楊淑海

(南京優(yōu)悅科技有限公司， 南京 210033)

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嚴(yán)重腐蝕減薄后低碳鋼管壁厚的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)

楊淑海

(南京優(yōu)悅科技有限公司， 南京 210033)

摘要：在役換熱器的低碳鋼管通常用于循環(huán)水與工藝介質(zhì)之間的熱交換。一般情況下低碳鋼管主要發(fā)生沖刷腐蝕和垢下腐蝕；若管壁嚴(yán)重腐蝕減薄甚至爆管，會(huì)影響換熱器的正常運(yùn)行。對(duì)換熱器低碳鋼管的檢測(cè)，目前最有效且快速的方法是利用渦流檢測(cè)技術(shù)(ET),對(duì)發(fā)生腐蝕減薄的低碳鋼管用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)(RFT)測(cè)量出較準(zhǔn)確的壁厚值，依此可以判斷低碳鋼管的殘余壽命，并對(duì)該換熱器的監(jiān)測(cè)及技術(shù)改造提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：低碳鋼管；腐蝕減?。贿h(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)；測(cè)厚

在役換熱器低碳鋼管使用的年限較短(約4年)，其在生產(chǎn)運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕減薄甚至爆管。筆者使用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)，對(duì)低碳鋼管壁厚進(jìn)行了較準(zhǔn)確地測(cè)量,并依此判斷低碳鋼管的殘余壽命,并對(duì)該換熱器的監(jiān)測(cè)及技術(shù)改造提供參考依據(jù)。

1遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理[1-3]

在激勵(lì)線圈附近的檢測(cè)線圈與其直接耦合產(chǎn)生的渦流效應(yīng)稱為近場(chǎng)區(qū)耦合，這是常規(guī)渦流檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，激勵(lì)線圈除了大部分能量消耗在近場(chǎng)外，還有很小一部分能量(約1%)穿透管壁向外擴(kuò)散并沿管壁軸向傳播，若在遠(yuǎn)處(一般大于2.5倍管徑)放置檢測(cè)線圈，則可接收到微弱的渦流信號(hào)，此時(shí)渦流兩次穿透管壁，這個(gè)區(qū)域稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，如圖1所示。

圖1　渦流傳播路徑示意

在近場(chǎng)區(qū)隨著距離的增加磁場(chǎng)急劇衰減，但到了遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)后磁場(chǎng)衰減程度變得很平緩。一般在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，此時(shí)直接耦合的影響已基本消失，若在此處放置檢測(cè)線圈，則可檢測(cè)到微弱的電磁場(chǎng)信號(hào)，再對(duì)該信號(hào)進(jìn)行幅值和相位的分析,這就是遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)。檢測(cè)到的信號(hào)與傳播路徑上的管壁特征、缺陷、壁厚值、折流板等因素直接相關(guān)。

圖2為渦流信號(hào)的幅值和相位隨著檢測(cè)線圈和激勵(lì)線圈距離而變化的情況?？梢?jiàn)在近場(chǎng)區(qū)和過(guò)渡區(qū)，渦流變化劇烈；到了遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)則變化較為平緩，當(dāng)線圈位置固定后，信號(hào)只與管材特性有關(guān)。

圖2　渦流的幅值和相位與線圈距離的關(guān)系

1.1遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的傳播規(guī)律

(1) 為了得到一定強(qiáng)度的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流，激勵(lì)線圈的激勵(lì)頻率必須比較低，一般從幾十到幾百赫茲。

(2) 激勵(lì)線圈產(chǎn)生的渦流絕大部分在近場(chǎng)區(qū)消耗，只有很小一部分穿出管壁傳播到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)(大約1%的能量)，因此遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)十分微弱，必須加大輸出功率并采用高靈敏度的放大器進(jìn)行檢測(cè)。

(3) 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流因?yàn)榇┩腹鼙谙蛲鈧鞑?，基本不受到磁?dǎo)率的影響，因而可以對(duì)鐵磁性管壁進(jìn)行檢測(cè)。

(4) 研究表明,在檢測(cè)線圈處得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨管壁厚度呈指數(shù)衰減，而相位隨管壁厚度呈線性滯后。如下式：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:B為檢測(cè)線圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度;B0為激勵(lì)線圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度;θ為相位滯后角；μ、σ為管壁材料特性；t為管壁厚度。

