火电厂锅炉水冷壁管缺陷检测技术研究进展.pdf

工业安全与环保 64Industrial Safety and Environmental Protection2023年第4 9 卷第8 期August 2023火电厂锅炉水冷壁管缺陷检测技术研究进展刘安仓1叶鑫孙伟生朱昌赐木（1.华能（广东）能源开发有限公司，广东广州5 10 6 2 3；2.汕头大学教育部智能制造重点实验室，广东汕头5 15 0 6 3；3.华能（广东）能源开发有限公司汕头电厂，广东汕头5 15 0 0 0)摘要锅炉水冷壁管的缺陷检测对于保障火电厂的安全运作具有重要意义。介绍了水冷壁管常见的几种缺陷形式，阐述了几种常用管道无损检测技术的检测原理、检测精度、检测类型以及优缺点。结合火电厂锅炉内部的工作环境，重点综述了最适合应用于火电厂锅炉水冷壁管的检测方式一一电磁超声检测(Elec-tromagnetic ultrasonic testing,EMAT)及国内外的研究进展与应用现状。针对电磁超声检测技术存在检测种类少、检测效率低等问题，分析了管道电磁超声复合式检测的优势，并对电磁超声复合式检测方法应用于火电厂锅炉水冷壁管缺陷检测进行了展望。关键词锅炉水冷壁管缺陷无损检测电磁超声检测复合式检测林少国3 王双喜?Development of non-destructive testing technologies for defects detection of boiler water-wall tubes inthe thermal power plantLIU Ancang YE Xin SUN Weisheng ZHU Changci LIN Shaoguo WANG Shuangxi?(1.Huaneng(Guangdong)Energy Development Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510623,China)Abstract The defect detection of boiler water-wall tube is of great significance to ensure the safe operation ofthermalpower plants.Several common defect forms of water-wall tubes are introduced,and the detection principles,detectionaccuracy,detection types,advantages and disadvantages of several commonly used tube non-destructive testing tech-nologies are expounded.Combining with the internal working environment of thermal power plant boilers,this paperfocuses on the development and application status at home and abroad of the most suitable detection method for boilerwater-wall tubes in thermal power plant,electromagnetic ultrasonic testing.In view of the problems of EMAT technol-ogy such as few types of detection and low detection efficiency,the advantages ofEMAT composite inspection of pipesare analyzed,and the EMAT composite inspection method is applied to the detection of water-cooled wall tube defectsin boilers of thermal power plants is prospected.Key words boiler water-wall tube corrosion defect non-destructive testing electromagnetic ultrasonic testingcomposite detection0引言目前，在我国电力供应系统中，火力发电依然占据主要地位。