在役換熱器管缺損檢測新技術

 摘要：遠場渦流檢測是一種新興的管道檢測技術，并頗有潛在發展前途，它可以解決電力石化行業大量使用的鋼管在役快速探傷、測厚難題。本文論述遠場渦流檢測原理并舉例在石化工業熱交換管道的缺損檢查

在電力和石化工業中大量采用熱交換器作為介質傳遞，其內部由大量管束構成，由于長期處在腐蝕介質和交變應力作用下，經常產生腐蝕和磨蝕，因此對內部換熱管的定期檢驗是保證設備運行的重要措施。

通常換熱管從材質上可分為兩大類，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，常規渦流檢測技術以其檢測速度快、靈敏度高、缺陷信號分析方法成熟，已廣泛應用于火電、石化等部門的非鐵磁性金屬管道的缺陷檢測。然而在電力石化行業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，其特點是金屬的磁導率μr>>1,用常規渦流檢測方法存在很強的集膚效應，如以下公式確定導體中渦流的標準δ：

δ=5.033×(?μrσ)-1/2

式中? --- 檢測頻率

      μr--- 材料相對磁導率

      σ --- 材料電導率

對于非鐵磁性材料，μr =1，對于強鐵磁性材料，μr =100～1000，按公式計算可知，強鐵磁性材料的渦流只有非鐵磁性材料的1/10～1/30，渦流由管內壁穿透到管外壁就非常困難，如檢測頻率為10kHz時，鋼鐵中渦流的標準δ=0.051mm，如果用內插式探頭測壁厚為2mm鋼管，渦流幅值由內表面的100到外表面只剩下：

Jx=2/Jx=o=J2/J0=e-2/δ=9.3×10-18

如此低的數值普通的渦流探傷儀無法測出，也就是說，常規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行一段間之后管壁表面生銹（鐵磁性Fe3O4）都會引起電磁噪聲。這些因素是造成檢測信噪比降低的主要原因。

在無外磁場作用時，鐵磁性物質中各個磁疇的自發磁化強度矢量的取向是不同的，但是對外效果互相抵消，因而整個物體對外不顯磁性。在外加磁場不足時，鐵磁性物質中部分磁疇的磁矩轉向外磁場，它是變化的，渦流檢查時將產生磁噪聲。所以常規渦流檢測技術無法滿足鐵磁性換熱管探傷要求。

在現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，主觀評價來取棄，然而這種方法比較多只能看到管束的外層分布管的狀況，對內部管束情況一無所知，而且肉眼評價存在很大的隨意性。進一步的方法是采用內窺鏡檢查方法，但這是一種非常慢且麻煩的方法，并只能觀察到內壁腐蝕情況，不能適應大量管束的檢查。所以在電力石化行業長期存在在役鐵磁性材料換熱管檢測難題。

本文介紹的遠場渦流技術(Remote field eddy current technique)是基于遠場渦流效應的一種管道檢測新技術，它除了具有一般常規渦流的優點外，對鐵磁性管道無需采用磁飽和等輔助方法，即可直接用內插式探頭來檢測管壁上的裂紋、腐蝕凹坑、磨蝕減薄等缺損，被認為是一種有發展前景的管道檢測技術。

1.遠場渦流效應與機理

遠場渦流技術是基于一種特殊物理現象----遠場渦流效應的管道檢測技術。原始的遠場渦流檢測探頭示于圖1，它由兩個同軸螺管線圈----激勵和檢測線圈組成，激勵線圈通以低頻交流電，檢測線圈置于遠離激勵線圈2～3倍管內徑處的“遠場區”。圖2所示為檢測線圈中感應電勢值以及該電勢與激勵電流之間的相位差隨兩線圈之間距離Ded（以管內徑Di的倍數表示）變化關系曲線稱信號-距離特性。特性可定性分為以下三個區域。

（1）當Ded<1.8Di區域，感應電勢是隨距離變大而劇減，相位變化不大，這是因為檢測線圈與激勵線圈直接耦合劇減所致，符合一般的渦流檢測理論，稱近場區或直接耦合區。

（2）當Ded變大到(2～3)Di以遠，幅值與相位均以較小速率下降，且管內外相同，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相位公式計算：

θ=2δ√π?μσ

式中  θ---感應電勢的相位滯后

δ---管壁厚

? ---激勵頻率

μ---管壁材料的磁導率

σ---管壁材料的電導率

這個區域稱遠場區，對這個區域的規律，傳統的渦流概念已無法解釋，出現于遠場區的特殊現象，稱之為遠場渦流效應。

（3）近場與遠場之間的區域稱為過渡區，在過渡區感應電勢下降速率減小，有時甚至出現微弱增加現象，同時相位差發生急劇變化。

美國研究學者Schmidt TR在1984年指出，遠場渦流現象取決于管中發生的兩個主要效應，一是沿管子內部對激勵線圈直接耦合磁通的屏蔽效應；二是存在兩次穿過管壁的非直接耦合路徑。它源于激勵線圈附近區域管壁中感應周向渦流，周向渦流迅速擴散到管外壁，同時幅值衰減、相位滯后，到達管外壁的電磁場又向管外擴散，管外場強的衰減較管內直接耦合區衰減速度慢得多，因此管外場又在管外壁感應產生渦流，穿過管壁向管內擴散，并再次產生幅值衰減與相位滯后，這也就是遠場區檢測線圈所接到的信號。

