基于金屬磁記憶的熱采濕蒸汽發(fā)生器爐管缺陷早期檢測

顏廷俊，張杰東，馮國棟，陳建飛

（1北京化工大學(xué)，北京100029；2中國石化 勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營257062）

基于金屬磁記憶的熱采濕蒸汽發(fā)生器爐管缺陷早期檢測

顏廷俊1，張杰東1，馮國棟2，陳建飛2

（1北京化工大學(xué)，北京100029；2中國石化 勝利油田技術(shù)檢測中心，山東 東營257062）

對濕蒸汽發(fā)生器20G爐管進(jìn)行了拉伸靜載荷實驗、疲勞實驗及磁記憶信號采集，通過對采集到的磁記憶信號進(jìn)行分析，得到了20G爐管在不同加載階段和不同疲勞周期的磁記憶信號變化規(guī)律以及金屬磁記憶技術(shù)定量評估早期缺陷的方法，并應(yīng)用于油田現(xiàn)場爐管檢測。結(jié)果表明：金屬磁記憶法可以準(zhǔn)確表征被測工件的應(yīng)力集中區(qū)；當(dāng)20G爐管磁場梯度值K大于12A·（m·mm）－1時，該區(qū)域存在嚴(yán)重?fù)p傷。

金屬磁記憶；濕蒸汽發(fā)生器；應(yīng)力集中

濕蒸汽發(fā)生器是目前世界各國油田用于注蒸汽熱力采油的主要設(shè)備，在我國使用較多的是遼河、勝利等油田。其作用是將高壓泵注入的水加熱后，變成高溫、高壓飽和蒸汽，并通過專用管道送入地下油藏，從而達(dá)到降低油藏稠油黏度、順利采油的目的。濕蒸汽發(fā)生器中的爐管是進(jìn)行熱交換的重要部件之一，它包括對流段的爐管和輻射段的爐管，它們均為單路直管，呈水平往復(fù)排列［1］。輻射段的爐管由于受高溫（溫度達(dá)350℃）、高壓（壓力達(dá)18MPa）且存在由于往復(fù)泵輸液造成的壓力波動作用，極易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成爐管爆管失效，最終導(dǎo)致安全事故并影響生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計每年因濕蒸汽發(fā)生器爐管爆管等失效造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上千萬元［2－4］。

目前對濕蒸汽發(fā)生器爐管失效采用的檢測手段有超聲波探傷、超聲測厚探傷、磁粉檢測等常規(guī)方法［5］。這些檢測方法都是在爐管存在已知缺陷時方能檢測出來，對于正在發(fā)展著的缺陷以及早期應(yīng)力集中的診斷缺乏有效的檢測手段。

應(yīng)力集中磁檢測儀為無損檢測早期診斷提供了一種嶄新的探傷手段，它是基于鐵磁材料的磁機(jī)械效應(yīng)和磁彈性效應(yīng)原理，檢測應(yīng)力集中區(qū)或早期缺陷處形成的漏磁信號。這種方法具有不需對檢測工件預(yù)處理、操作簡便、速度快等優(yōu)點［6］，可對濕蒸汽發(fā)生器爐管進(jìn)行缺陷的早期預(yù)測，達(dá)到預(yù)防事故、安全生產(chǎn)的目的。

1 金屬磁記憶技術(shù)

金屬磁記憶技術(shù)是俄羅斯學(xué)者杜波夫在1997年提出的，其原理是鐵磁工件在工作載荷和地球磁場的共同作用下，在應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，其表現(xiàn)為工件表面漏磁場Hp水平分量Hp（x）出現(xiàn)最大值，而垂直分量Hp（y）出現(xiàn)過零點［7］。因此，通過測定爐管Hp（y）量的變化強(qiáng)度就可以準(zhǔn)確推斷工件的應(yīng)力集中程度及區(qū)域，從而進(jìn)行爐管缺陷的早期預(yù)測。

濕蒸汽發(fā)生器爐管爆管等失效形式大多數(shù)是由于泵壓的波動造成爐管薄弱處的應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致疲勞失效。磁記憶檢測技術(shù)定量評估爐管的應(yīng)力集中水平需要首先確定應(yīng)力集中區(qū)漏磁場Hp（y）的梯度值K（單位長度的漏磁場變化量，即K＝ΔHp（y）／ΔL），磁場梯度值正比于位錯聚集密度以及相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力［8－10］。本工作通過拉伸實驗和疲勞實驗獲得爐管20G材料應(yīng)力集中區(qū)的上述磁記憶特征信號，找出代表破損前強(qiáng)化階段金屬變形能力的漏磁場梯度值K，對濕蒸汽發(fā)生器的爐管早期檢測提供參考。