火力发电依靠锅炉燃烧煤炭释放大量热量，通过锅炉水冷壁管将热量传递给管内的冷却水，从而通过发电机组将热能转化为电能。锅炉水冷壁管作为能量传输的主要介质，其状况直接影响到锅炉的安全可靠运行1。锅炉水冷壁管道在长期高温下运作受热疲劳、热腐蚀、蠕变等影响，不可避免会发生各种类型的缺陷，进而引起管道失效，埋下事故隐患2 。近年来，由于水冷壁管的失效造成的事故不计其数，给国家与企业带来巨额的经济损失3 。因此，定期停机对水冷壁管进行检测减少此类安全*基金项目：中国华能集团科技计划项目（HNKJ21-HF106）。生产事故受到了电力企业的广泛重视。火电厂锅炉水冷壁管的检测方式普遍为人工检查，此种方式检测周期长、工作效率低、劳动强度大，同时需锅炉冷却至常温才可进行，严重影响了检修进度。为解决人工检测所存在的问题，近年来，学者们开始着手对金属水冷壁管的自动化无损检测进行研究，旨在实现在一定余温的锅炉环境条件下，仍能够实现水冷壁管道缺陷的检测。管道常见的无损检测主要包括如下几种：超声、涡流、漏磁等检测技术。这些检测虽然各有特点，但是由于检测原理、锅炉内部环境、水冷壁管道的特殊分布等因素的影响，迄今为止，还没有完全实现锅炉水冷壁缺陷的自动化检65测。超声波在介质内传播的过程中，会因为介质材本文列出了当前水冷壁管道存在的几种主要缺料性质的差异产生反射与透射的现象，从而致使波陷，阐述了几种常用金属管道无损检测技术的检测形的转变，其传播形式如图3 所示。根据应力波理原理、检测精度、优缺点以及检测类型，并根据火电论，导波在遇到缺陷会发生反射、折射等现象并伴随厂锅炉内部环境与水冷壁管的缺陷形式，重点介绍模态转换，由接收端接收回波信号，在导波速度等信了最适合应用于水冷壁管缺陷的检测方式一一电磁息已知的情况下，可通过分析回波信号实现对缺陷超声检测技术。的检测与评估。与传统的检测方式相比,超声导波1水冷壁管道的主要缺陷检测技术具有测量速度快、范围大、成本低等优势，火电厂锅炉内部环境恶劣，水冷壁管在作业时并且可以实现较长距离管道的定位检测5 。但是如易产生各类缺陷，其中，内壁主要是酸、碱以及垢下果管道缺陷过多，回收的信号会产生叠加效应，易造腐蚀，表现为腐蚀坑与壁厚降低；外壁主要为高温腐成数据读取困难。蚀与机械磨蚀，表现为壁厚降低、腐蚀坑以及周向的传感器裂纹及划痕；另外，管壁由于长期受热，可能会出现上表面轴向张裂。水冷壁管道的缺陷主要可分为如下几类：凹坑类、管壁内、外表面腐蚀类、各向裂纹类，各类缺陷如图1所示。abd(a)凹坑类缺陷（b)内表面垢下腐蚀缺陷（c、d)外壁的磨损与高温腐蚀缺陷（e)轴向张裂缺陷（f)横向裂纹缺陷图1水冷壁管主要缺陷2管管道缺陷无损检测技术的分类2.1走超声检测管道超声波检测原理如图2 所示，检测时施加在构件上的超声波强度低、穿透能力强、速度快，测量结果精确。但是，超声检测在检测时需使用耦合剂,即采用接触换能的方式，且多用于常温条件下检测，因此对于表面温度较高的水冷壁管的缺陷检测难以实现。超声波探头一次回波透射波图2 管道超声波内检测原理示意2.2超声导波检测Cf裂纹发射波二次回波管壁缺陷下表面图3 超声导波在管道中传播示意2.3电磁超声检测电磁超声检测技术通常利用横波进行检测，如图4 所示，横波在试件中传播，在底面反射，回波引起的应变在金属试件中产生动态电场，从而被EMAT线圈接收到，通过测量始波和回波的时差确定被测件的厚度。电磁超声检测对于裂纹、表面腐蚀、壁厚等都有较好的检测效果，对于厚度测量分辨率可达到微米级，适用于高温管道，同时具有灵敏性强、无需耦合剂、以及可不接触检测的优点7,因此被广泛的应用于各类管道检测之中。磁体SN纵波X表面涡流横波7图4 横波电磁超声传感器结构示意2.4涡流检测涡流检测是一种基于电磁感应原理的无损检测技术，如图5 所示，如果金属管道中存在缺陷，涡流磁场的强度和分布、线圈阻抗都会改变。通过检测线圈阻抗的变化，就可以得到试样表面的缺陷信息“8。管道涡流检测用于表面和近表面缺陷检测以及壁厚减薄表征，对于待测物体毫米级的表面缺陷能够准螺旋线圈管壁缺陷 66.确检测，同时具有检测信号强、信息量大等优点。其存在检测范围小、深度浅且无法检测带涂层的导电材料等缺点，因此在实际应用中受到一定的限制。但是随着涡流检测技术的发展，脉冲涡流等检测方法的出现与应用，拓展了涡流检测的应用范围。