嚴(yán)重腐蝕減薄的低碳鋼管壁厚測(cè)量

    針對(duì)在役換熱器使用的時(shí)間較短，生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕減薄甚至爆管，用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)可對(duì)列管壁厚進(jìn)行較準(zhǔn)確的測(cè)量,并依此估算列管的殘余壽命。

1  遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理

    在激勵(lì)線圈附近的檢測(cè)線圈與其直接耦合產(chǎn)生的渦流效應(yīng)稱(chēng)為近場(chǎng)區(qū)耦合，這是常規(guī)渦流檢測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，激勵(lì)線圈除了大部分能量消耗在近場(chǎng)外，還有很小一部分能量（約1%）穿透管壁向外擴(kuò)散并沿管壁軸向傳播，若在遠(yuǎn)處（一般大于2.5倍管徑）放置檢測(cè)線圈，則可接收到微弱的渦流信號(hào)，此時(shí)渦流兩次穿透管壁，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

在近場(chǎng)區(qū)隨著距離的增加磁場(chǎng)急劇衰減，但到了遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)后其衰減程度變得很平緩。一般在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，此時(shí)直接耦合的影響已基本消失，若在此處放置檢測(cè)線圈，則可檢測(cè)到微弱的電磁場(chǎng)信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行幅值和相位的分析,這就是遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)。檢測(cè)到的信號(hào)與傳播路徑上的管壁特征、缺陷、壁厚值、折流板等因素直接相關(guān)。

下圖為渦流信號(hào)的幅值與相位隨著檢測(cè)線圈與激勵(lì)線圈距離而變化的情況。可見(jiàn)在近場(chǎng)區(qū)

和過(guò)渡區(qū)，渦流變化劇烈；到了遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)則變化較為平緩，當(dāng)線圈位置固定后，則信號(hào)只與管材特性有關(guān)。

1.1遠(yuǎn)場(chǎng)渦流的傳播規(guī)律如下：

1）為了得到一定強(qiáng)度的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流，激勵(lì)線圈的激勵(lì)頻率必須比較低，一般從幾十到幾百赫茲。

2）激勵(lì)線圈產(chǎn)生的渦流絕大部分在近場(chǎng)區(qū)消耗，只有很小一部分穿出管壁傳播到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（大約1%的能量），因此遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)十分微弱，必須加大輸出功率并采用高靈敏度的放大器進(jìn)行檢波。

3）遠(yuǎn)場(chǎng)渦流因?yàn)榇┩腹鼙谙蛲鈧鞑ィ静皇艿酱艑?dǎo)率的影響，因而可以對(duì)鐵磁性管壁進(jìn)行檢測(cè)，這一點(diǎn)與常規(guī)渦流檢測(cè)不同。

4）研究表明在檢測(cè)線圈處得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度是隨管壁厚度呈指數(shù)衰減的，而相位是隨管壁厚度呈線性滯后。如下式：

令       于是

    式中B為檢測(cè)線圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度

  θ為檢測(cè)信號(hào)對(duì)比激勵(lì)信號(hào)的相位滯后角

  μ、σ 為管壁材料特性   

  t為管壁厚度

1.2螺旋線曲線

根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理可知，檢測(cè)信號(hào)的幅值與壁厚成指數(shù)關(guān)系，信號(hào)相位的變化與管壁厚度成線性關(guān)系，因此可以將信號(hào)幅值取自然對(duì)數(shù)后即可代表壁厚值，也可將信號(hào)的相位變化量取出，來(lái)確定壁厚值。但實(shí)際上現(xiàn)有的檢測(cè)儀器不具備對(duì)幅值取對(duì)數(shù)或直接讀取相位變化的功能，因此只能近似處理。儀器顯示的是探頭拉動(dòng)時(shí)渦流信號(hào)的實(shí)時(shí)阻抗變化，即壁厚缺損的變化可以由光點(diǎn)的移動(dòng)來(lái)表示，其幅值是隨壁厚減薄成螺旋線變化的，如下圖：

上圖的螺旋線是一條理想曲線，是從管壁無(wú)限厚逐步減薄為零的渦流信號(hào)電壓變化曲線。若能將上述壁厚變化的參考螺旋線做出，當(dāng)實(shí)測(cè)到某一壁厚減薄信號(hào)時(shí)，直接與上面的曲線相對(duì)照，即可得出壁厚值。但這樣做實(shí)際上仍有困難，理想的曲線難以做出。

