互相抵消，因而整個(gè)物體對(duì)外不顯磁性。在外加磁場(chǎng)不足時(shí)，鐵磁性物質(zhì)中部分磁疇的磁矩轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)，它是變化的，渦流檢查時(shí)將產(chǎn)生磁噪聲。所以常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)無法滿足鐵磁性換熱管探傷要求。

在現(xiàn)有換熱管的定期檢查方法大都是將熱交換器芯抽出清洗后，采用人工肉眼觀察，主觀評(píng)價(jià)來取棄，然而這種方法比較多只能看到管束的外層分布管的狀況，對(duì)內(nèi)部管束情況一無所知，而且肉眼評(píng)價(jià)存在很大的隨意性。進(jìn)一步的方法是采用內(nèi)窺鏡檢查方法，但這是一種非常慢且麻煩的方法，并只能觀察到內(nèi)壁腐蝕情況，不能適應(yīng)大量管束的檢查。所以在電力石化行業(yè)長(zhǎng)期存在在役鐵磁性材料換熱管檢測(cè)難題。

本文介紹的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)(Remote field eddy current technique)是基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)的一種管道檢測(cè)新技術(shù)，它除了具有一般常規(guī)渦流的優(yōu)點(diǎn)外，對(duì)鐵磁性管道無需采用磁飽和等輔助方法，即可直接用內(nèi)插式探頭來檢測(cè)管壁上的裂紋、腐蝕凹坑、磨蝕減薄等缺損，被認(rèn)為是一種有發(fā)展前景的管道檢測(cè)技術(shù)。

1.遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)與機(jī)理

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)是基于一種特殊物理現(xiàn)象----遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)的管道檢測(cè)技術(shù)。原始的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)探頭示于圖1，它由兩個(gè)同軸螺管線圈----激勵(lì)和檢測(cè)線圈組成，激勵(lì)線圈通以低頻交流電，檢測(cè)線圈置于遠(yuǎn)離激勵(lì)線圈2～3倍管內(nèi)徑處的“遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)”。圖2所示為檢測(cè)線圈中感應(yīng)電勢(shì)值以及該電勢(shì)與激勵(lì)電流之間的相位差隨兩線圈之間距離Ded（以管內(nèi)徑Di的倍數(shù)表示）變化關(guān)系曲線稱信號(hào)-距離特性。特性可定性分為以下三個(gè)區(qū)域。

（1）當(dāng)Ded<1.8Di區(qū)域，感應(yīng)電勢(shì)是隨距離變大而劇減，相位變化不大，這是因?yàn)闄z測(cè)線圈與激勵(lì)線圈直接耦合劇減所致，符合一般的渦流檢測(cè)理論，稱近場(chǎng)區(qū)或直接耦合區(qū)。

（2）當(dāng)Ded變大到(2～3)Di以遠(yuǎn)，幅值與相位均以較小速率下降，且管內(nèi)外相同，其相位滯后大致正比于穿過的管壁厚，可以近似用一維集膚效應(yīng)相位公式計(jì)算：

θ=2δ√π?μσ

式中  θ---感應(yīng)電勢(shì)的相位滯后

δ---管壁厚

? ---激勵(lì)頻率

μ---管壁材料的磁導(dǎo)率

σ---管壁材料的電導(dǎo)率

這個(gè)區(qū)域稱遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，對(duì)這個(gè)區(qū)域的規(guī)律，傳統(tǒng)的渦流概念已無法解釋，出現(xiàn)于遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的特殊現(xiàn)象，稱之為遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)。

（3）近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)之間的區(qū)域稱為過渡區(qū)，在過渡區(qū)感應(yīng)電勢(shì)下降速率減小，有時(shí)甚至出現(xiàn)微弱增加現(xiàn)象，同時(shí)相位差發(fā)生急劇變化。