1.2螺旋線曲線

根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理可知，檢測(cè)信號(hào)的幅值與壁厚成指數(shù)關(guān)系，信號(hào)相位的變化與管壁厚度成線性關(guān)系。因此可將信號(hào)幅值取自然對(duì)數(shù)后代表壁厚值，也可通過(guò)信號(hào)的相位變化量來(lái)確定壁厚值。但現(xiàn)有的檢測(cè)儀器不具備對(duì)幅值取對(duì)數(shù)或直接讀取相位變化的功能，因此只能近似處理。儀器顯示的是探頭移動(dòng)時(shí)渦流信號(hào)的實(shí)時(shí)阻抗變化，即壁厚缺損的變化可由光點(diǎn)的移動(dòng)來(lái)表示，其幅值隨壁厚減薄成螺旋線變化，如圖3所示。

圖3　遠(yuǎn)場(chǎng)電壓信號(hào)阻抗曲線

圖3的螺旋線是一條理想曲線，是從管壁無(wú)限厚逐步減薄為零的渦流信號(hào)電壓變化曲線。若能將上述壁厚變化的參考螺旋線畫(huà)出，當(dāng)實(shí)測(cè)到某一壁厚減薄信號(hào)時(shí)，直接與該曲線相對(duì)照，即可得出壁厚值。但這樣做實(shí)際上仍有困難，理想的曲線難以做出。

2試驗(yàn)儀器及方法

2.1試驗(yàn)儀器

渦流檢測(cè)儀：ET-556H 全數(shù)字電腦遠(yuǎn)場(chǎng)多頻渦流檢測(cè)儀。對(duì)比樣管：低碳鋼,φ25 mm×2.5 mm(直徑×最厚壁厚)，外減薄，壁厚臺(tái)階2.5-2.0-1.5 mm。檢測(cè)探頭：φ19 mm遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)探頭，內(nèi)插式、環(huán)形、雙激勵(lì)、絕對(duì)式(即AB型)線圈[4-5]。

圖4　渦流儀、對(duì)比樣管、探頭外觀照片

2.2試驗(yàn)參數(shù)

探頭頻率為0.3 kHz， 增益為30， 相位為203°。

2.3試驗(yàn)方法

選擇了對(duì)比樣管進(jìn)行測(cè)試，在壁厚變化只有兩個(gè)減薄臺(tái)階的情況下得到的信號(hào)曲線與理想的螺旋線是有差異的，但對(duì)應(yīng)三個(gè)壁厚值的光點(diǎn)位置是準(zhǔn)確的，如圖5所示。

圖5　2.5-2.0-1.5 mm壁厚臺(tái)階校驗(yàn)曲線

由于選用的對(duì)比樣管只有兩個(gè)減薄臺(tái)階，3個(gè)壁厚值，而且每個(gè)臺(tái)階壁厚是突變的，因此改變檢測(cè)頻率，通過(guò)在對(duì)比樣管中的反復(fù)測(cè)試，對(duì)渦流信號(hào)選擇恰當(dāng)?shù)南辔恍D(zhuǎn)和增益調(diào)節(jié)，可得到需要的檢測(cè)曲線。

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管壁測(cè)厚時(shí)，其中三個(gè)壁厚點(diǎn)數(shù)值是準(zhǔn)確的；在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間的壁厚值，誤差值也不會(huì)太大，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試及驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)綜合誤差在0.1 mm之內(nèi)，這已足夠滿足工程使用要求。

加工一段3.3～0.3 mm的外壁緩慢減薄的對(duì)比樣管，如圖6所示。

圖6　3.3～0.3 mm壁厚對(duì)比樣管設(shè)計(jì)圖

調(diào)節(jié)探頭的頻率、相位、增益，探頭從對(duì)比樣管最大值處緩慢拉出，可以得到圖7所示曲線，這條曲線和理論分析理想狀態(tài)下的螺旋曲線大致相同，驗(yàn)證了理論分析情況。

圖7　3.3～0.3 mm壁厚校樣曲線

為了看出各段的線性關(guān)系，分別在對(duì)比樣管和探頭上做上標(biāo)記，然后探頭由對(duì)比樣管的最大值處緩慢移動(dòng)，在各標(biāo)記處停頓一下，各壁厚值在上面的曲線上都有一個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)；壁厚值較大時(shí)，相鄰兩個(gè)壁厚值間曲線長(zhǎng)度較短，壁厚值越小，相鄰兩個(gè)壁厚值間曲線長(zhǎng)度越長(zhǎng)。驗(yàn)證了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流測(cè)厚檢測(cè)的螺旋曲線是非線性的。

3現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)案例

2012年5月對(duì)某廠合成車間的預(yù)塔再沸器(E2101)檢測(cè)情況如下。

3.1設(shè)備的基本情況

列管材料為低碳鋼;列管規(guī)格為φ25 mm×2 mm×3 000 mm;管程介質(zhì)為甲醇;殼程介質(zhì)為水。

使用時(shí)間：2008年5月開(kāi)始投產(chǎn)使用。

設(shè)備在運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)上管板的部分列管角焊縫開(kāi)裂泄露，后在進(jìn)液管處加了一擋板，上管板的列管角焊縫開(kāi)裂減少。繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)列管泄露，進(jìn)行拔管，結(jié)果在距下管口400 mm左右的位置被拉斷，抽出的列管被拉斷的斷面非常薄。