涡流探头管壁图5 管道涡流检测原理示意2.5漏磁检测漏磁检测的原理如图6 所示，金属管道腐蚀部位易对磁通道造成强烈的不连续性，从而产生了易被机载霍尔元件传感器检测到的强烈泄漏场信号，对磁敏探头采集的漏磁信号进行分析即可确定管道检测技术检测缺陷位置分辨率与精度达到超声检测表面及内部缺陷用于缺陷位置定传播距离远，速度无法直接测量出管道超声导波检测表面及内部缺陷位，定位精度为厘快，对横向裂纹缺壁厚、数据读取困难米级陷灵敏度高等缺陷检测精度可达穿透性高、灵敏性电磁超声检测表面及内部缺陷到毫米级，厚度测强，适用于高温环量精度微米级境等检测信号强，灵敏较难检测金属材料埋检测分辨率与精度外表面腐蚀缺陷、涡流检测表面和近表面缺陷可达到毫米级可精确检测毫米级无需耦合剂，操作无法检测内部缺陷，表面凹坑、部分裂漏磁检测表面和近表面缺陷的凹槽与裂纹3电磁超声检测研究进展20世纪初，国外学者们便展开了对电磁超声测厚技术的研究，因其具有无需耦合剂、灵敏性高等优异的性能，在无损检测领域一直都占据重要角色。电磁超声的研究主要针对检测机理研究及传感器设计方面，即根据EMAT自身内部因素对声场与回收信号的影响程度，判断最合适的传感器结构参数。2 0 0 3 年，MIRKHANIK等12 利用ANSYS，建立了以磁性材料为被测试件的三维EMAT仿真模型，得到了被测件的力场分布，进而来优化设计EMAT的参数。ISLAJ等13 受压电超声探头阵列启发，设壁的受损情况10 。漏磁检测具有灵敏度高、操作简单与检测深度深等优点，但其很少用于厚度的测量，且不适用于裂纹走向与外部磁场平行的缺陷检测 。磁力线管壁图6 漏磁检测原理火电厂锅炉水冷壁管长期受酸、碱、高温等腐蚀，容易导致壁厚的降低，因此需对其厚度进行定期检测，且上述各类无损检测技术应用于锅炉水冷壁管需从外侧检测到管道内外信息，检测时检测设备需承受水冷壁管壁的高温，检测设备不受裂纹走向的影响。比较上述检测方法，如表1所示，最终确定电磁超声检测为最适用于此场合的无损检测技术。表1管道常用无损检测技术比较检测精度优势应用范围广，兼容较难确定体积型缺陷性高、检测数据精和平面缺陷的具体性毫米级确等性高，可进行高温藏缺陷、带较厚涂层检测等金属材料缺陷等简单，灵敏度高等存在漏检现象等计了一种电磁超声相控阵，降低了EMAT所需激励功率，并优化了线圈，在有关缺陷的无损检测中取得了重大的进步。黄凤英等14 采用ANSYS计算得出EMAT中磁体产生的磁感应线的分布情形，结合试验方法获得永磁体的优化结构参数，为EMAT结构的优化设计奠定基础，同时也分析了传感器提离距离对于超声回波信号的影响。2 0 14 年，杨理践等15 利用仿真软件，建立了被测试件为铁磁性材料的EMAT三维仿真模型，通过研究传感器磁铁形状对于线圈磁感应强度的影响，如图7 所示，优化了EMAT的设计。磁铁磁敏元件局限性质等等换能效率低等主要检测类型裂纹、凹坑缺陷定位厚度、裂纹、内外表面腐蚀、较大凹坑裂纹、外表面凹坑纹 67式电磁超声换能器，如图9 所示。经试验验证表明，如图10 所示，该检测系统周向导波能够检测到的轴向裂纹缺陷和孔缺陷的最小截面损失比均为3%，厚度10 mm以内被测件测厚误差小于0.1mm，既保证了检测精度，又解决了传统超声测厚的存在捡漏以及效率极低的问题。1.00399961199980599941(a)单级型永磁体06694970.134E+070.201E+070.268E+073347490.100E+070.167E+070.234E+070.301E+07(b)马蹄形磁铁图7 磁感应强度矢量图21世纪以来，电磁超声检测技术已经进入实用化阶段。2 0 0 9 年，WANGS等16 研制了一种可实现对包含氧化层的管道电磁超声管道检测系统。2 0 14年,BURROWSSE等17 研发了一种非接触式的水冷激光-电磁超声系统，通过对高温下的钢管进行检测，确认了该系统检测时最高承受温度可以达到9 0 0。2016年，李永虔等18 研制了一种高精度手持式电磁超声测厚仪，通过对不同材料进行试验测量，确定了该测厚仪分辨率达到0.0 1mm，测量厚度可精确到0.001mm。2 0 18 年，刘素贞等19 开发了一款电磁超声检测系统,利用该系统分别对裂纹深度为0.5 mm与1mm裂纹试块进行试验验证，实验结果表明识别率达到了9 5%以上，验证了该电磁超声检测系统对于细小裂纹的高识别性。电磁超声缺陷透射波如图8所示。