2  實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

1）渦流檢測(cè)儀：ET-556H 全數(shù)字電腦遠(yuǎn)場(chǎng)多頻渦流檢測(cè)儀

2）對(duì)比樣管：低碳鋼；φ25×2.5；外減薄 ； 壁厚臺(tái)階2.5-2.0-1.5

3）探頭：φ19遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)探頭，內(nèi)插式、環(huán)形、雙激勵(lì)、絕對(duì)式（AB型）線圈

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

頻率=0.3K，增益=約30， 相位=203

2.3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

選擇了對(duì)比樣管進(jìn)行測(cè)試，在壁厚變化只有兩個(gè)減薄臺(tái)階的情況下得到信號(hào)曲線與理想的螺旋線是有差異的，但對(duì)應(yīng)三個(gè)壁厚值的光點(diǎn)位置是準(zhǔn)確的，如下圖。

由于選用的對(duì)比樣管只有兩個(gè)減薄臺(tái)階，3個(gè)壁厚值，而且每個(gè)臺(tái)階壁厚是突變的，因此改變檢測(cè)頻率，通過(guò)在對(duì)比樣管中的反復(fù)測(cè)試，對(duì)渦流信號(hào)選擇恰當(dāng)?shù)南辔恍D(zhuǎn)和增益調(diào)節(jié)，可得到需要的檢測(cè)曲線。

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管壁測(cè)厚時(shí)，其中三個(gè)壁厚點(diǎn)數(shù)值是準(zhǔn)確的，在標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間的壁厚值，誤差值也不會(huì)太大，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試及驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)綜合誤差在0.1mm之內(nèi)，這已足夠滿足檢測(cè)效果要求。

2.4進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)試

加工了一段3.3-0.3的外壁緩慢減薄的對(duì)比樣管，如下圖示:

調(diào)節(jié)頻率、相位、增益，探頭從對(duì)比樣管最大值處緩慢拉出，可以得到下圖曲線，這條曲線和理論分析的理想狀態(tài)下的螺旋線曲線大致相同，驗(yàn)證了理論分析情況。

為了看出各段的線性關(guān)系，分別在對(duì)比樣管和探頭上做上標(biāo)記，然后探頭由對(duì)比樣管的最大值處緩慢拉動(dòng)，在各標(biāo)記處停頓一下，各壁厚值在上面的曲線上都有一個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)；壁厚值較大時(shí)，相鄰兩個(gè)壁厚值間曲線長(zhǎng)度較短，壁厚值越小，相鄰兩個(gè)壁厚值間曲線長(zhǎng)度越長(zhǎng)。驗(yàn)證了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流測(cè)厚檢測(cè)的螺旋線曲線是非線性的。

3  現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)案例

2012年5月對(duì)某廠合成車(chē)間的預(yù)塔再沸器（E2101）檢測(cè)情況如下：

3.1 設(shè)備的基本情況

1) 列管材質(zhì)：低碳鋼

列管規(guī)格：φ25×2×3000

2）管程介質(zhì)：甲醇

       殼程介質(zhì)：水  

    3）設(shè)備使用改造情況

    使用時(shí)間：2008年5月開(kāi)始投產(chǎn)使用。

    設(shè)備在運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)上管板的部分列管角焊縫開(kāi)裂泄露，后在進(jìn)液管處加了一擋板，上管板的列管角焊縫開(kāi)裂減少。又運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)列管泄露，進(jìn)行拔管，結(jié)果在距下管口400mm左右的位置被拉斷，抽出的列管被拉斷的斷面非常薄。

3.2 檢測(cè)儀器設(shè)備

1）渦流檢測(cè)儀：ET-556H全數(shù)字電腦遠(yuǎn)場(chǎng)多頻渦流檢測(cè)儀

2）對(duì)比樣管：低碳鋼；φ25×2.5；外減薄 ； 壁厚臺(tái)階2.5-2.0-1.5

3）探頭：φ19遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)探頭，內(nèi)插式、環(huán)形、雙激勵(lì)、絕對(duì)式（AB型）線圈

3.3 檢測(cè)參數(shù)

