遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)在垃圾發(fā)電鍋爐水冷壁檢測(cè)中的應(yīng)用分析

王小聰，黎 華，李茂東，陳洪君，倪進(jìn)飛，范賢振

（廣州市特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣州 510100）

生活垃圾焚燒發(fā)電鍋爐由于工作環(huán)境惡劣，水冷壁通常存在著高溫腐蝕，腐蝕涉及氣、液、固多相作用的復(fù)雜過(guò)程，通常認(rèn)為氯、硫和堿金屬與腐蝕發(fā)生關(guān)系密切。水冷壁狀況將影響到鍋爐的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，故對(duì)垃圾發(fā)電鍋爐水冷壁向火側(cè)進(jìn)行合理、全面且高效的檢測(cè)，對(duì)鍋爐安全運(yùn)行起到舉足輕重的作用，對(duì)降低能耗也發(fā)揮了重要作用。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)是基于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)的一種管道檢測(cè)新技術(shù)，是近些年來(lái)發(fā)展的一種無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)［1－2］，可應(yīng)用于電站鍋爐、石油化工、壓力容器、水利工程等行業(yè)［3］。它除了具有一般常規(guī)渦流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外，對(duì)鐵磁性管無(wú)需采用磁飽和等輔助方法，可以直接用探頭檢測(cè)管壁上的裂紋、腐蝕凹坑、磨蝕減薄等缺損。利用手持外置式多通道探頭，配合多通道波形及彩色成像分析軟件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐水冷壁管進(jìn)行掃查，可實(shí)時(shí)顯示管內(nèi)外壁厚減薄腐蝕、點(diǎn)狀腐蝕、裂紋等缺陷的大小、位置、深度等數(shù)據(jù)。一次性檢測(cè)可覆蓋管子受檢面，配備管壁爬行器可進(jìn)行更高效率的檢測(cè)工作。

1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探傷原理

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理圖

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)為低頻渦流檢測(cè)技術(shù)，探頭由一個(gè)激勵(lì)線圈和一個(gè)（或兩個(gè)）檢測(cè)線圈構(gòu)成，激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈的距離為鋼管內(nèi)徑的2～3倍。在激勵(lì)線圈中通以低頻交流電，激勵(lì)線圈發(fā)出磁力線（能量）穿過(guò)管壁向外擴(kuò)散，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)又再次穿過(guò)有表面缺陷的管壁向內(nèi)擴(kuò)散，被檢測(cè)線圈接收。檢測(cè)線圈接收到的信號(hào)幅度和相位與壁厚有關(guān)，利用專(zhuān)用軟件即可測(cè)得管壁的減薄量及厚度。檢測(cè)線圈能檢測(cè)到來(lái)自激勵(lì)線圈的穿過(guò)管壁后返回管內(nèi)的磁場(chǎng)，因而能以相同的靈敏度檢測(cè)管子內(nèi)外壁缺陷及管壁的厚度，不受集膚深度的限制，可有效檢測(cè)碳鋼或其它強(qiáng)鐵磁性管。

2 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的適用性與優(yōu)點(diǎn)

2.1 常見(jiàn)缺陷類(lèi)型

在役生活垃圾發(fā)電鍋爐受熱面主要存在的缺陷包括腐蝕凹坑、磨損減薄、疲勞裂紋等。城市生活垃圾成分復(fù)雜多樣，含水量高，與燃煤鍋爐相比，城市垃圾焚燒爐的工作環(huán)境更為復(fù)雜，高溫?zé)煔庵胁粌H有各種酸性氣體和鹽類(lèi)蒸汽，伴隨著煙氣的還有大量成分復(fù)雜的飛灰顆粒，焚燒過(guò)程中容易在水冷壁上形成積灰，這種條件下的腐蝕涉及氣、液、固多相作用的復(fù)雜過(guò)程，通常認(rèn)為氯、硫和堿金屬與腐蝕發(fā)生關(guān)系密切［4－5］。因此，垃圾焚燒中嚴(yán)重的金屬高溫腐蝕問(wèn)題成為限制垃圾焚燒爐有效運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一［6］。特別是水溶性的堿金屬化合物在高溫區(qū)中會(huì)發(fā)生氣化，氣化的堿金屬化合物與揮發(fā)性氯結(jié)合形成堿金屬氯化物。煙氣中含有足夠的SO3，大部分堿金屬氯化物和三氧化硫發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鹽。硫酸鈉與硫酸鈣或鈉，鈣與硫酸鹽的共晶體是形成粘性灰沉積的基本物，硫酸鈉常構(gòu)成灰沉積物中的液相成分，吸收煙氣中的SO3，并與水冷壁上沉積物如Fe2O3進(jìn)一步反應(yīng)，生成堿金屬?gòu)?fù)合硫酸鹽，如 Na3Fe（SO4）3，其熔點(diǎn)很低，只有600℃左右，而頂棚水冷壁的壁溫可達(dá)650～700℃左右，因此生成的堿金屬?gòu)?fù)合硫酸鹽可處于熔融態(tài)，并作為一種粘性基覆蓋在水冷壁表面上不斷侵蝕管壁。

