缺损检测技术.doc

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 在电力和石化工业屮大量采用热交换器 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 量使用另一类碳索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u .?1, 用常规涡流检测方法存在很强的集肤效应，如 以下公式确定导体屮涡流的标准渗透深度5 : 6=5. 033X (/u ro ) 12 式屮 f —检测频率 U r 材料相对磁导率 0 —-材料电导率 对于非铁磁性材料，u「二1,对于强铁磁 性材料，Ur =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 屮涡流的标准渗透深度S=0. 051mm,如果用内 插式探头测壁厚为加m钢管，涡流幅值由内表 面的100%渗透到外表面只剩下： WJx=o=J2/Jo=e2/6=9. 3X 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杏钢管外壁缺 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Z后管壁表面生锈 (铁磁性Fe3O4) ?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，铁磁性物质屮各个磁 畴的f l发磁化强度矢量的取向是不同的，但是 对外效果互相抵消，因而桀个物体对外不显磁 性。在外加磁场不足时，铁磁性物质屮部分磁 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杳方法大都是将 热交换器芯抽出清洗后，采用人工肉眼观察， 主观评价來取弃，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。 木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，即可貞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 圈一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 圈屮感应电势值以及该电势与激励电流Z间 的相位差随两线圈Z间距离Ded （以管内径Di 的倍数表示）变化关系1111线称信号■距离特性。 特性可定性分为以下三个区域。 近场区 7777 CZZI 冷/— I I 擠稱合 澈励线圜接收线團图1 澈励线圜 接收线團 图1原始的远场涡流检测探头 图2检测线圈信号一足I漓特性 （1） 当Ded1.8Di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，称近场区或真接耦合区。 （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： 0 二V n / U 0 式屮—感应电势的相位滞后 § -一管壁厚 f —-激励频率 U -一管壁材料的磁导率o —-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U无法解释，出现于远场区的 特殊现象，称Z为远场涡流效应。 （3）近场与远场Z间的区域称为过渡区， 在过渡区感应电势下降速率减小，有时共至出 现微弱增加现彖，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，