2 拉伸實驗

2.1 實驗材料與實驗裝置

實驗選用與濕蒸汽發(fā)生器爐管相同的20G管材和熱處理方式。試件數(shù)量為4根，其屈服強(qiáng)度為320MPa，強(qiáng)度極限為470MPa，管材長度為400mm，外徑為φ16mm，厚度為3mm。實驗采用高頻實驗機(jī)加載；俄羅斯TSC－1M－4型四通道磁應(yīng)力集中儀檢測磁記憶特征參數(shù)。

2.2 實驗步驟及工況

實驗步驟采用試樣加載后卸載、離線，按統(tǒng)一的水平方向放置在檢測平臺上，檢測探頭沿著試件從一端到另一端勻速檢測，并記錄特征參數(shù)，檢測有效長度200mm。實驗載荷分別為3，7，11，15，19，23，25kN。

2.3 拉伸實驗磁記憶信號特性分析

實驗發(fā)現(xiàn)，在上述不同載荷作用下，4根試件的磁記憶信號變化規(guī)律基本一致。下面列出了試件1在不同載荷作用下的磁記憶特征信號變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 試件1在不同載荷作用下的磁記憶特征信號對比Fig.1 The variation of MMM signals with different loads for sample No 1

從圖1可看出，曲線基本呈線性，隨著載荷的增大，曲線的斜率增大，曲線過零點的位置在70mm左右，說明應(yīng)力集中發(fā)生在檢測開始端70mm處。當(dāng)載荷增大到23kN（屈服點）時，曲線過零點開始左移，位置大約在40mm處，直到載荷在26kN（強(qiáng)度極限），試件斷裂，形成了正負(fù)磁極。結(jié)果表明屈服階段以后應(yīng)力集中處才與最后的斷裂位置吻合。

圖2為4根20G試件應(yīng)力集中處漏磁場梯度值隨載荷變化的變化規(guī)律。從圖2可以看出，在載荷為3～19kN的彈性階段，隨著載荷的增大，磁場梯度值基本無變化，磁場梯度值K大約為2A·（m·mm）－1左右；當(dāng)載荷達(dá)到23kN時，漏磁場梯度值Ks為4.7 A·（m·mm）－1，達(dá)到26kN時，梯度值Kb達(dá)到最大值為10A·（m·mm）－1，強(qiáng)度極限梯度值Kb與屈服極限梯度值Ks的比值m≈2。

圖2 20G試件應(yīng)力集中處漏磁場梯度值隨載荷變化的變化規(guī)律Fig.2 The variation of magnetic gradientKof SCZ with different loads

3 疲勞實驗

3.1 實驗材料與實驗工況

實驗材料、步驟、檢測方式與拉伸實驗一致，只是拉伸改為疲勞實驗。為縮短實驗周期，加速試件破壞，在試件中心處加工一個帶應(yīng)力集中的缺口，加工處理完畢后經(jīng)過應(yīng)力集中檢測儀檢測后初始信號良好。疲勞實驗采用應(yīng)力控制（最大疲勞應(yīng)力分別為22，20，18kN）、正弦波形、應(yīng)力比為0，加載頻率f為10Hz。每經(jīng)過1000次疲勞循環(huán)后采用TSC－1M－4應(yīng)力集中磁檢測儀掃描試件，提取磁記憶信號。

3.2 疲勞實驗磁記憶檢測特性分析

圖3為最大疲勞應(yīng)力分別為22，20，18kN帶缺口爐管磁記憶信號圖，圖4為無缺口完整爐管在最大疲勞應(yīng)力為20kN的磁記憶信號圖?？梢钥闯?，隨著疲勞次數(shù)的增加，應(yīng)力集中處磁場梯度值K緩慢增加。當(dāng)試件瀕臨破壞時，應(yīng)力集中處磁場梯度值K出現(xiàn)了激增，再經(jīng)過3000次左右的疲勞循環(huán)，試件斷裂，在斷裂處形成了正負(fù)磁極。通過對圖3（b）和圖4的對比發(fā)現(xiàn)，完整爐管和有缺口的爐管疲勞實驗磁記憶信號基本一致，這表明工件缺口不會影響疲勞實驗K值的變化規(guī)律。從圖3可以看出，疲勞應(yīng)力越小，到達(dá)疲勞破壞的次數(shù)越多，應(yīng)力集中處K值越大。

圖3 最大疲勞應(yīng)力為22kN（a），20kN（b），18kN（c）試件磁記憶信號對比Fig.3 The variation of MMM signals under maximum fatigue stress 22kN （a），20kN （b），18kN（c）

圖4 最大疲勞應(yīng)力20kN時完整爐管磁記憶信號變化規(guī)律Fig.4 The variation of MMM signals of integral sample under maximum fatigue stress 20kN

通過上述疲勞實驗得出，試件應(yīng)力集中處瀕臨破壞磁場梯度值Ks和破壞時磁場梯度值Kb如表1所示。破壞時磁場梯度值與瀕臨破壞磁場梯度值的平均比值m＝Kb／Ks＝24.0／12.0≈2.0。由于4次疲勞實驗瀕臨破壞與破壞時之間的疲勞循環(huán)次數(shù)不同，因此選取的瀕臨破壞的Ks存在一定的誤差，為了消除該影響，取Ks的平均值為12A·（m·mm）－1。

