石化電力系統(tǒng)中的渦流檢測

石化電力系統(tǒng)中的渦流檢測技術(shù)

南京優(yōu)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(shù)，來解決石化行業(yè)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(jìn)行較詳細(xì)說明。著重舉例在管壁探傷和測厚的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：渦流   在役檢測   探傷   測厚

電磁渦流檢測是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一，尤其近年來無論儀器和檢測技術(shù)都得到了長足的進(jìn)步，在石化、電力、冶金等各個工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用。本文僅從石化系統(tǒng)熱交換器的在役檢測這一專題來介紹這一技術(shù)的實際應(yīng)用和重要意義。                              

   在石化行業(yè)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(qiáng)腐蝕介質(zhì)中運行，由于介質(zhì)腐蝕、沖刷、疲勞應(yīng)力等作用，會使列管管壁產(chǎn)生各種腐蝕缺陷、損傷和壁厚減薄，這將嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運行。因此對這些在役換熱器管進(jìn)行定期檢測，掌握缺陷的存在及發(fā)展情況，是保證整臺設(shè)備長周期安全運行的關(guān)鍵。

在目前的幾種常用無損檢測技術(shù)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(yōu)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(chǔ)是電磁感應(yīng)。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(yīng)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(nèi)的渦流，而渦流的變化又使檢測線圈的阻抗和感生電壓發(fā)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(tǒng)廣泛應(yīng)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(xiàn)場檢測要求，儀器至少應(yīng)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(shù)，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(shù)。

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

4．  儀器應(yīng)具備雙頻或多頻檢測功能，以便有效抑制干擾。

5．  隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在大多數(shù)渦流儀都采用計算機(jī)對檢測信號實時顯示。同時還可利用計算機(jī)進(jìn)行信號處理，例如混頻、報警設(shè)定、相位分析、數(shù)值存儲記錄等工作，大大提高了檢測速度和準(zhǔn)確性。

三.標(biāo)樣制作

渦流檢測是一種比較法檢測，為了調(diào)試儀器、評定缺陷，必須預(yù)先制作標(biāo)準(zhǔn)樣管。目前大多按照ASME（美國材料試驗學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)）有關(guān)規(guī)定進(jìn)行加工，典型的探傷標(biāo)樣管和測厚樣管如圖3，圖4。

            

四.探頭選擇

根據(jù)石化系統(tǒng)換熱器的結(jié)構(gòu)特點，探頭只能從管內(nèi)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(yīng)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(yīng)采用外比較式線圈。

五.樣管標(biāo)定

正式檢測前必須利用標(biāo)準(zhǔn)樣管對儀器進(jìn)行參數(shù)選擇和設(shè)定，可根據(jù)渦流滲透深度公式進(jìn)行檢測頻率預(yù)選，再對標(biāo)樣管進(jìn)行測試，進(jìn)一步修正參數(shù)，最后找出頻率、相位、增益等參數(shù)的最佳值。在最佳情況下，對標(biāo)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(nèi)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(guān)系。

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

六.實際應(yīng)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(yīng)用渦流檢測技術(shù)對數(shù)千根列管進(jìn)行探傷和測厚檢查。設(shè)備的典型結(jié)構(gòu)如圖7。

  

(一) 檢測前的準(zhǔn)備

檢測前必須遵照有關(guān)規(guī)定辦好必要的手續(xù)并落實安全措施，對被測管子應(yīng)進(jìn)行清洗，去除管內(nèi)雜物，以保證探頭能順利地插入。同時要了解設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，判斷可能發(fā)生的主要問題，并編制管子排列圖7。

(二) 實施檢測

儀器架設(shè)要安全可靠，參數(shù)設(shè)定以標(biāo)樣管為準(zhǔn)，檢測探頭可以人工拉動也可電機(jī)驅(qū)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(jìn)行觀察、分析、并存儲記錄。當(dāng)然，若是經(jīng)驗豐富的檢測人員，且對設(shè)備的狀況十分了解，在進(jìn)行探傷檢查時，也可只對有問題的管子再進(jìn)行復(fù)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(yīng)對每一根管子進(jìn)行全長檢查（特殊要求例外）。檢測時應(yīng)做好各種參數(shù)和信號的記錄，在檢測過程中，應(yīng)定時對儀器參數(shù)及標(biāo)樣管進(jìn)行標(biāo)定，以確保儀器參數(shù)的穩(wěn)定，防止漏檢。