美國研究學(xué)者Schmidt TR在1984年指出，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象取決于管中發(fā)生的兩個(gè)主要效應(yīng)，一是沿管子內(nèi)部對(duì)激勵(lì)線圈直接耦合磁通的屏蔽效應(yīng)；二是存在兩次穿過管壁的非直接耦合路徑。它源于激勵(lì)線圈附近區(qū)域管壁中感應(yīng)周向渦流，周向渦流迅速擴(kuò)散到管外壁，同時(shí)幅值衰減、相位滯后，到達(dá)管外壁的電磁場(chǎng)又向管外擴(kuò)散，管外場(chǎng)強(qiáng)的衰減較管內(nèi)直接耦合區(qū)衰減速度慢得多，因此管外場(chǎng)又在管外壁感應(yīng)產(chǎn)生渦流，穿過管壁向管內(nèi)擴(kuò)散，并再次產(chǎn)生幅值衰減與相位滯后，這也就是遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)檢測(cè)線圈所接到的信號(hào)。

這個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)很快為迅速發(fā)展起來的場(chǎng)有限元數(shù)值仿真計(jì)算所證明。

2.遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)

常規(guī)渦流是采用靠近管壁的線圈以直接磁耦合的形式來拾取渦流場(chǎng)變化信號(hào)，而遠(yuǎn)場(chǎng)渦流以測(cè)量穿過管壁后在管外沿管軸傳播一段距離再返回到管內(nèi)的磁場(chǎng)，檢測(cè)線圈處在距激勵(lì)線圈2～3倍管徑以遠(yuǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，因此，檢測(cè)線圈所能接到遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)十分微弱，通常為微伏數(shù)量級(jí)，同時(shí)也參雜了許多外界雜散電磁場(chǎng)干擾，其數(shù)量級(jí)也能比遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)大幾百倍，這給信號(hào)處理及儀器制作帶來困難。

由于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流機(jī)理不同，對(duì)內(nèi)外管壁缺損有相同的檢測(cè)靈敏度，對(duì)填充系數(shù)要求低，對(duì)探頭在管內(nèi)行走產(chǎn)生的偏心影響很小。其較大優(yōu)勢(shì)是能檢查厚壁鐵磁性管，可檢測(cè)壁厚為25mm。這對(duì)常規(guī)渦流是無法達(dá)到的。其次，它對(duì)大范圍壁厚缺損靈敏度和度高，精度可達(dá)2～5，對(duì)小體積的缺陷，如腐蝕凹坑，檢測(cè)靈敏度的高低取決于材質(zhì)、壁厚、磁導(dǎo)率的均勻性、檢測(cè)頻率和探頭的拉出速度等因素。在石化行業(yè)常見的Φ25×2.5的碳鋼管上，檢測(cè)靈敏度可達(dá)到80，直徑為Φ2.8的腐蝕坑。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流使用的檢測(cè)頻率比常規(guī)渦流低許多，為了保證在激勵(lì)的每個(gè)周期內(nèi)能采集到信號(hào)，而不漏檢，檢測(cè)速度受到限制，通常只有常規(guī)渦流檢測(cè)方法的1/3～1/5，大致范圍在10m～20m/min，一個(gè)8h的工作班可檢查200～500根10m長(zhǎng)的管道。

3.應(yīng)用實(shí)例

某石化總廠一臺(tái)換熱器曾幾度因管子泄漏而影響生產(chǎn)，在檢修期間采用試壓方法來檢驗(yàn)，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)有管子泄漏。為檢驗(yàn)該換熱器，了解其實(shí)際狀況，評(píng)估其使用壽命，采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)方法對(duì)該換熱器管子進(jìn)行逐根檢查，其規(guī)格為Φ25mm×2.5mm，材質(zhì)為20號(hào)鋼。

圖3是一根換熱管的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果的條形圖。從圖中可以看出，在S1～S7處，相位和幅度曲線都出現(xiàn)向右偏移，這是折流板的信號(hào)。在B3，B4，B5和B6處相位和幅度曲線都出現(xiàn)了向左偏移，且有一定長(zhǎng)度，說明在上述位置出現(xiàn)了大范圍的周向壁厚減薄，通過圖上坐標(biāo)計(jì)算并與標(biāo)準(zhǔn)樣管對(duì)比，確定壁厚減薄為壁厚的13。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察與了解，出現(xiàn)的壁厚減薄可能是制造過程穿管不當(dāng)造成的管子機(jī)械損傷，又由于使用過程中應(yīng)力集中等原因使該處壁厚減薄進(jìn)一步加重。經(jīng)檢測(cè)，該換熱器還有數(shù)根管子情況與此相同。