2.2 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)的適應(yīng)性與優(yōu)點(diǎn)

在役垃圾發(fā)電鍋爐受熱面特別是水冷壁的外表面狀況積灰、結(jié)渣是一種普遍現(xiàn)象。爐膛內(nèi)火焰中心處的溫度高，燃料中的灰分大多呈熔化狀態(tài)，而爐管壁附近的煙溫則較低，一般在接觸受熱面時(shí)已凝固，沉積在壁面上成疏松狀，就形成積灰。如果煙氣中的灰粒在接觸壁面時(shí)仍呈熔化狀態(tài)或粘性狀態(tài)，則粘附在爐管壁上形成緊密的灰渣層，就形成了結(jié)渣。圖2為垃圾焚燒爐（爐排爐）水冷壁積灰的宏觀外貌，其外層積灰燒結(jié)嚴(yán)重，積灰內(nèi)層和中間部位呈多孔結(jié)構(gòu)。這種積灰結(jié)渣的清理和打磨需要消耗大量的預(yù)處理時(shí)間。而遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭與鋼管表面不接觸，探頭外徑與鋼管內(nèi)徑之間的間隙變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響很小，允許的最大間隙為鋼管內(nèi)徑的30%，最佳間隙小于鋼管內(nèi)徑的15%，因此，在水冷壁表面簡(jiǎn)單預(yù)清理的情況下，即可實(shí)現(xiàn)快速方便檢測(cè)。簡(jiǎn)單預(yù)清理為檢測(cè)節(jié)省了大量時(shí)間。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)是非接觸檢測(cè)技術(shù)，不需要耦合劑，且管外壁的氧化皮、鐵銹以及管內(nèi)的水垢對(duì)檢測(cè)結(jié)果沒(méi)影響，可實(shí)現(xiàn)從管外壁快速、簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)地查找管腐蝕減薄等缺陷的位置和大小。

由于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流對(duì)均勻減薄和漸變減薄都有極高的檢測(cè)靈敏度，這為在役垃圾發(fā)電鍋爐的水冷壁檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性提供了保障。

另外，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于垃圾發(fā)電鍋爐水冷壁檢測(cè)時(shí)還有如下優(yōu)點(diǎn)：探頭的檢測(cè)速度是否均勻?qū)z測(cè)結(jié)果無(wú)影響。檢測(cè)設(shè)備體積小、重量輕、便于在垃圾焚燒鍋爐水冷壁惡劣的檢測(cè)環(huán)境中靈活應(yīng)用。檢測(cè)數(shù)據(jù)可存入探頭內(nèi)，可實(shí)施多組數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)。表1為超聲波測(cè)厚與遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)兩種檢測(cè)方法的比較。

3 檢測(cè)步驟

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)的選擇

以Ferroscope?308遠(yuǎn)場(chǎng)渦流管線內(nèi)外壁檢測(cè)系統(tǒng)為例介紹。Ferroscope?308遠(yuǎn)場(chǎng)渦流管線內(nèi)外壁檢測(cè)系統(tǒng)符合美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)ASTM E 2096—2000標(biāo)準(zhǔn)要求，加拿大Russell NDE公司出品。該設(shè)備采用電腦數(shù)字化技術(shù)和遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)水冷壁管、熱交換器管、各種在役及地埋管線內(nèi)外壁及罐底板等的各類(lèi)腐蝕、壁厚減薄、橫向裂紋等缺陷有極高檢測(cè)能力。廣泛應(yīng)用于電站鍋爐、石油化工、壓力容器、水利工程等行業(yè)。配備各類(lèi)高靈敏度、高分辨率的內(nèi)置式探頭及外爬式探頭，并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求定制變徑探頭、柔性探頭、自動(dòng)爬行器等，檢測(cè)速度達(dá)10m／min。該系統(tǒng)應(yīng)用雙頻、混頻等技術(shù)有效抑制各種干擾信號(hào)。擁有波形、相位、幅度、磁強(qiáng)、X軸和Y軸信號(hào)圖譜、立體管狀圖等多種顯示模式，實(shí)時(shí)讀取壁厚減薄、缺陷周向及長(zhǎng)度位置等檢測(cè)信息，并直接寫(xiě)入Office報(bào)告。該設(shè)備可檢內(nèi)徑6.35mm小管，檢測(cè)厚度可達(dá)12.70 mm（碳鋼）、19.05mm（鑄鋼）。操作頻率范圍10 Hz～20kHz，復(fù)合頻率，采樣率可達(dá)每秒1000樣點(diǎn)，檢測(cè)通道數(shù)可選，具有現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)、檢測(cè)靈敏度高、效率快等特點(diǎn)。