這個遠場渦流效應很快為迅速發展起來的場有限元數值仿真計算所證明。

2.遠場渦流檢測技術的特點

常規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變化信號，而遠場渦流以測量穿過管壁后在管外沿管軸傳播一段距離再返回到管內的磁場，檢測線圈處在距激勵線圈2～3倍管徑以遠的遠場區，因此，檢測線圈所能接到遠場信號十分微弱，通常為微伏數量級，同時也參雜了許多外界雜散電磁場干擾，其數量級也能比遠場信號大幾百倍，這給信號處理及儀器制作帶來困難。

由于遠場渦流機理不同，對內外管壁缺損有相同的檢測靈敏度，對填充系數要求低，對探頭在管內行走產生的偏心影響很小。其較大優勢是能檢查厚壁鐵磁性管，可檢測壁厚為25mm。這對常規渦流是無法達到的。其次，它對大范圍壁厚缺損靈敏度和度高，精度可達2～5，對小體積的缺陷，如腐蝕凹坑，檢測靈敏度的高低取決于材質、壁厚、磁導率的均勻性、檢測頻率和探頭的拉出速度等因素。在石化行業常見的Φ25×2.5的碳鋼管上，檢測靈敏度可達到80，直徑為Φ2.8的腐蝕坑。

遠場渦流使用的檢測頻率比常規渦流低許多，為了保證在激勵的每個周期內能采集到信號，而不漏檢，檢測速度受到限制，通常只有常規渦流檢測方法的1/3～1/5，大致范圍在10m～20m/min，一個8h的工作班可檢查200～500根10m長的管道。

3.應用實例

某石化總廠一臺換熱器曾幾度因管子泄漏而影響生產，在檢修期間采用試壓方法來檢驗，結果也發現有管子泄漏。為檢驗該換熱器，了解其實際狀況，評估其使用壽命，采用遠場渦流檢測方法對該換熱器管子進行逐根檢查，其規格為Φ25mm×2.5mm，材質為20號鋼。

圖3是一根換熱管的實際檢測結果的條形圖。從圖中可以看出，在S1～S7處，相位和幅度曲線都出現向右偏移，這是折流板的信號。在B3，B4，B5和B6處相位和幅度曲線都出現了向左偏移，且有一定長度，說明在上述位置出現了大范圍的周向壁厚減薄，通過圖上坐標計算并與標準樣管對比，確定壁厚減薄為壁厚的13。據現場觀察與了解，出現的壁厚減薄可能是制造過程穿管不當造成的管子機械損傷，又由于使用過程中應力集中等原因使該處壁厚減薄進一步加重。經檢測，該換熱器還有數根管子情況與此相同。

該次檢驗共有三臺相同的高壓加熱器

檢驗結果：檢測結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，現已運行一年，沒有出現因管子泄漏而非計劃停機現象。

另一應用實例是某熱電廠六十萬千瓦機組的高壓加熱器鋼管檢驗，其加熱器鋼管規格為Φ16×2.1mm的U型管，材質為低碳鋼。于1990年初投產運行至1998年9月，累計運行3.5萬小時，均發生了不同程度的泄漏。根據加熱器采用的碳鋼管材分析，其發生泄漏的原因主要有四種：彎曲應力、熱應力、沖刷減薄及腐蝕。它們將導致管子產生裂紋、蝕坑甚至斷裂等，其危害相當大，不僅使熱效率降低，供電煤耗升高，而且長期下去還將導致腐蝕現象發生，嚴重時甚至造成加熱筒體爆破。檢驗使用ET-556H便攜式遠場渦流探傷儀，探頭用外徑Φ10.5mm的遠場差動和式探頭，檢測頻率為350Hz。標定管為相同規格，相同材質的鋼管上加工Φ1.2mm通孔和Φ2mm通孔。

缺陷的探傷評定上遵從如下原則：

(1) 缺陷信號幅值超過Ф1.2mm通孔的為記錄標準，而不論缺陷大小。

(2) 缺陷信號幅值超過Ф2mm通孔的為堵管標準而不論缺陷大小。

根據以上原則，在探傷過程中凡發現超過堵管標準的信號顯示，在探傷人員無法確定為非相關信號時，一律應該判廢。

檢驗工藝使用ET-556H遠場渦流儀和外徑為Ф10mm的遠場差動式與式探頭，檢測頻率為350Hz。

1# 加熱器未發現超過記錄標準及堵管標準的管子。

2# 加熱器建議堵管5根，監督進行5根（超過記錄標準）。

3# 加熱器建議堵管3根，監督運行2根。

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

高壓加熱器鋼管泄漏與其運行狀況緊密相關，其運行特點是：

(1) 進出水流對管板的沖擊造成較大的管板彎曲應力，造成管口與管板脹接處萌生裂紋，并向管內延伸。

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

(3) 進水室管口向內300mm的管段存在水流的沖刷減薄，乃至開裂。

4.結束語

新發展的遠場渦流技術，為電力石化行業大量使用的鋼管缺損檢查提供了一種確實可行的快速和可靠的方法，文章中的應用實例證實了該方法的實用性。今后的任務是如何提高完善該項技術，擴大在電力石化領域的應用，加強基礎和實用化研究。