石化電力系統中的渦流檢測

石化電力系統中的渦流檢測技術

南京優悅科技有限公司    汪冬兵

【摘要】介紹一種無損檢測方法----電磁渦流技術，來解決石化行業交換器大量換熱器的快速在役檢查。對檢測原理，方案實施，缺陷評判等進行較詳細說明。著重舉例在管壁探傷和測厚的應用。

關鍵詞：渦流   在役檢測   探傷   測厚

電磁渦流檢測是五大常規無損檢測技術之一，尤其近年來無論儀器和檢測技術都得到了長足的進步，在石化、電力、冶金等各個工業領域發揮了越來越重要的作用。本文僅從石化系統熱交換器的在役檢測這一專題來介紹這一技術的實際應用和重要意義。                              

   在石化行業中，廣泛使用著各種形式的列管式熱交換器，其中有不少換熱器在高溫、高壓和強腐蝕介質中運行，由于介質腐蝕、沖刷、疲勞應力等作用，會使列管管壁產生各種腐蝕缺陷、損傷和壁厚減薄，這將嚴重威脅設備的安全運行。因此對這些在役換熱器管進行定期檢測，掌握缺陷的存在及發展情況，是保證整臺設備長周期安全運行的關鍵。

在目前的幾種常用無損檢測技術中，電磁渦流檢測方法由于檢測速度快、靈敏度高、非接觸式檢測等優點，因而成為目前換熱器管的唯一有效的檢測手段。

一.檢測原理

電磁渦流檢測的理論基礎是電磁感應。在探頭的激勵線圈中通以高頻交變電流，在附近的被測管壁中就會感應出渦流，管子的幾何缺陷、電磁異常和尺寸變化等因素都將影響管內的渦流，而渦流的變化又使檢測線圈的阻抗和感生電壓發生改變，測出這種變化，就可得出管子的尺寸及缺陷情況。

二.檢測儀器  

目前在石化系統廣泛應用的多頻渦流檢測儀其典型的原理方框圖如圖2。

為滿足現場檢測要求，儀器至少應具備以下特點：

1．  用阻抗平面顯示，以便能實時得到缺陷信號的李薩育圖形，全面反映缺陷信號的幅值、相位、波形走向等特征，利用相位分析技術，可將干擾與缺陷信號分開，提高信噪比。

2．  必須采用自動平衡技術。

3．  為適應不同的檢測對象，要求儀器的頻率范圍寬廣可調，一般應為100Hz～1MHz。

4．  儀器應具備雙頻或多頻檢測功能，以便有效抑制干擾。

5．  隨著微機技術的發展，現在大多數渦流儀都采用計算機對檢測信號實時顯示。同時還可利用計算機進行信號處理，例如混頻、報警設定、相位分析、數值存儲記錄等工作，大大提高了檢測速度和準確性。

三.標樣制作

渦流檢測是一種比較法檢測，為了調試儀器、評定缺陷，必須預先制作標準樣管。目前大多按照ASME（美國材料試驗學會標準）有關規定進行加工，典型的探傷標樣管和測厚樣管如圖3，圖4。

            

四.探頭選擇

根據石化系統換熱器的結構特點，探頭只能從管內插入，要按被測管的尺寸材料來制作專用檢測探頭。在探傷時，應采用自比較式差動線圈，以利于檢出裂紋、蝕坑等微小缺陷，測量管壁厚度時，應采用外比較式線圈。

五.樣管標定

正式檢測前必須利用標準樣管對儀器進行參數選擇和設定，可根據渦流滲透深度公式進行檢測頻率預選，再對標樣管進行測試，進一步修正參數，最后找出頻率、相位、增益等參數的最佳值。在最佳情況下，對標樣管上的人工缺陷可得到圖5的信號圖形。

              