頻率=0.3K，增益=約30， 相位=22

3.4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

    1)調(diào)節(jié)頻率、相位、增益，按2.0-1.5標(biāo)定測(cè)量。

檢測(cè)了幾根列管，發(fā)現(xiàn)有的列管壁厚值小于

1.50，甚至超出屏幕，見(jiàn)下圖。

由上面檢測(cè)圖可以看出：從管口開(kāi)始，壁厚急劇減薄，然后回轉(zhuǎn)到A點(diǎn)，然后再向左，實(shí)際上A點(diǎn)應(yīng)該是這根管子的最薄點(diǎn)。

2）調(diào)節(jié)頻率、相位、增益，按2.0-1.5-0標(biāo)定測(cè)量。

在對(duì)對(duì)比樣管標(biāo)定時(shí)，2.0和1.5的管壁厚值是準(zhǔn)確的，在2.0-1.5標(biāo)定范圍內(nèi)檢測(cè)得到的壁厚值有近似的線性關(guān)系，所測(cè)得的壁厚值誤差也較小。小于1.5-0標(biāo)定范圍內(nèi)的數(shù)值沒(méi)有線性關(guān)系，且曲線有回轉(zhuǎn)，所以測(cè)得的壁厚值有一定的誤差，具體誤差無(wú)法準(zhǔn)確給出數(shù)值。

檢測(cè)得到部分壁厚值≤1.50的列管管號(hào)見(jiàn)下表：

壁厚   管排號(hào)

0.40   19-03  21-03  30-02   

0.50   12-02  14-02  15-02   

0.70   05-03  15-07

0.90   22-02

1.00   24-04  29-06

1.10   24-10

1.20   08-02  12-04  13-07  21-02  21-06

1.30   09-03  11-01  17-05  17-08  18-02

       18-04   

1.40   07-01  07-02  10-04  11-02  12-09  

1.50   07-03  21-01   

檢測(cè)得到壁厚值小于1.50的結(jié)果分析：

a.發(fā)現(xiàn)部分列管測(cè)得的壁厚值太小，不知道真實(shí)性（誤差大小）。

b.由于檢測(cè)曲線有回轉(zhuǎn)特性，且小于1.5的壁厚值對(duì)比2.0-1.5不線性。

c.為了減小誤差，得到更精確些的壁厚值，所以采用其它方法進(jìn)行修正測(cè)量。

3）調(diào)節(jié)頻率、相位、增益，以2.0-1.5-0.75

標(biāo)定測(cè)量。

假借臨界點(diǎn)，定義為0.75，讓其在屏幕的最左邊，這樣曲線在這一點(diǎn)上還沒(méi)有回轉(zhuǎn)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)校正后，檢測(cè)時(shí)屏幕上顯示的最小值也是0.75左右。其曲線也有一個(gè)近似的線性關(guān)系，那么就可以按2.0-1.5-0.75標(biāo)定測(cè)量，減小實(shí)測(cè)中的誤差值。

對(duì)上表中的列管進(jìn)行重新檢測(cè)得到壁厚值如下表：

壁厚   管排號(hào)

0.70  15-07

0.75  05-03  12-02  14-02  15-02  19-03

21-03  22-02  30-02

0.80  29-06   

0.85  24-04   

1.00  24-10   

1.05  21-02  21-06   

1.10  17-08

1.15  08-02  17-05  18-02

1.20  12-04  13-07  18-04   

1.30  09-03  11-01  

1.40  07-02  11-02   

1.45  07-01  10-04  12-09

1.50  07-03  21-01

檢測(cè)得到壁厚值小于1.50的結(jié)果分析：

a.在0.75至1.5間的壁厚值，按2.0-1.5-0標(biāo)定測(cè)量得到的數(shù)值比按2.0-1.5-0.75標(biāo)定測(cè)量得到的數(shù)值，有的不變，有的差值在0.05～0.15之間，越接近1.5的誤差值越小，壁厚值越小的誤差值越大。可以判定壁厚值在此之間的列管可根據(jù)生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)使用或選擇性堵管處理。

b.而≤0.75的，由于其壁厚值本身就較小，

考慮到還可能存在偏心腐蝕，就需要進(jìn)行堵管處理。

c.從壁厚分布圖也可以看出在管板上有一定的分布規(guī)律，可以給設(shè)備的修復(fù)處理、繼續(xù)使用及改造提供依據(jù)。

4）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與拔出的列管所測(cè)得的壁厚值基本對(duì)應(yīng)，誤差在0.1mm左右。

局部異常減薄剖開(kāi)、拔管時(shí)被拉斷的照片及檢測(cè)信號(hào)圖如下：

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)難點(diǎn)