2 0 2 0 年，中北大学的研发团队根据电磁超声与C扫描的应用优势，开发了一种电磁超声C扫描系统，通过对漏磁检测筛查出的管道缺陷区域进行复检，实现了管道腐蚀缺陷的定量检测，检测精度可达到微米级2 0 。4电磁超声复合式检测的研究进展电磁超声检测应用于锅炉水冷壁管时，虽能检测出大部分缺陷，但是仍然存在检测效率低2 1、对于点状腐蚀不敏感2 2 等问题，目前，研究方向正向应用范围更加广泛的电磁超声复合式检测转变。针对电磁超声检测效率低的问题，唐志峰等2 3 利用有限元仿真软件，完成了换能线圈的参数及结构的优化设计，开发了一种超声与导波融合的复合7999220.120E+070.160E+079999020.140E+070.180E+070.50-0.5-1.0201.00.50-0.5-1.020EMAT换能器实验管道图9 实验平台实物换能器距缺陷0 mm1.0缺陷回波一0.50H-0.5-1.01.00.50-0.5-1.01.00.50-0.5-1.000.51.01.52.02.53.03.54.04.5时间/(10*s)(a)不同位置导波缺陷检测信号3030图8 电磁超声缺陷透射波示波器信号发生器换能器距缺陷15 mm换能器距缺陷2 5 mm140(a)0.5mm缺陷4050时间/us(b)1 mm 缺陷功率放大器阻抗匹配模块50时间/us60601701708080 68.1.00.50-0.5-1.01.00.5一0-0.5-1.01.0值0.50-0.5-1.0针对部分缺陷无法检测的问题，DOBMANNG等2 4 开发了一种集电磁超声、漏磁、涡流3 种检测方法的检测系统，实现了更加全面的缺陷检测，3 种检测方法共用同一检测线圈，利用信号频率特征，实现了不同检测信号的分离和提取。但是此种复合检测系统没有处理好最佳磁场工作点，因此,在组合于一个线圈时，无法保证3 种检测方法的检测效果同时达到最佳。同时由于线圈的体型较大，极易对密布的腐蚀性缺陷产生误判。针对上述3 种复合检测方式所存在的问题，赵普2 5 建立了磁声复合检测传感器有限元仿真模型，求解出了3 种检测方法所对应的最佳磁场工作点，同时根据磁路结构参数与EMAT-PECT复合检测线圈设计参数，确定了换能器的结构参数，减小了线圈的体积。通过实验验证传感器的检测性能，结果表明，水冷壁管表面的凹坑型缺陷和周向裂纹型缺陷可被有效识别；对于管道内壁缺陷的检测，测厚误差小于0.7%；对于管道外壁缺陷的检测，传感器可识别3mm以内的表面腐蚀,测厚误差小于10%。上述几种复合检测方式解决了电磁超声检测存在的一些特殊问题，但是仍有不足。2 0 2 1年,沈功田等2 基于频域可变的电磁理念，采用不同的线圈进行组合，开发出了一款集漏磁、电磁超声测厚以及超声导波于一体的复合式检测传感器，实现了检测的高效率与全面性，为验证传感器的检测性能，依次对应深度不同的直径为2 0 mm的球头铣刀加工的球形孔缺陷和直径为10 mm、深度为1mm的盲孔进行试验验证，漏磁与导波测试结果如图11所示，电磁超声测厚结果如表2 所示。但是此系统的检测传感器体积较大，接收设备未能实现无线传输，同时集成度6mm壁厚回波8mm壁厚回波0.51.0时间/(10-s)(b）不同位置横波缺陷检测信号图10 复合式换能器缺陷检测信号较低，仅仅实现了探头的复合，数据接收后仍需不同的系统处理。距离缺陷W中心0 mm距离缺陷中心10 mm距离缺陷中心2 0 mm1.52.02700265026002550叫/2500245024002350230002.5642叫/0-2-4-6-0.2表2 复合探头电磁超声测厚测试结果参数标称厚度仪器示值5结语火电厂锅炉水冷壁管爆管等事故对火电厂锅炉的安全运行影响严重，预先开展锅炉水冷壁管道无损检测对于锅炉水冷壁管安全运行至关重要。本文介绍了当前常用的无损检测方法，重点阐述了最适合水冷壁管的无损检测技术一一电磁超声检测，尤其是电磁超声复合式检测技术。随着现代智能技术的不断发展，未来火电厂锅炉水冷壁管检测技术研究将在如下方向不断深入：1)集成化设备的应用。水冷壁管道的复合式检测技术仍处于实验室阶段，大多数的集成方式为传直径10 mm、深1mm的盲孔信号400800扫查距离/mm(a)漏磁测试结果直径10 mm、深3.2 mm的盲孔导波信号00.2时间/ms(b)超声导波测试结果图11复合探头测试结果数值10.09.89.99.810.09.99.89.912000.40.6单位：mm9.69.49.79.49.69.49.69.316000.869.