列管換熱器渦流檢測信號分析

周長友1，佟以丹2

(1．吉林亞新工程檢測有限責任公司，吉林吉林132021;2．吉林化工學院機電工程學院，吉林吉林132022)

摘要:對服役時間較長的換熱器，管板或支撐板受到沖刷腐蝕、磨損等影響而產生變形，造成信號不規則，使管板或支撐板殘余混頻信號疊加在缺陷信號上，從而影響了缺陷信號的判別．通過對試驗結果的分析，對影響利用渦流檢測技術測試換熱器缺陷的各種因素進行了剖析，并提出了有待于進一步改進的地方．
    關鍵詞:渦流檢測技術;換熱器;信號分析
    中圖分類號:TG 115．28文獻標志碼:A
    文章編號:1007-2853(2011)07-0052-04
    換熱器是化工、石油企業中應用很廣泛的單元設備之一，它在石油、化工建廠總投資中約占20%，在一般企業化工設備總重量中約占40%．換熱器主要由筒體、管板、管束、封頭等零部件組成，分為殼程和管程兩部分．管束部分由很多管子組成，運行中受到內部和外部介質雙重腐蝕，管壁有些部位變薄或泄漏;另外，管束部分與管板大多數情況下采用脹接與焊接相結合，極易造成管板表面或近表面出現裂紋，使設備的使用壽命縮短或發生故障停運，造成重大經濟損失．
    對在役換熱器在有限時間內對管板表面和管壁減薄量進行檢測，對裝置的安全運行起到很大作用．本課題的研究的目的就是在檢修限制的有限時間內，快速、準確地檢測出管板焊接處表面積近表面的缺陷以及管壁減薄量．
    為了盡早發現管子損傷并及時采取對策，提出采用多頻、阻抗平面圖顯示技術，通過對線圈阻抗變化規律的研究，針對試件的尺寸、形狀參數、材質等多種因素綜合考慮，主要特點是:有些檢測不與被檢測對象直接接觸，因而對工件表面可不作處理，檢測速度快，對有些用其它檢測方法很難或不可檢測的部位可進行準確、快速檢測［1］．
    1·檢測器材的制備
    1．1傳感器的制作
    渦流傳感器的性能指標很多，在用于傳熱管的缺陷或壁厚檢測時，需滿足的主要性能有檢測靈敏度足夠高，能有效地消除管板和支撐板等的干擾及對缺陷信息反映的線性范圍大等．為此，可根據實際被檢測管子的內外徑、壁厚及材料要求來選擇線圈的尺寸和參數．
    渦流傳感器的結構形式可根據檢測要求設計，用于雙頻渦流檢測的傳感器線圈骨架由內、外兩層疊合而成，外骨架上車有兩個尺寸完全一樣的線圈槽，用來繞制差動檢測線圈．內骨架上預先焊有三個接線柱，可把繞制好的線圈引出線和輸出電纜線連接在一起．輸出電纜線從內骨架的內通孔中引出．
    制作時，先按設計好的圖樣制作線圈骨架(材料通常采用耐輻射和耐高溫的尼龍棒)，其車制工藝要求嚴格、認真，兩個槽的尺寸(深和寬)盡可能一致，而且要求槽壁光滑，不能有毛刺．繞線要均勻、平穩，繞制好的線圈的電阻、電感及性能等必須測量，兩線圈的數值應基本相等．最后將繞好的線圈的引出線和輸出電纜線在內骨架的接線柱上，并用膠(如環氧樹脂)封裝．渦流檢測制作的傳感器結構圖，如圖1所示，試件規格:Φ25 mm×1．5 mm材質為鋼管，檢測線圈匝數取為30 mm，線直徑取為0．12 mm．

             
    對所制作的傳感器在標定管上試用，完全達到標準要求．信號波形非常清晰，完全可在工程實際中應用．
    1．2對比試樣制作
    1．2．1材料要求
    用于制備對比試樣的鋼管與被探傷鋼管的公稱尺寸相同，化學成分、表面狀況及熱處理狀態相似，即有相似的電磁特性．鋼管的彎曲度≤1．51000，表面無氧化皮，無影響校準的缺陷．
    1．2．2制作
    按JB4730標準，對比試樣的人工缺陷為穿過管壁并垂直于鋼管表面的孔，人工缺陷為五個，其中三個處于對比試樣中間部分，沿圓周分布，大體上互為120°，彼此之間的周向距離≥200 mm，其作用是調定檢測靈敏度和傳動系統的對中狀態．另外距離兩端≤200 mm處各加工一個相同的人工缺陷，以檢驗端部效應，如圖2所示:

           
    1．2．3樣管靈敏度標定
    渦流檢測靈敏度是指在試件上發現規定大小缺陷的能力．渦流檢測靈敏度一般在系統靈敏度范圍內調節．用主頻為80 kHz和副頻為40 kHz在樣管上試驗，對人工缺陷檢測到的信號，如圖3所示．管端效應信號，如圖4所示．有非常明顯的信號幅值及相位變化．