    1）由于低碳鋼管所處的工藝狀態(tài)一般較差，管內(nèi)通常會(huì)有結(jié)晶物、污垢等雜物，且難于清洗，只能選用較小的檢測(cè)探頭，造成填充系數(shù)較小，檢測(cè)靈敏度下降。這些雜物還可能含有鐵磁性雜質(zhì)，也對(duì)檢測(cè)信號(hào)造成干擾。

2）國(guó)產(chǎn)低碳鋼管在軋制過(guò)程中，由于工藝控制不是很?chē)?yán)格，造成整根管子也可能存在材質(zhì)、熱處理狀態(tài)不均，造成整根管子壁厚不均，整批管子壁厚分布也不均。

3）由于所測(cè)得的壁厚值為管子最薄截面各方位壁厚的平均值，若存在單邊（偏心）減薄，則最薄處的壁厚值要小于實(shí)測(cè)值。
    4）由于螺旋線曲線是非線性關(guān)系，現(xiàn)有軟件是取其水平投影，按線性方程進(jìn)行讀數(shù)，所以有一定的誤差。根本解決的辦法是在軟件設(shè)計(jì)上改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)幅值取對(duì)數(shù)或直接讀取相位變化的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

1）驗(yàn)證了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)用于低碳鋼的厚度測(cè)量時(shí)，厚度與幅值呈螺旋線關(guān)系，且在水平方向有二次讀數(shù)（回轉(zhuǎn)性）。

2）嚴(yán)重腐蝕減薄時(shí)，在沒(méi)有合適對(duì)比樣管的情況下，利用上述方法減小非線性帶來(lái)的測(cè)量誤差值。

3）檢測(cè)前，要盡量查清楚換熱器的列管規(guī)格、工藝介質(zhì)、腐蝕、管內(nèi)污物等狀況，選擇合適的對(duì)比樣管、檢測(cè)探頭、檢測(cè)參數(shù)。

4）遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)應(yīng)用于在役換熱器低碳鋼管檢測(cè)，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流測(cè)厚（絕對(duì)式，即AB型探頭）對(duì)緩變的壁厚變化（即體積型）較為靈敏，而遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探傷（差動(dòng)式，即DP型探頭）對(duì)緩慢壁厚變化腐蝕類(lèi)型缺陷卻不靈敏。因此對(duì)鐵磁性管管壁腐蝕減薄進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)渦流測(cè)厚更準(zhǔn)確、可靠。

5）為在役換熱器列管的使用提供較為直觀的數(shù)據(jù)，為設(shè)備管理人員判定設(shè)備使用壽命提供參考依據(jù)。

很好!寫(xiě)的很詳細(xì)啊!

阿黃 發(fā)表于 2015-10-29 12:02
很好!寫(xiě)的很詳細(xì)啊!

這是一次從試驗(yàn)到實(shí)際檢測(cè)和分析的全過(guò)程。

謝謝分享，加上圖片就更好了

謝謝，加上圖片就更好了

ff99998888 發(fā)表于 2016-1-6 11:05
謝謝，加上圖片就更好了

我也試圖加上圖片，但圖片加不上。

版主，您論文中提到的“現(xiàn)有檢測(cè)儀器不具備對(duì)幅值取對(duì)數(shù)或直接讀取相位變化的功能”，這個(gè)是現(xiàn)有的商業(yè)檢測(cè)設(shè)備還達(dá)不到這樣的要求么？我看了有關(guān)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的學(xué)術(shù)論文，他們后面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中采用鎖相放大器能檢測(cè)到幅值信號(hào)和相位信號(hào)。

NDTXTU 發(fā)表于 2016-3-10 11:30
版主，您論文中提到的“現(xiàn)有檢測(cè)儀器不具備對(duì)幅值取對(duì)數(shù)或直接讀取相位變化的功能”，這個(gè)是現(xiàn)有的商業(yè)檢測(cè) ...

目前的渦流檢測(cè)儀器，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)都是取幅值信號(hào)處理的。

汪冬兵 發(fā)表于 2016-3-11 08:27
目前的渦流檢測(cè)儀器，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)都是取幅值信號(hào)處理的。

嗯，知道了，謝謝

對(duì)于鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的渦流檢測(cè)，目前一般都采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)方法。對(duì)比樣管最好用設(shè)備中取出的管段。