從圖中可看出，不同深度的內外壁缺陷信號的相位角是不同的。理論和實踐都表明，缺陷深度與信號相位角之間存在著如圖6的關系。

在實際檢測中，將檢測到的缺陷信號相位角與標準曲線對照，即可判定缺陷的相對深度。

六.實際應用

在石化裝置中大量使用著各種立式和臥式的列管式換熱器，下面以大化肥廠的尿素裝置中高壓甲銨冷凝器和氣提塔為例，介紹如何應用渦流檢測技術對數千根列管進行探傷和測厚檢查。設備的典型結構如圖7。

  

(一) 檢測前的準備

檢測前必須遵照有關規定辦好必要的手續并落實安全措施，對被測管子應進行清洗，去除管內雜物，以保證探頭能順利地插入。同時要了解設備的結構及工藝參數，判斷可能發生的主要問題，并編制管子排列圖7。

(二) 實施檢測

儀器架設要安全可靠，參數設定以標樣管為準，檢測探頭可以人工拉動也可電機驅動，為保證檢測效率又不能漏過缺陷，探頭拉動速度以1米/秒為宜。一般情況下，在探頭拉出時進行觀察、分析、并存儲記錄。當然，若是經驗豐富的檢測人員，且對設備的狀況十分了解，在進行探傷檢查時，也可只對有問題的管子再進行復查并記錄，對于大量沒有問題的管子可以只注意觀察而不做記錄，以減少工作量，提高效率。

  一般情況下，應對每一根管子進行全長檢查（特殊要求例外）。檢測時應做好各種參數和信號的記錄，在檢測過程中，應定時對儀器參數及標樣管進行標定，以確保儀器參數的穩定，防止漏檢。

(三) 缺陷評定

    根據設備的具體情況，有時主要發生管壁的腐蝕、裂紋、穿孔等缺陷，而有時主要發生管壁的均勻腐蝕減薄，因此檢測的著重點有時以探傷為主，有時又以測壁厚為主，這時檢測的參數、探頭、標樣也不同。

為說明問題，下面分別敘述：

探傷：

1．目的及特點

探傷的目的主要是檢查管壁內外表面的蝕坑、裂紋及冶金缺陷等。為提高靈敏度，一般采用差動式自比較檢測線圈，這種探頭檢測速度快，并可區分內外壁缺陷，判斷缺陷的相對深度。但它的檢測靈敏度與裂紋的走向有關，對于管壁中的環向裂紋，由于與渦流的方向一致，對渦流的干擾較小，因而難于檢測到，我們在現場多次的檢測中都證實了這一點。為解決這一問題，應采用斜線圈或點式探頭。

2．干擾的抑制

由于換熱器管周圍有管板和支撐板環繞，將會對檢測造成一定干擾，如果恰在此部位管子存在缺陷，則干擾信號將會與缺陷信號疊加形成復合信號而難于判別，有時甚至會淹沒缺陷信號，因此必須抑制干擾。常用的有效方法是采用混頻技術。也可采用點式旋轉探頭，但檢測成本較高，速度也慢一些。此外還可能存在一些無規則的電磁異常點等干擾，則要求檢測人員有豐富的實踐經驗來判斷。

3．檢測盲區

在管子兩端，由于一般有管板、堆焊層、管子突出端等結構，在此區域渦流場發生畸變，使缺陷信號難于檢測。根據具體情況不同，這個區域大約為20～40mm。當然，采用一定措施可以盡量縮短這一區域。

4．缺陷評定

對檢測發現的缺陷信號進行評定是檢測最關鍵的技術。由于現場的情況十分復雜，單靠上述原理有時根本無法判別，尤其對多信號疊加形成的復合信號更難于分辨，這就要求技術人員有豐富的檢測經驗和對所測設備的充分了解，有時對一些疑難信號還需拔管解剖驗證。例如，在某化肥廠的新甲銨冷凝器檢測中，發現大量復雜信號，信號波形如圖8。