表1 試件應(yīng)力集中處瀕臨破壞和破壞時磁場梯度值Table 1 Magnetic gradientKof SCZ in the process of fatigue test

通過實驗總結(jié)，得出拉伸實驗和疲勞實驗漏磁場梯度值K規(guī)律對照表，如表2所示。由于疲勞實驗磁彈性累積效應(yīng)更好，所以K值比拉伸實驗大，但m值卻大致相等，都為2.0。鍋爐管件工作在周期性的載荷下，疲勞實驗的結(jié)果更能與現(xiàn)場工況貼近［11］，因此選取20G爐管瀕臨破壞臨界點的K值為12A·m－1·mm－1。

表2 拉伸實驗和疲勞實驗漏磁場梯度值K規(guī)律對照Table 2 The value ofKof tensile testing and fatigue testing

4 現(xiàn)場實驗

利用上述實驗取得的可早期診斷濕蒸汽發(fā)生器爐管20G失效判斷依據(jù)的磁記憶信號梯度值K，對某油田現(xiàn)場的濕蒸汽發(fā)生器爐管進(jìn)行了測試。圖5是某油田濕蒸汽發(fā)生器某段爐管的磁記憶信號圖，由圖5可知，該段爐管存在3處梯度值大于或等于12A·（m·mm）－1的位置，分別在100，600，2000mm 處，其梯度值分別為12，12，15A·（m·mm）－1，超過選取的20G爐管瀕臨破壞臨界點的K值。對上述3處使用超聲波測厚儀進(jìn)行壁厚測量和超聲波探傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲波探傷的信號無明顯變化，測量的壁厚值小于標(biāo)準(zhǔn)值。對該段切下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)爐管內(nèi)部有大量的腐蝕坑，如圖6所示。說明該段爐管應(yīng)力集中程度較大，處于瀕臨破壞的狀態(tài)。隨機(jī)截取K值小于12A·（m·mm）－1的20G爐管段，都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的損傷。

因此，通過上述實驗和研究，利用金屬磁記憶技術(shù)對濕蒸汽發(fā)生器爐管缺陷的早期診斷是可行和有意義的。

5 結(jié)論

（1）對于靜載拉伸實驗，在彈性階段磁記憶信號沒有明顯變化，達(dá)到屈服極限后，漏磁場梯度值K約為5A·（m·mm）－1，到達(dá)強(qiáng)度極限時，K值激增至10A·（m·mm）－1。

（2）疲勞初始階段，磁記憶信號無明顯變化；快到達(dá)疲勞破壞時，爐管試件的漏磁場梯度值K為12A·（m·mm）－1左右，試件斷裂后形成正負(fù)磁極。此結(jié)果表明了磁記憶信號可以對材料的應(yīng)力集中和早期的失效進(jìn)行診斷。

（3）由于拉伸實驗磁彈性累積效果沒有疲勞實驗好，所以得出的K值比疲勞實驗小，但m值卻大致相等。通過實驗室實驗和現(xiàn)場測試比較，濕蒸汽發(fā)生器20G爐管漏磁場梯度值K大于12A·（m·mm）－1的位置處于瀕臨破壞的狀態(tài)；當(dāng)K值大于7A·（m·mm）－1小于12A·（m·mm）－1時，爐管應(yīng)力集中比較明顯，需要重點檢測該區(qū)域。

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Early Fault Inspection of Wet Stream Generator Tubes Based on Metal Magnetic Memory

YAN Ting－jun1，ZHANG Jie－dong1，F(xiàn)ENG Guo－dong2，CHEN Jian－fei2
（1Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2Shengli Oilfield Testing Center of Sinopec，Dongying 257062，Shandong，China）

Tensile test and fatigue test on wet steam generator 20Gtubes were carried out and the metal magnetic memory（MMM）signals were detected.Though the analysis of MMM signals from different loading stages and different fatigue cycles，the variation characteristic of the MMM signals was obtained and a novel quantitative evaluation method of the early failure by MMM technology was proposed and applied in oilfield on－site test finally.The test results show that MMM method can effectively locate the stress concentration zone（SCZ）.The magnetic gradient indicates the damage severity of the investigated zone of the tube.If the magnetic gradient is above 12A·（m·mm）－1，the zone interested is damaged seriously.

metal magnetic memory；wet steam generator；stress concentration

TE9

A

1001－4381（2011）09－0068－04

2011－03－09；

2011－07－18

顏廷?。?961—），男，博士，副教授，主要從事石油及石化設(shè)備的檢測方面的教學(xué)和科研工作，聯(lián)系地址：北京北三環(huán)東路15號北京化工大學(xué)機(jī)電學(xué)院36號信箱（100029），E－mail：yantj555＠163.com