(三) 缺陷評定

    根據(jù)設(shè)備的具體情況，有時主要發(fā)生管壁的腐蝕、裂紋、穿孔等缺陷，而有時主要發(fā)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(shù)、探頭、標(biāo)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(nèi)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(qū)分內(nèi)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(guān)，對于管壁中的環(huán)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(xiàn)場多次的檢測中都證實了這一點。為解決這一問題，應(yīng)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(huán)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(fù)合信號而難于判別，有時甚至?xí)蜎]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(shù)。也可采用點式旋轉(zhuǎn)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(guī)則的電磁異常點等干擾，則要求檢測人員有豐富的實踐經(jīng)驗來判斷。

3．檢測盲區(qū)

在管子兩端，由于一般有管板、堆焊層、管子突出端等結(jié)構(gòu)，在此區(qū)域渦流場發(fā)生畸變，使缺陷信號難于檢測。根據(jù)具體情況不同，這個區(qū)域大約為20～40mm。當(dāng)然，采用一定措施可以盡量縮短這一區(qū)域。

4．缺陷評定

對檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷信號進(jìn)行評定是檢測最關(guān)鍵的技術(shù)。由于現(xiàn)場的情況十分復(fù)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(fù)合信號更難于分辨，這就要求技術(shù)人員有豐富的檢測經(jīng)驗和對所測設(shè)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(fā)現(xiàn)大量復(fù)雜信號，信號波形如圖8。

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

測厚：

1．重要性

對某些設(shè)備來說，由于工藝條件的不同，一般不會發(fā)生裂紋、蝕坑等缺陷，但在管子的某一段會產(chǎn)生均勻腐蝕，使管壁每年以一定的速率減薄，當(dāng)減薄到一定厚度時，如不處理，就有爆管的危險，嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運行，對這種設(shè)備，就必須經(jīng)常進(jìn)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(jìn)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(jīng)驗表明，這臺設(shè)備最終都以管壁減薄、導(dǎo)致堵管過多而報廢。因此每次大修進(jìn)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(dāng)探頭拉出時，所記錄的數(shù)據(jù)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(biāo)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(shù)據(jù)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．?dāng)?shù)據(jù)處理

由于管子數(shù)量多，每次需要讀取并記錄的數(shù)據(jù)都在幾千個以上，近來都采用微機(jī)直接讀取渦流信號，轉(zhuǎn)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(yīng)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(jī)的實時數(shù)據(jù)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(xiàn)場搶修時間緊急時是很有意義的，能夠立刻給出結(jié)果，供廠家快速修理，減少停車時間就意味著效益。

七.經(jīng)濟(jì)效益

石化企業(yè)的生產(chǎn)都是連續(xù)進(jìn)行的，如何保證設(shè)備的安全長周期運行是提高效益的關(guān)鍵。多年的檢測經(jīng)驗表明：有計劃地對重要設(shè)備進(jìn)行檢測，確實能預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷，掌握設(shè)備的實際狀況，并預(yù)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(shè)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(yōu)化。

八.技術(shù)發(fā)展

目前，渦流檢測在我國石化系統(tǒng)已應(yīng)用達(dá)16年之久，技術(shù)已相當(dāng)成熟，隨著遠(yuǎn)場渦流理論的提出和遠(yuǎn)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(shè)備中某些難于檢查的部位，也研制開發(fā)了各種專用檢測探頭。計算機(jī)技術(shù)與渦流檢測相結(jié)合使得檢測信息處理更加快速準(zhǔn)確。這些都使渦流檢測技術(shù)在石化系統(tǒng)中的應(yīng)領(lǐng)域日益擴(kuò)展。

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