該次檢驗(yàn)共有三臺(tái)相同的高壓加熱器

檢驗(yàn)結(jié)果：檢測(cè)結(jié)果是換熱器管大多為輕微腐蝕，較大壁厚減薄在13以下，只有五六根換熱器管存在嚴(yán)重壁厚減薄。將該換熱器的壁厚減薄深度>20的管子堵塞后投入使用，現(xiàn)已運(yùn)行一年，沒有出現(xiàn)因管子泄漏而非計(jì)劃停機(jī)現(xiàn)象。

另一應(yīng)用實(shí)例是某熱電廠六十萬千瓦機(jī)組的高壓加熱器鋼管檢驗(yàn)，其加熱器鋼管規(guī)格為Φ16×2.1mm的U型管，材質(zhì)為低碳鋼。于1990年初投產(chǎn)運(yùn)行至1998年9月，累計(jì)運(yùn)行3.5萬小時(shí)，均發(fā)生了不同程度的泄漏。根據(jù)加熱器采用的碳鋼管材分析，其發(fā)生泄漏的原因主要有四種：彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力、沖刷減薄及腐蝕。它們將導(dǎo)致管子產(chǎn)生裂紋、蝕坑甚至斷裂等，其危害相當(dāng)大，不僅使熱效率降低，供電煤耗升高，而且長(zhǎng)期下去還將導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至造成加熱筒體爆破。檢驗(yàn)使用ET-556H便攜式遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探傷儀，探頭用外徑Φ10.5mm的遠(yuǎn)場(chǎng)差動(dòng)和式探頭，檢測(cè)頻率為350Hz。標(biāo)定管為相同規(guī)格，相同材質(zhì)的鋼管上加工Φ1.2mm通孔和Φ2mm通孔。

缺陷的探傷評(píng)定上遵從如下原則：

(1) 缺陷信號(hào)幅值超過Ф1.2mm通孔的為記錄標(biāo)準(zhǔn)，而不論缺陷大小。

(2) 缺陷信號(hào)幅值超過Ф2mm通孔的為堵管標(biāo)準(zhǔn)而不論缺陷大小。

根據(jù)以上原則，在探傷過程中凡發(fā)現(xiàn)超過堵管標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)顯示，在探傷人員無法確定為非相關(guān)信號(hào)時(shí)，一律應(yīng)該判廢。

檢驗(yàn)工藝使用ET-556H遠(yuǎn)場(chǎng)渦流儀和外徑為Ф10mm的遠(yuǎn)場(chǎng)差動(dòng)式與式探頭，檢測(cè)頻率為350Hz。

1# 加熱器未發(fā)現(xiàn)超過記錄標(biāo)準(zhǔn)及堵管標(biāo)準(zhǔn)的管子。

2# 加熱器建議堵管5根，監(jiān)督進(jìn)行5根（超過記錄標(biāo)準(zhǔn)）。

3# 加熱器建議堵管3根，監(jiān)督運(yùn)行2根。

同一根管段上有的存在多個(gè)缺陷，但每根管段上的典型缺陷多數(shù)分布在距管口3mm左右的位置。

高壓加熱器鋼管泄漏與其運(yùn)行狀況緊密相關(guān)，其運(yùn)行特點(diǎn)是：

(1) 進(jìn)出水流對(duì)管板的沖擊造成較大的管板彎曲應(yīng)力，造成管口與管板脹接處萌生裂紋，并向管內(nèi)延伸。

(2) 疏水區(qū)域由于疏水不良，造成管段腐蝕，特別是汽、水兩相混合區(qū)域尤為嚴(yán)重。

(3) 進(jìn)水室管口向內(nèi)300mm的管段存在水流的沖刷減薄，乃至開裂。

4.結(jié)束語

新發(fā)展的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)，為電力石化行業(yè)大量使用的鋼管缺損檢查提供了一種確實(shí)可行的快速和可靠的方法，文章中的應(yīng)用實(shí)例證實(shí)了該方法的實(shí)用性。今后的任務(wù)是如何提高完善該項(xiàng)技術(shù)，擴(kuò)大在電力石化領(lǐng)域的應(yīng)用，加強(qiáng)基礎(chǔ)和實(shí)用化研究。