由圖可見，這是一個較復雜的缺陷信號，經復查和分析，認定這是管子外壁由于應力腐蝕而造成的裂紋，但由于這是一臺新設備，剛投用一年多，為慎重起見，在征求廠方意見后決定當場拔管驗證。在測定的位置用放大鏡看到兩條極細的縱向裂紋，后經金相照片顯示，裂紋深度已達60%，由外壁向內壁發展。由于查到并確認了裂紋，引起了該廠的重視，及時對缺陷管進行了修復，保證了設備的正常開車運行。

測厚：

1．重要性

對某些設備來說，由于工藝條件的不同，一般不會發生裂紋、蝕坑等缺陷，但在管子的某一段會產生均勻腐蝕，使管壁每年以一定的速率減薄，當減薄到一定厚度時，如不處理，就有爆管的危險，嚴重威脅設備的安全運行，對這種設備，就必須經常進行渦流測厚，找出每根管子的最薄壁厚值，并可計算出所有管子的壁厚平均值，進而求出年平均腐蝕率。例如大化肥廠的汽提塔就是如此。多年運行經驗表明，這臺設備最終都以管壁減薄、導致堵管過多而報廢。因此每次大修進行全部管子測厚是必不可少的檢測項目。

2．檢測特點

管壁厚度變化屬于緩慢變化，必須采用外比較式線圈探頭。同時采用較低的檢測頻率，一般為1KHz左右。由于管外的碳鋼管板會造成極大干擾，此處較難檢測。當探頭拉出時，所記錄的數據為這根管子的最薄段在各方位上的壁厚平均值。

3．檢測精度

在儀器和探頭、標樣管正常情況下，壁厚的測量精度為±0.05mm。我們曾對幾段不同尺寸的管子做了解剖試驗，數據如下：

    

    管號

  

壁厚

      

61-26-8

      

BB-16

      

TT-01

      

TT-02

  
    

卡尺實

  

測 值

  

mm

      

1.74

      

2.83

      

1.82

      

1.95

  
    

儀器

  

檢測值   mm

      

1.75

      

2.85

      

1.80

      

1.90

  
    

誤 差

  

mm

      

0.01

      

0.02

      

—0.02

      

—0.05

  

4．數據處理

由于管子數量多，每次需要讀取并記錄的數據都在幾千個以上，近來都采用微機直接讀取渦流信號，轉換成壁厚值，并實時顯示、存儲在硬盤上。由于事先編制了管子排列圖，只要按一定次序逐根檢測，就可自動將每根管子的壁厚值填入相應的位置。求平均值、分類等工作也可瞬間完成，并可隨時打印。

5．工作效率

由于渦流檢測的非接觸測量及微機的實時數據處理能力，使得測厚工作的效率非常高，2～3名操作人員每個工作日可完成1200根管子的測厚工作，并能立即打印出檢測報告。這在現場搶修時間緊急時是很有意義的，能夠立刻給出結果，供廠家快速修理，減少停車時間就意味著效益。

七.經濟效益

石化企業的生產都是連續進行的，如何保證設備的安全長周期運行是提高效益的關鍵。多年的檢測經驗表明：有計劃地對重要設備進行檢測，確實能預先發現潛在的缺陷，掌握設備的實際狀況，并預測其殘余壽命，不僅能合理地安排修理與更換，減少非計劃停車，同時可以從設備的異常情況來分析出操作或工藝中的問題，以便使操作更加優化。

八.技術發展

目前，渦流檢測在我國石化系統已應用達16年之久，技術已相當成熟，隨著遠場渦流理論的提出和遠場渦流儀的推廣使用，對于各種厚壁管和碳合金鋼管的在役檢測也逐步廣泛使用。針對設備中某些難于檢查的部位，也研制開發了各種專用檢測探頭。計算機技術與渦流檢測相結合使得檢測信息處理更加快速準確。這些都使渦流檢測技術在石化系統中的應領域日益擴展。

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