            
    2·實際工件的檢測
    換熱器列管在運行過程中，受液體、氣體介質的作用，容易在支撐板、彎管、脹管區等產生磨損、腐蝕等缺陷．同時在振動和腐蝕的交互作用下，各種缺陷會不斷擴展和加深，當交變應力超過材料殘余部分的強度極限時會形成破壞性的裂紋．但對實際工件的檢測時，發現管材是在擠壓及后續的多道拉伸和清洗工藝中，主要會出現外表面劃傷(犁溝)、硬質點壓痕、內表面由于失穩產生的褶皺、由于清洗不凈而殘留的顆粒狀金屬及裂紋等［2］．
    2．1缺陷的平面阻抗圖
    如圖5所示，劃傷(犁溝)圖形尖而細，溝越窄一般幅度較大，有時超出樣管標定幅度，淺的經打磨處理后再檢測圖形消失．深的破壞管的有效厚度．硬質點壓痕圖形不很規則，使邊緣矢量疊加的結果，如圖6所示．

            
    如圖7所示，顆粒狀金屬屑圖形幅度小，圖形很不規則．而且變化不定．但由于其幅度小，一般可改變增益去除．如圖8、圖9所示，為裂紋平面阻抗圖形，其中圖8為非穿透性裂紋，其圖形幅值很大且相位清晰，圖形呈大“8”字形．圖9為穿透性裂紋，其幅值非常大超出滿幅度．形狀與管端效應相似，但相位不同．

           
    2．2內壁缺陷與外壁缺陷
    相等體積的缺陷，內壁缺陷的阻抗圖幅度較外壁缺陷的小．可借助非鐵磁性薄壁管的阻抗曲線圖來分析，如圖10所示，圖中是填充系數．
    2．2．1內壁缺陷
    如果外徑da不變，這些曲線可以用來表示薄壁管電導率、內徑和壁厚的變化．內壁缺陷的作用相當于增大管子內徑和減少ω而da不變，故η不變．又因為內壁缺陷的存在導致缺陷處導電率變小，根據頻率比公式f/fg=fσdiω/5066，雖然di變大令f/fg變大，但由于σ和ω都變小而且ω的變化速度大于di變化速度．綜合以上因素，f/fg要變小，阻抗要沿η=1的半圓上移．不妨設無缺陷時阻抗為OA段，遇上內壁缺陷時變大到OB，比原來增加了AB段．
    2．2．2外壁缺陷
    如圖10所示，外壁缺陷作用相當于減少管子da和σ，從而減少η，而di未變，故減少ω．根據頻率比公式f/fg=fσdiω/5066，得出f/fg要變小，所以外壁缺陷對阻抗的影響是雙重的，一方面，使da減少，使阻抗因f/fg減少，沿原來的阻抗曲線上移，由原來OA變為OB，另一方面，使阻抗因η減少而由原來半徑較大的曲線跳到半徑較小的曲線，即由OB變為OC．由圖10可知，OC比OB多BC段．

             
    綜上所述，如果管子存在兩處相同體積的內、外壁缺陷，則外壁缺陷的阻抗圖幅度要比內壁的大［3］．
    3·結論
    (1)采用雙頻渦流檢測技術，由于渦流的趨膚效應，當檢測頻率較低時，可探測到一定深度，當檢測頻率較高時，其檢測深度減小，但表面檢測能力提高．因此可采用高頻檢測表面缺陷，而用低頻檢測有一定深度的內壁缺陷的雙頻渦流檢測技術，以提高檢測能力．
    (2)列管的管板和支撐板部位，雖可采用混頻技術抑制干擾，但對服役時間較長的設備，管板或支撐板受到沖刷腐蝕、磨損等影響而產生變形，造成信號不規則，使管板或支撐板殘留混頻信號疊加在缺陷信號上，從而影響了缺陷信號的判別．
    (3)校準人工傷的形狀和尺寸對渦流檢測結果的影響也是很大的．渦流探傷是一種相對的探傷方法，是以校準人工傷作為對比物，人工傷的形狀和尺寸不符合標準要求，那么探傷結果的可信度就會降低．
    (4)鋼管的渦流探傷只能對檢測結果進行定性的分析，不能根據缺陷信號的幅度分析出缺陷的深度和形狀．
    (5)隨著傳感器溫度的升高，信號幅值是逐漸降低的．
    (6)隨著傳感器提離距離的增加，渦流檢測的阻抗信號幅值是逐漸降低的．
    (7)趨膚效應使渦流信號的滲透深度受到很大限制，尤其對于鐵磁性管道，因此檢測時應充分考慮到它的影響．
    (8)在其它條件一定時，隨著裂紋深度的增加，渦流檢測信號的幅值是逐漸降低的，阻抗顯示平面圖的相位角是逐漸增加的．
    (9)采用放置式探頭探測換熱器鋼管的最佳檢測速度為3m/s左右，此時的阻抗信號幅值變化最大．
參考文獻:
［1］邵澤波．無損檢測技術［M］．北京:化學工業出版社，2003．
［2］任吉林，吳禮平，李林．渦流檢測［M］．北京:國防工業出版社，1985．
［3］胡天明．表面探傷［M］．武漢:武漢測繪科技大學出版社，1996．