感器结构的复合，距离复合式传感器的参数设计仍ndt systemJJ.Journal of the Korean Magnetics Society,有较远的距离；复合式检测技术的数据处理仍需要2012,22(2):49-57.不同的检测系统，从而造成了集成化设备的体积庞12JMIRKHANI K,CHAGGARES C,MASTERSON C,et大，难以实现自动化检测。如何实现符合传感器的al.Optimal design of emat transmittersJJ.NDT and E In-ternational,2003,37:181-193.参数设计以及检测数据的融合处理是未来集成化设13JISLA J,CEGLA F.Emat phased array:a feasibility study备的重要研究方向。of surface crack detectionJJ.Ultrasonics,2017,78:1-9.2）缺陷的直观化。实现缺陷的直观化，可以更14黄凤英，周正干.静态偏置磁场对电磁超声换能器灵敏好地完成管段缺陷维护或更换，当前的无损检测技度的影响J.机械工程学报，2 0 11，4 7（10)：1-7.术可实现缺陷的大小与种类的检测，但对于缺陷的15杨理践，邹金津，邢燕好.电磁超声兰姆波换能器在金属量化与成像还未能做到。板检测中的优化J.沈阳工业大学学报，2 0 14，3 6（5）：3）耐高温。锅炉内部温度很高，定期检测时需537-542.冷却至常温才可进行，严重影响了检修进度。因此，16JWANG S,LEI K,XIN P,et al.Characteristic research通过提高无人设备与检测设备的耐温性，可以有效and analysis of EMATs transduction efficiency for surface加速检修进度，从而实现发电设备的高效利用。detection of aluminum plateC/IEEE.International Con-参考文献ference on Electronic Measurement&Instruments,Beij-1周彬，宗仰炜，葛红花.某电厂余热锅炉烟气侧低温段受ing,2009,4:949-955.热面的腐蚀积垢原因J.腐蚀与防护，2 0 2 1，4 2（2)：6 0-17JBURROWS S E,FAN Y,DIXON S.High temperature64.thickness measurements of stainless steel and low carbon2胡平，王志武，李正刚TP304H奥氏体不锈钢锅炉管长steel using electromagnetic acoustic transducersJ.NDT期高温运行后的组织变化分析和研究.广东电力，2 0 10,and E International,2014,68:73-77.23(5):16-19.18李永虔，孙，赵辉，等.高精度手持式电磁超声测厚仪3JLU X,GANG L,LUAN S.The development of the boilerJ.仪表技术与传感器，2 0 16(5)：3 2-3 4.water wall tube inspection CJ/IEEE.Third International19刘素贞，饶诺歆，张闯，等.基于LabVIEW的电磁超声无Conference on Electric Utility Deregulation and Restructur-损检测系统的设计J.电工技术学报，2 0 18，3 3（10)：ing and Power Technologies,Nanjing,2008:2415-2420.2274-2281.4梁伯翱，赵错，王晓娟，等.基于超声导波的管道缺陷量化20马思同，郑阳，孙明，等.电磁超声C扫描在管道内检测缺评估仿真研究.西安理工大学学报，2 0 18,3 4（4)：4 8 9-陷复检中的应用研究.压力容器，2 0 2 0,3 7(10)：5 7-6 3.494.21JFELICE M V,FAN Z.Sizing of flaws using ultrasonic bulk5童今鸣.基于超声导波的管道非通透缺陷模拟研究D.wave testing:a reviewJJ.Ultrasonics,2018,88:26-42.上海：华东理工大学，2 0 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