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在役换热器管缺损检测新技术

摘 要：远场涡流检测是一种新兴的管道检测技术，并颇有潜在发展前途，它可以解决电力石化行业大量使用的钢管在役快速探伤、测厚难题。本文论述远场涡流检测原理并举例在石化工业热交换管道的缺损检查。

主题词：远场涡流 钢换热管 在役检测

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在电力和石化工业中大量采用热交换器作为介质传递能量，其内部由大量管束构成，由于长期处在腐蚀介质和交变应力作用下，经常产生腐蚀和磨蚀，因此对内部换热管的定期检验是保证设备安全运行的重要措施。
通常换热管从材质上可分为两大类，一类是非铁磁性材料，如奥氏体不锈钢、铝合金、钛合金和铜合金等，常规涡流检测技术以其检测速度快、灵敏度高、缺陷信号分析方法成熟，已广泛应用于火电、石化等部门的非铁磁性金属管道的缺陷检测。然而在电力石化行业上大量使用另一类碳素钢和低合金钢等铁磁性材料的换热管，其特点是金属的磁导率μr>>1,用常规涡流检测方法存在很强的集肤效应，如以下公式确定导体中涡流的标准渗透深度δ：
δ=5.033×(ƒμrσ)-1/2
式中 ƒ --- 检测频率
μr --- 材料相对磁导率
σ --- 材料电导率
对于非铁磁性材料，μr =1，对于强铁磁性材料，μr =100～1000，按公式计算可知，强铁磁性材料的涡流渗透深度只有非铁磁性材料的1/10～1/30，涡流由管内壁穿透到管外壁就非常困难，如检测频率为10kHz时，钢铁中涡流的标准渗透深度δ=0.051mm，如果用内插式探头测壁厚为2mm钢管，涡流幅值由内表面的100%渗透到外表面只剩下：
Jx=2/Jx=o=J2/J0=e-2/δ=9.3×10-18
如此低的数值普通的涡流探伤仪无法测出，也就是说，常规涡流方法无法检查钢管外壁缺陷。
另一方面，管径尺寸的微小变化，管材成分的不均匀及运行一段间之后管壁表面生锈（铁磁性Fe3O4）都会引起电磁噪声。这些因素是造成检测信噪比降低的主要原因。
在无外磁场作用时，铁磁性物质中各个磁畴的自发磁化强度矢量的取向是不同的，但是对外效果互相抵消，因而整个物体对外不显磁性。在外加磁场不足时，铁磁性物质中部分磁畴的磁矩转向外磁场，它是变化的，涡流检查时将产生磁噪声。所以常规涡流检测技术无法满足铁磁性换热管探伤要求。
在现有换热管的定期检查方法大都是将热交换器芯抽出清洗后，采用人工肉眼观察，主观评价来取弃，然而这种方法最多只能看到管束的外层分布管的状况，对内部管束情况一无所知，而且肉眼评价存在很大的随意性。进一步的方法是采用内窥镜检查方法，但这是一种非常慢且麻烦的方法，并只能观察到内壁腐蚀情况，不能适应大量管束的检查。所以在电力石化行业长期存在在役铁磁性材料换热管检测难题。
本文介绍的远场涡流技术(Remote field eddy current technique)是基于远场涡流效应的一种管道检测新技术，它除了具有一般常规涡流的优点外，对铁磁性管道无需采用磁饱和等辅助方法，即可直接用内插式探头来检测管壁上的裂纹、腐蚀凹坑、磨蚀减薄等缺损，被认为是一种最有发展前景的管道检测技术。

1.远场涡流效应与机理
远场涡流技术是基于一种特殊物理现象----远场涡流效应的管道检测技术。原始的远场涡流检测探头示于图1，它由两个同轴螺管线圈----激励和检测线圈组成，激励线圈通以低频交流电，检测线圈必须置于远离激励线圈2～3倍管内径处的“远场区”。图2所示为检测线圈中感应电势值以及该电势与激励电流之间的相位差随两线圈之间距离Ded（以管内径Di的倍数表示）变化关系曲线称信号-距离特性。特性可定性分为以下三个区域。

图1 原始的远场涡流检测探头

图2 检测线圈信号—距离特性

（1）当Ded<1.8Di区域，感应电势是随距离增大而剧减，相位变化不大，这是因为检测线圈与激励线圈直接耦合剧减所致，符合一般的涡流检测理论，称近场区或直接耦合区。
（2）当Ded增大到(2～3)Di以远，幅值与相位均以较小速率下降，且管内外相同，其相位滞后大致正比于穿过的管壁厚，可以近似用一维集肤效应相位公式计算：
θ=2δ√πƒμσ
式中 θ---感应电势的相位滞后
δ---管壁厚
ƒ ---激励频率
μ---管壁材料的磁导率
σ---管壁材料的电导率
这个区域称远场区，对这个区域的规律，传统的涡流概念已无法解释，出现于远场区的特殊现象，称之为远场涡流效应。
（3）近场与远场之间的区域称为过渡区，在过渡区感应电势下降速率减小，有时甚至出现微弱增加现象，同时相位差发生急剧变化。
著名美国研究学者Schmidt TR在1984年指出，远场涡流现象取决于管中发生的两个主要效应，一是沿管子内部对激励线圈直接耦合磁通的屏蔽效应；二是存在能量两次穿过管壁的非直接耦合路径。它源于激励线圈附近区域管壁中感应周向涡流，周向涡流迅速扩散到管外壁，同时幅值衰减、相位滞后，到达管外壁的电磁场又向管外扩散，管外场强的衰减较管内直接耦合区衰减速度慢得多，因此管外场又在管外壁感应产生涡流，穿过管壁向管内扩散，并再次产生幅值衰减与相位滞后，这也就是远场区检测线圈所接到的信号。
这个远场涡流效应很快为迅速发展起来的场有限元数值仿真计算所证明。

