远场涡流检测技术在高压加热器检验中的应用.doc

远场涡流检测技术在高压加热器检验中的应用 摘要：远场涡流探伤是一门新的无损检测技术。为此，对远场涡流检测技术的理论作了研究分析，归纳总结了其与普通涡流检测技术相比所具有的优势。该技术被应用在高压加热器钢管的质量检验中，取得了良好的效果，为钢管质量监督提供了可行有效的手段。关键词：远场涡流；检测；高压加热器；钢管 涡流探伤作为一种无损检测手段，是以电磁感应原理为基础的。当钢管经过通以交流电的线圈时，钢管表面或近表面有缺陷部位的涡流将发生变化，导致线圈的阻抗或感应电压产生变化，从而得到关于缺陷的信号，并以信号的幅值及相位等对缺陷进行判断。利用涡流探伤，可以测定钢管中的蚀坑、孔洞、夹杂物、裂纹等缺陷。常用的涡流检测方法在热交换管道检测方面已成为一种可靠的技术，但它仍局限于非铁磁材料和弱铁磁材料的检测。通过对超声波技术及远场涡流技术进行调研,发现超声波技术的检测速度慢，需要耦合剂和进行管道表面清洁，而且超声波技术对高压加热器钢管这种薄壁管的检验非常困难。而远场涡流技术由于其相位信号正比于缺陷深度，并且是由磁场两次穿越管壁，能正确地反映管壁的缺损特征，能重复地测量出缺损的深度等。因此，对于铁磁管道来讲，远场涡流技术是最可行的一种无损检测技术。随着远场涡流理论的逐步完善和实验手段、试验方法的不断改进，远场涡流技术用于管道，特别是铁磁性管道检测的优越性逐步被人们广泛认识。该技术有望用于在役金属管道的无损检测，以延长金属管道的使用寿命，还可用于产品的质量检测，其经济效益相当可观。远场涡流检测技术的理论研究远场涡流法属低频涡流检测技术，采用内通过式探头（见图1）。 远场涡流探头由1个激励线圈和1个测量线圈构成。在激励线圈中通以低频交流电，其能量流2次穿过管壁并沿管壁传播。测量线圈能测到来自激励线圈的穿过管壁后返回管内的磁场，因而能以相同的灵敏度检测管子内外壁缺陷及管壁的厚度，不受趋肤深度的限制，可有效检测碳钢或其他强铁磁性管，探头在管内的摆动对检测也基本没有影响。普通的涡流检测技术是以电磁感应原理为基础的，在涡流检测线圈的激励绕组中通以交流电，则会在被检试件中产生感应涡流，在其周围建立起一个交变涡流磁场反作用于激励磁场，经过反复多次达到动态平衡。当被测试件中存在缺陷时，涡流流动发生畸变，原来的平衡被破坏，原线圈立刻会测到这种变化的涡流信号及线圈阻抗变化，传送到微机记录进行分析，从而判断出试件中是否存在缺陷。由此可见，普通涡流检测技术就是接受被测物体反馈的涡流信号，可是当被测物体出现量变时会导致检测线圈的阻抗变化，从而影响涡流信号的输出。其影响因素很多，主要有电导率、磁导率、几何形状、温度、检测线圈与被测物体的相对位置、工件中的冷加工和热处理应力、缺陷的非连续性、信噪比等。由于这些因素的干扰，使普通涡流检测仪器对检测的信号处理分析很困难。采用远场涡流检测技术，消除了干扰因素，使得检测结果更加准确有效。由上述的远场涡流检测原理与普通涡流检测原理对比可看出，普通涡流检测技术靠仪器接受的涡流信号来分析，而涡流信号和交流电一样具有趋肤效应，涡流在被检物体上的分布呈指数变化，靠近线圈的表面涡流密度最大，随着深度的增加呈自然指数规律衰减，其标准渗透深度0.37计算如下：式中:0.37标准渗透深度，m；f电流频率，Hz；相对磁导率，H/m；电导率，S/m。由式（1）可以看出，普通涡流检测（见图2）受趋肤效应严重影响，检测试件的深度极其微小。由标准渗透深度0.37可知，穿透深度与电导率、磁导率及频率的乘积的平方根成反比。当铁磁性材料的磁导率变化范围非常大，在没有达到磁饱和时，这些变化就掩盖了缺陷信号或电导率变化的信号而使普通涡流检测失效。所以，对铁磁性材料进行普通涡流探伤时，必须应用磁饱和技术，增设1个磁饱和线圈，以降低干扰信号，但效果还是不理想。 远场涡流检测技术是通过测量穿过管壁后返回管内的磁场，故在检测技术理论上是一个新的突破。其不受趋肤效应的影响，克服了电导率和磁导率的影响，对铁磁性材料的检测效果明显优于普通涡流检测技术。同时，在试件中的几何变形、试件边缘末端及相对位置产生的末端效应都会产生一个畸变的涡流信号干扰检测信号；材料的温度、应力变化，材料的冷加工热处理引起的变形及损伤的非连续性和信噪比也会改变试件的电导率和磁导率，影响着涡流信号的产生,造成普通涡流检测技术对检测结果判断困难，这些干扰在远场涡流检测技术上也得到了消除。以上分析从理论上证明了远场涡流检测技术的优势，实践中我们也做了大量的实验作，得到了科学的验证。