3.2檢測(cè)儀器

渦流檢測(cè)儀為ET-556H全數(shù)字電腦遠(yuǎn)場(chǎng)多頻渦流檢測(cè)儀;對(duì)比樣管為低碳鋼,φ25 mm×2.5 mm；外減薄,壁厚臺(tái)階2.5-2.0-1.5 mm。檢測(cè)探頭：φ19 mm遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)探頭，內(nèi)插式、環(huán)形、雙激勵(lì)、絕對(duì)式(即AB型)線圈。

3.3探頭檢測(cè)參數(shù)

探頭頻率為0.3 kHz， 增益為30， 相位為22°。

3.4現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

調(diào)節(jié)頻率、相位、增益均按2.0～1.5 mm標(biāo)定測(cè)量,渦流檢測(cè)曲線如圖8所示。

圖8　2.0～1.5 mm壁厚校驗(yàn)曲線

檢測(cè)了幾根列管，發(fā)現(xiàn)有的列管壁厚值小于1.5 mm，甚至超出屏幕，如圖9所示。

圖9　現(xiàn)場(chǎng)初步檢測(cè)信號(hào)

由圖9可以看出：從管口開(kāi)始，壁厚急劇減薄，然后回轉(zhuǎn)到A點(diǎn)，然后再向左，實(shí)際上A點(diǎn)應(yīng)該是這根管子的最薄點(diǎn)。調(diào)節(jié)頻率、相位、增益，按2.0-1.5-0 mm標(biāo)定測(cè)量。

在對(duì)比樣管標(biāo)定時(shí)，2.0 mm和1.5 mm的管壁厚是準(zhǔn)確的，在2.0～1.5 mm標(biāo)定范圍內(nèi)檢測(cè)得到的壁厚值有近似的線性關(guān)系，所測(cè)得的壁厚值誤差也較小。小于1.5～0 mm標(biāo)定范圍內(nèi)的數(shù)值沒(méi)有線性關(guān)系，且曲線有回轉(zhuǎn)，所以測(cè)得的壁厚值有一定的誤差，具體誤差無(wú)法準(zhǔn)確給出數(shù)值。

檢測(cè)得到部分壁厚值不大于1.50 mm的列管管號(hào)見(jiàn)表1。

表1　初步檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)得到壁厚值小于1.50 mm的結(jié)果分析：

(1) 發(fā)現(xiàn)部分列管測(cè)得的壁厚值太小，而無(wú)法判斷真實(shí)性(誤差大小)。

(2) 由于檢測(cè)曲線有回轉(zhuǎn)特性，且螺旋線分布是非線性關(guān)系。

(3) 為了減小誤差，得到更精確些的壁厚值，所以采用其他方法進(jìn)行修正測(cè)量。

調(diào)節(jié)頻率、相位、增益，以2.0-1.5-0.75 mm標(biāo)定測(cè)量。

假借臨界點(diǎn)，定義為0.75 mm，使其在屏幕的最左邊，這樣曲線在這一點(diǎn)上還沒(méi)有回轉(zhuǎn)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)校正后，檢測(cè)時(shí)屏幕上顯示的最小值也是0.75 mm左右。其曲線也有一個(gè)近似的線性關(guān)系，那么就可以按2.0-1.5-0.75 mm標(biāo)定測(cè)量，減小實(shí)測(cè)中的誤差值。

對(duì)表1中的列管進(jìn)行重新檢測(cè)得到壁厚值見(jiàn)表2。檢測(cè)得到壁厚值小于1.50 mm的結(jié)果分析如下。

(1) 在0.75～1.5 mm間的壁厚值，按2.0-1.5-0 mm標(biāo)定測(cè)量得到的數(shù)值相比按2.0-1.5-0.75 mm標(biāo)定測(cè)量得到的數(shù)值，有的不變，有的差值在0.05～0.15 mm之間，越接近1.5 mm的誤差值越小，壁厚值越小的誤差值越大。可以判定壁厚值在此之間的列管可根據(jù)生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)使用或選擇性堵管處理。

表2　修正后檢測(cè)結(jié)果

(2) 壁厚不大于0.75 mm的，由于其壁厚值本身就較小，考慮到還可能存在偏心腐蝕的情況，就需要進(jìn)行堵管處理。

(3) 從圖10也可以看出，壁厚在管板上有一定的分布規(guī)律，可以給設(shè)備的修復(fù)處理、繼續(xù)使用及改造提供依據(jù)。

圖10　壁厚分布圖

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與拔出的列管所測(cè)得的壁厚值基本對(duì)應(yīng)，誤差在0.1 mm左右。