2.远场涡流检测技术的特点
常规涡流是采用靠近管壁的线圈以直接磁耦合的形式来拾取涡流场变化信号，而远场涡流以测量穿过管壁后在管外沿管轴传播一段距离再返回到管内的磁场，检测线圈必须处在距激励线圈2～3倍管径以远的远场区，因此，检测线圈所能接到远场信号十分微弱，通常为微伏数量级，同时也参杂了许多外界杂散电磁场干扰，其数量级也能比远场信号大几百倍，这给信号处理及仪器制作带来困难。
由于远场涡流机理不同，对内外管壁缺损有相同的检测灵敏度，对填充系数要求低，对探头在管内行走产生的偏心影响很小。其最大优势是能检查厚壁铁磁性管，最大可检测壁厚为25mm。这对常规涡流是无法达到的。其次，它对大范围壁厚缺损灵敏度和精确度高，精度可达2%～5%，对小体积的缺陷，如腐蚀凹坑，检测灵敏度的高低取决于材质、壁厚、磁导率的均匀性、检测频率和探头的拉出速度等因素。在石化行业常见的Φ25×2.5的碳钢管上，检测灵敏度可达到深度80%，直径为Φ2.8的腐蚀坑。
远场涡流使用的检测频率比常规涡流低许多，为了保证在激励的每个周期内能采集到信号，而不漏检，检测速度受到限制，通常只有常规涡流检测方法的1/3～1/5，大致范围在10m～20m/min，一个8h的工作班可检查200～500根10m长的管道。

3.应用实例
某石化总厂一台换热器曾几度因管子泄漏而影响生产，在检修期间采用试压方法来检验，结果也发现有管子泄漏。为彻底检验该换热器，了解其实际状况，评估其使用寿命，采用远场涡流检测方法对该换热器管子进行逐根检查，其规格为Φ25mm×2.5mm，材质为20号钢。
图3是一根换热管的实际检测结果的条形图。从图中可以看出，在S1～S7处，相位和幅度曲线都出现向右偏移，这是折流板的信号。在B3，B4，B5和B6处相位和幅度曲线都出现了向左偏移，且有一定长度，说明在上述位置出现了大范围的周向壁厚减薄，通过图上坐标计算并与标准样管对比，确定壁厚减薄深度为壁厚的13%。据现场观察与了解，出现的壁厚减薄可能是制造过程穿管不当造成的管子机械损伤，又由于使用过程中应力集中等原因使该处壁厚减薄进一步加重。经检测，该换热器还有数根管子情况与此相同。

图3 远场涡流检测结果条形图
该次检验共有三台相同的高压加热器，结构如图5所示。检验结果：
检测结果是换热器管大多为轻微腐蚀，最
大壁厚减薄在13%以下，只有五六根换热器管存在严重壁厚减薄。将该换热器的壁厚减薄深度>20的管子堵塞后投入使用，现已安全运行一年，没有出现因管子泄漏而非计划停机现象。
另一应用实例是某热电厂六十万千瓦机组的高压加热器钢管检验，其加热器钢管规格为Φ16×2.1mm的U型管，材质为低碳钢。于1990年初投产运行至1998年9月，累计运行3.5万小时，均发生了不同程度的泄漏。根据加热器采用的碳钢管材分析，其发生泄漏的原因主要有四种：弯曲应力、热应力、冲刷减薄及腐蚀。它们将导致管子产生裂纹、蚀坑甚至断裂等，其危害相当大，不仅使热效率降低，供电煤耗升高，而且长期下去还将导致腐蚀现象发生，严重时甚至造成加热筒体爆破。检验使用ET-556H便携式远场涡流探伤仪，探头用外径Φ10.5mm的远场差动和绝对式探头，检测频率为350Hz。标定管为相同规格，相同材质的钢管上加工Φ1.2mm通孔和Φ2mm通孔。

图4 ET-556H远场涡流仪和检验用远场探头

缺陷的探伤评定上遵从如下原则：
(1) 缺陷信号幅值超过Ф1.2mm通孔的为记录标准，而不论缺陷深度大小。
(2) 缺陷信号幅值超过Ф2mm通孔的为堵管标准而不论缺陷深度大小。
根据以上原则，在探伤过程中凡发现超过堵管标准的信号显示，在探伤人员无法确定为非相关信号时，一律应该判废。
检验工艺使用ET-556H远场涡流仪和外径为Ф10mm的远场差动式与绝对式探头，检测频率为350Hz。

1# 加热器未发现超过记录标准及堵管标准的管子。
2# 加热器建议堵管5根，监督进行5根（超过记录标准）。
3# 加热器建议堵管3根，监督运行2根。
同一根管段上有的存在多个缺陷，但每根管段上的典型缺陷多数分布在距管口3mm左右的位置。
高压加热器钢管泄漏与其运行状况紧密相关，其运行特点是：
(1) 进出水流对管板的冲击造成较大的管板弯曲应力，造成管口与管板胀接处萌生裂纹，并向管内延伸。
(2) 疏水区域由于疏水不良，造成管段腐蚀，特别是汽、水两相混合区域尤为严重。
(3) 进水室管口向内300mm的管段存在水流的冲刷减薄，乃至开裂。

4.结束语
最新发展的远场涡流技术，为电力石化行业大量使用的钢管缺损检查提供了一种确实可行的快速和可靠的方法，文章中的应用实例证实了该方法的实用性。今后的任务是如何提高完善该项技术，扩大在电力石化领域的应用，加强基础和实用化研究。

图5 高压加热器结构剖图