攀钢炼钢转炉烟道管子检测初探

- 42 - 2010 年第 33 卷第 5 期 攀钢 炼钢 转炉烟道 管子 检测 初探 杨学勇 (攀钢集团研究院有限公司 ) 摘 要 ： 炼钢 转炉 烟道 管子 由于 长期运行中振动与磨损，制造、安装与焊接 ， 超温运行 等因素 的影响 ， 易 发生过热、变形、鼓包、磨损、高温腐蚀、胀粗、裂纹等缺陷 。通过 采用多种方法 检测 管子 内壁，可以有效了解烟道某些 管子 特殊部位是否出现裂纹 及管壁的腐蚀 情况，并 对整段 烟道 的使用寿命进行判定，为 工作 人员 检修 烟道管子时提供科学 依据。 主要 论述 了 用低频电磁法 检测烟道 管子 内壁腐蚀、裂纹等缺陷 的原理、方法 ， 远场涡流检测新技术检测烟道的机理、特点及应用 ， 用超声波测厚仪检测剩 余壁厚的方法及注意事项。 关键词 ： 炼钢转炉； 烟道管； 寿命； 低频电磁法 ； 远场涡流检测新技术 ；超声波壁厚测定 法 1 炼钢 烟道 管子运行 状态 简述 烟道管子 易腐蚀的 外部原因包括： 炉膛火焰温度高； 炉烟的含硫量大； 烟气与灰分颗粒 的冲蚀。炼钢转炉在生产 运行 中，炉 膛 温 度 可高达 1 600 以上，由于炼钢中硫及其它有害杂质的存在， 管子 普遍遭受高温腐蚀。参与高温腐蚀的危害物有燃烧过程中产生的 氢化合物 、碱金属盐及钒盐类 等多种化学物质 ，它们在 各种温度下共同对管壁进行复杂的动态腐蚀。其中，硫化物 是锅炉高温腐蚀的主要因素 ,一是烟气中的硫化氢与管壁金属作用产生的腐蚀，含硫物在金属高温下产生单原子硫，硫与管道中的铁反应生成硫化铁 ( 二是由不可燃硫在高温作用下生成硫酸盐混入灰分熔敷于管壁表面，使 管子 不再具有 所要求的各种良好的高温机械性能，实际上导致 管子 有用壁厚的减薄，从而其有效承载能力不断下降，由此形成腐蚀。另外，高温烟气以大于 8 m/s 的速度冲击管壁 , 烟气的腐蚀和灰分颗粒的冲刷在金属表面交替进行，造成管壁减薄。 图 1、图 2 显示 了 内壁腐蚀 减薄 等 缺陷。 2 低频电磁法检测烟道管子内壁腐蚀、裂纹等缺陷 低频电磁法检测原理 低频电磁法检测的基本原理是采用合适的励磁回路将磁场施于管道，使管壁局部磁化饱和，当被检区域管壁存在腐蚀坑或裂纹时，局部管壁磁阻增加，该区域的磁场产生畸变，部分磁场从管壁表面泄漏出来，形成局部区域漏磁场，漏磁场的分布与缺陷的性质和几何尺寸存在关联。用磁敏元件获得漏磁场分布状况并转化为可以观察的电信号，即可获得反映管道的缺陷图形。漏磁检测原理见图 3。 图 1 管壁单侧均匀减薄 图 2 螺旋管内壁腐蚀坑 攀 钢 技 术 - 43 - (a)无缺陷 (b)有缺陷 图 3 最简单的漏磁 检测原理 低频电磁检测特点 以励磁方式不同区分，漏磁方法分为两种：恒磁磁化和交流磁化。前者用直流电磁化或永久磁铁磁化来产生励磁，后者则用交变电流来激励交变磁场。交流漏磁法除较恒磁法在检测装置上较轻便外，还在信号获取 上 增加了相位 、 频率等方面的信息含量，能更多地收集缺陷特征，然而检测装置也相对复杂 、 昂贵。 为了减少交变磁场产生的涡流趋肤效应，交流漏磁法工作频率较常规涡流检测低许多，大致在 5 100 管材质和壁厚而定。由于此特征，这种方法也称为低频电磁检测，简称 低频电磁法的应用 低频电磁法能从 管子 外壁快速、简便和经济地查找管内腐蚀缺陷位置和大小，有效防止 炼钢转炉烟道管子 运行中的爆管停炉严重事故。检测是非接触方法，不需要耦合剂。管外壁的氧化皮，铁锈以及管内的水垢对检验结果没有影响。可探测的缺陷包括垢下腐蚀凹坑、氢腐蚀、裂纹、高温热腐蚀以及制造缺陷。 3 远场涡流检测新技术检测炼钢转炉管子的裂纹、腐蚀凹坑、磨蚀减薄等缺陷 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见图 4， 它由两个同轴螺管线圈 激励和接收线圈组成，激励线圈通以低频交流电，接收线圈必须置于远离激励线圈 2 3 倍管内径处的“远场区 ”。图 5 为接收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管内径 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 4 原始的远场涡流检测探头 图 5 检测线圈信号 距离特性 1)当 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 大到 (2 3)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 。 