在珠江电厂和湛江电厂的高压加热器钢管涡流检验中即充分证明了其实用优势，具体如下:a)检测结果可以直接用电信号输出，因此可以进行自动化检测；b)由于采用非接触式的方法，检测速度快；c)适用范围广，除能检测缺陷外，还能检测材质变化和尺寸形状的变化等；d)特别适合管材、线材的检测，与传统的漏磁、渗透、超声波等方法比较，具有简单、使用方便、消耗品费用最少的特点；e)对碳钢或其他强铁磁性管子的蚀坑、裂纹等缺陷的检测十分有效；f)安全，防护简单，不会对人体造成伤害。远场涡流技术的开发与应用远场涡流技术在高压加热器钢管金属检验的开发与应用已引起各方的重视，我们也在电厂高压加热器钢管金属检验中应用了此项先进技术，且取得了良好的效果。高压加热器在运行过程中，由于以下原因可能导致管子泄漏：a)管子振动。换热管子是一弹性体，在受力后将产生弹性变形，若气流作用不稳定，则会产生振动。振动过大时，管子与管板固定处会产生疲劳折断，管子与管子及中间隔板相碰撞则产生磨损并损坏。b)管子锈蚀损坏。腐蚀使管子表面金属损失，表面被破坏，形成沟槽和凹坑。管子的锈蚀往往是由于水质不合格，或者是汽侧不可凝气体过多聚集而引起的，在较低的部位和在蒸汽空间中隔板所形成的死角处尤其容易发生。c)管子外壁受到汽水两相流动的冲刷，使管壁边缘变薄后，在内部压力作用下破裂，发生泄漏。d)管子本身的材料问题。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，还将导致水蚀现象发生，严重时甚至造成高压加热器筒体爆破。广州珠江电厂1号机组1号、2号、3号高压加热器是由哈尔滨锅炉厂制造的300MW机组用卧式高压加热器，型号分别为GJ-1100-1型、GJ-1180-2型、GJ-820-3型，于1997年投产。其运行参数见表1。 其热交换管的材质为15Mo3,规格为16mm2.5mm。根据高压加热器采用的碳钢管材分析，远场涡流检测对这些缺陷具有良好的检出能力，且快速、准确。为保证机组的经济运行，定期对其实施检测十分必要。检测前，我们做了大量的准备工作，选取了高压加热器原管段制作标准试样管，选择人工钻通孔校准试件，孔径根据检验要求定为1.2mm。选择制作内外表面带有环形槽的对比试件，槽深为壁厚的10%，20%，40%，60%或80%，作为调整探伤灵敏度及缺陷定量用。检验时采用ET-556H便携式全数字电脑远场涡流探伤仪，它具有两个可同时用于检测的频率通道。频率范围：16MHz；增益范围：099dB；相位旋转：0360；数字滤波功能；自动分析系统等。探头采用16mm2.5mm钢管用远场差动式探头。 高压加热器钢管的远场涡流检测工艺仪器调节：根据标准试样管，在钢管检测范围内选择主频f1。其次加上模拟隔板（专门加工的碳钢钢环），调整通道频率、相位和增益，使支撑板信号与人工缺陷分离开来。经反复调节，选择f1=0.60.8kHz。在役热交换器钢管的检验一般采用远场涡流法普查，其精确定量，效果良好。它可以解决铁磁性材料由于磁导率=1而渗透深度极薄及磁导率不均匀所引起的较高噪音信号问题。另外，由于远场涡流检测法中检测线圈测量的物理量与普通涡流法不同，信号的幅值将取决于缺陷体积大小，而信号的相位主要由缺陷的深度决定，这与非铁磁性管子的涡流检测情况类似。检测所采用的标定管是将1.2mm通孔信号的相位调整为40，2mm通孔信号的相位大约是38，并用其做出相位-缺陷深度曲线，据此可精确地确定缺陷的当量大小及缺陷深度占壁厚的百分比。4涡流检验标准在役热交换器管的检验目前还没有标准，由于是钢管，可参考GB/T773587钢管涡流探伤方法。该标准制定时采用基于阻抗分析技术的涡流仪，但它对缺陷的评定只考虑了反映缺陷体积的信号相位，没有顾及到反映缺陷深度的信号相位，因而有其局限性。随着远场涡流技术的应用，在缺陷评定上参考如下原则：a)缺陷信号幅值超过1.2mm通孔的为记录标准，而不论缺陷深度大小；b)缺陷信号幅值超过2mm通孔的为堵管标准，而不论缺陷深度大小；c)缺陷深度超过50%壁厚的为记录标准，而不论其信号幅值大小；d)缺陷深度超过80%壁厚的为堵管标准，而不论其信号幅值大小。根据标准，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,一律应该判作报废。 检验结果及质量分析按照上述的缺陷评定标准,对1号机组高压加热器共检测4490根管子，计8980个管口，完全检验8468个。1号高压加热器共检测1525根管子，计3050个管口，未发现超过堵管标准的信号。2号高压加热器共检测1525根管子，计3050个管口，发现6根管子有超过堵管标准的信号，需要堵管。3号高压加热器共1390