局部異常減薄剖開(kāi)、拔管時(shí)被拉斷的照片、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)信號(hào)圖如圖11～12所示。

圖11　現(xiàn)場(chǎng)拔管解剖照片

圖12　現(xiàn)場(chǎng)渦流檢測(cè)信號(hào)

4檢測(cè)難點(diǎn)

(1)由于低碳鋼管所處的工藝環(huán)境一般較差，管內(nèi)通常會(huì)有結(jié)晶物和污垢等雜物且難于清洗，只能選用較小的檢測(cè)探頭，造成填充系數(shù)較小，檢測(cè)靈敏度下降。這些雜物還可能含有鐵磁性雜質(zhì)，對(duì)檢測(cè)信號(hào)造成干擾。

(2) 國(guó)產(chǎn)低碳鋼管在軋制過(guò)程中，由于工藝控制不是很嚴(yán)格，造成整根管子可能存在熱處理狀態(tài)不均，壁厚不均，整批管子壁厚分布也不均的情況。

(3) 所測(cè)得的壁厚值為管子最薄截面處各方位壁厚的平均值，若存在單邊減薄(偏心腐蝕)，則最薄處的壁厚值要小于實(shí)測(cè)值。

(4) 由于螺旋曲線是非線性關(guān)系，現(xiàn)有軟件是

取其水平投影，按線性方程進(jìn)行讀數(shù)，所以有一定的誤差。解決的根本辦法是在軟件設(shè)計(jì)上改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)幅值取對(duì)數(shù)或直接讀取相位變化的功能。

5結(jié)語(yǔ)

(1) 驗(yàn)證了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)用于低碳鋼的厚度測(cè)量時(shí)，厚度與幅值呈螺旋線關(guān)系，且在水平方向有二次讀數(shù)(回轉(zhuǎn)性)的特性。

(2) 檢測(cè)前，要盡量查清換熱器的列管規(guī)格、工藝介質(zhì)、腐蝕、管內(nèi)污物等狀況，選擇合適的對(duì)比樣管、檢測(cè)探頭、檢測(cè)參數(shù)。

(3) 嚴(yán)重腐蝕減薄時(shí)，在沒(méi)有合適對(duì)比樣管的情況下，利用上述方法減小非線性帶來(lái)的測(cè)量誤差值。

(4) 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流測(cè)厚(絕對(duì)式即AB型探頭)對(duì)緩慢壁厚變化(體積型)的腐蝕缺陷較為靈敏，而遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)(差動(dòng)式即DP型探頭)對(duì)緩慢的壁厚變化的腐蝕缺陷卻不靈敏。因此對(duì)鐵磁性管壁腐蝕減薄進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)渦流測(cè)厚更準(zhǔn)確與可靠。

(5) 對(duì)腐蝕減薄管壁進(jìn)行渦流檢測(cè)可以為在役換熱器列管的使用提供較為直觀的數(shù)據(jù)，為設(shè)備管理人員判定設(shè)備使用壽命提供參考依據(jù)。

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[4]葛煉偉，郭韻，丁有廣,等.核電廠高壓加熱器傳熱管渦流檢測(cè)及缺陷產(chǎn)生機(jī)理分析[J]，無(wú)損檢測(cè)，2014,36(1)：74-76.

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Remote Field Eddy Current Testing of Low Carbon Steel Tube′s Wall Thickness Seriously Reduced Due to Corrosion

YANG Shu-hai

(Nanjing Ur Science-Tech Co., Ltd., Nanjing 210033, China)

Abstract：Low carbon steel tube is usually used in circulating water of the heat exchanger in service with the process medium. Normally, there exist mainly scouring corrosion and scale corrosion. In the case of tube wall being seriously thinned due to corrosion the burst might occur and the normal operation of the heat exchanger would be affected. So far the most effective and rapid method for the heat exchanger tube inspection is to use the eddy current testing technology(ET). For corrosion induced wall thickness thinning of low carbon steel tube the remote field eddy current testing technology(RFT)can accurately measure the thickness value, and this can determine the residual life of the tube. The above-mentioned method can be used to monitor the equipment and provide a reference basis for the technical innovation of the heat exchanger.

Key words:Low carbon steel tube; Corrosion thinning; Remote field eddy current testing; Thickness testing

中圖分類號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-6656(2016)01-0058-05

DOI:10.11973/wsjc201601016

作者簡(jiǎn)介：楊淑海(1986-),男,助理工程師,主要從事在役壓力容器的檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

收稿日期：2015-05-04