励磁器 磁敏元件 裂纹 励磁器 磁敏元件 远场区 两线圈间距 (管径数 ) 幅值/管壁 激励线圈 接收 线圈 直接耦合 间接耦合 近场区 过渡区 远场区 - 44 - 2010 年第 33 卷第 5 期 式中 , 为 感应电势的相位滞后 ； 为 管壁厚 ； 为 激励频率 ； 为 管壁材料的磁导率 ； 为 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。 4)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。 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 存在 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 25 是 常规涡流无法达到的。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。 远场涡流检测技术的应用 最新发展的远场涡流技术，为烟道 管子 缺损检查提供了一种确实可行的快速和可靠的方法，它 可 检测深度 为壁厚 80%、 直径为 2.8 腐蚀坑。对运行中的烟道产 生的裂纹、腐蚀、磨损减薄等缺陷可以快速检出，对炼钢生产具有一定的指导意义。 4 用超声波壁厚测定 方 法寻找壁厚减薄规律 对 取下的病态管子 进行 观察，管壁是因为外腐蚀变薄，且大 多 是靠炉膛一侧变薄，而管子内径并没有出现明显的椭圆度。 通过对这些部位按一定周期 进行 管壁测厚，制作壁厚减薄量 t 关系曲线。按下列方法进行管壁测厚，每测 1 次并作好记录。 安装前的测量 对制作完成的 炼钢转炉烟道 规格为 38 .0 子弯头测厚。 1)对 段锅炉 烟道 底部和顶部弯头的东、南、西、北各侧测厚。南侧可利用检修梯 对两侧进行测厚，由于烟道内径达 2 600 它各侧可将超声波探头安装在特制支架上进行测厚 (见图 6)。 图 6 段锅炉烟道测厚布置 示意 2) 段锅炉 烟道 总长 7 955 部弯头分3 个截面，从底部联接法兰开始每隔 50 东、南、西、北各侧各抽查 34 根 烟道 。 3)顶部弯头分 3 个截面，从顶部联接法兰开始每隔 50 东、南、西、北各侧各抽查 34根 烟道 ，直管段选择 1 个截面。 4) 段锅炉总长 6 440 烟道 底部和顶部弯头的东、南、西、北各侧测厚和 段锅炉 烟道测厚相同 (见图 7)。 运行中的测量 北侧 顶部 底部 西侧 南侧 东侧 段锅炉 水冷壁管展开 段 “虚线”表示测厚部位 攀 钢 技 术 - 45 - 图 7 段锅炉烟道测厚布置 示意 运行了几个炉役后，利用废热锅炉内的安全爬梯和人孔，进锅炉内部，按照安装前的测量方法且同一部位测厚，得出几组壁厚减薄量的数据。 对已更换的烟道测量 对更换的烟道 ,按前两 次的测厚部位进行测厚 ,得出几组壁厚减薄量的数据，绘制壁厚减薄量t 关系曲线，可以得出管子壁厚减薄的初步规律，判定烟道管子的实际使用寿命。 编辑 杨小琴 收稿日期： 2010 攀钢 9月生产经营保持良好势头 2010 年 9 月份， 攀钢 集团公司主要产品产量超额完成月度排产计划，其中生铁、钢、精钒渣、钛白粉产量分别完成 t，分别超计划 t，实现盈利，并较好地完成了当月利润考核指标。 针对近期市场较好，有利于规模效益发挥的实际， 攀钢 集团公司坚持以效益为中心，优化生产组织，高效配置资源，调整营销策略，抓好产品外发，积极释放产能创效益。生产部门加强与销售部门的联系与沟通，以市场为导向，做 好效益测算，根据边际贡献大小优化品种结构，加大效益产品的生产力度，确保效益最大化。 攀钢 运输部门通过加强与铁路部门的沟通协调，克服车辆紧张等困难，根据合同变化做好运输衔接，抓好重点产品、效益产品的外发工作，确保了合同的及时兑现。销售部门一方面通过加强市场分析，及时反馈市场信息，果断调整产品价格，并从优化销售渠道入手，加强与重点战略用户、直供用户的沟通协调，尽可能降低