表1 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)與超聲波測(cè)厚方法的比較

3.2 探頭選取

在役垃圾發(fā)電鍋爐受熱面的灰渣經(jīng)清理后，可選用手動(dòng)爬式探頭或自動(dòng)爬行器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)面情況和工作量選定。絕對(duì)檢測(cè)線圈主要用于大范圍漸變?nèi)毕荩ㄈ鐩_刷、減薄等）的檢測(cè)，差動(dòng)線圈對(duì)管道長(zhǎng)度方向上的突變性缺陷（如腐蝕坑、裂紋等）具有較高檢測(cè)靈敏度。型號(hào)為F308－12Ch－0038的探頭由4個(gè)絕對(duì)和8個(gè)差動(dòng)線圈組成。探頭的直徑由所檢測(cè)的水冷壁管的外徑而定。

3.3 對(duì)比試樣管制備

對(duì)于在役垃圾發(fā)電鍋爐水冷壁管，最好是截取原無(wú)缺陷的水冷壁管段制作標(biāo)樣管，以避免造成試樣和水冷壁管在電磁特性等方面的差異，用于對(duì)真實(shí)缺陷進(jìn)行定量和定性分析。對(duì)比標(biāo)樣管必須采用與被測(cè)管具有同樣尺寸、規(guī)格、材質(zhì)及熱處理狀態(tài)的材料。對(duì)比試樣管上可制作不同直徑不同深度的通孔、圓底孔和平底，以模擬點(diǎn)腐蝕。其中，圓周窄凹槽用以模擬周向條狀缺陷，圓周寬凹槽用以模擬管壁減薄，單邊缺陷用以模擬蒸汽沖蝕等導(dǎo)致的缺陷。人工缺陷的深度按標(biāo)定管壁厚的百分比來(lái)表示。按JB／T 4730，標(biāo)樣管的人工缺陷尺寸包括加工深度為50%的圓底孔，直徑為壁厚1.25倍的通孔，槽深為20%壁厚的周向窄凹槽，槽深為20%壁厚的周向?qū)挵疾邸?/p>

3.4 儀器調(diào)節(jié)

選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率和驅(qū)動(dòng)電壓，獲得合適的激發(fā)電流，使電磁場(chǎng)能較好地穿透試樣管的管壁。通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)對(duì)比試樣管人工缺陷，確認(rèn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)是否達(dá)到所要求的靈敏度。再對(duì)試樣管上已知尺寸人工缺陷的信號(hào)顯示進(jìn)行校準(zhǔn)，以便在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行定量。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

某生活垃圾爐排焚燒爐為單鍋筒橫置式自然循環(huán)水管鍋爐，其水冷壁管子規(guī)格為φ60mm×5mm，材質(zhì)為20G。對(duì)水冷壁外表面進(jìn)行預(yù)處理后，采用Ferroscope?308遠(yuǎn)場(chǎng)渦流管線內(nèi)外壁檢測(cè)系統(tǒng)，選取外置式手動(dòng)爬式12通道探頭（4個(gè)絕對(duì)式檢測(cè)線圈和8個(gè)差動(dòng)式檢測(cè)線圈）進(jìn)行檢測(cè)，探頭速度為15～20m／min。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了水冷壁存在多處腐蝕減薄缺陷，圖3所示為其中一根管子存在的多處蝕坑缺陷成像圖，與實(shí)際缺陷吻合得較好。

圖3 水冷壁管缺陷檢測(cè)成像圖

4 結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于在役生活垃圾發(fā)電鍋爐水冷壁腐蝕凹坑、磨損減薄、疲勞裂紋等缺陷的檢測(cè)，具有減少漏檢可能性、使用方便、提高工作效率等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)手段。隨著探頭的不斷改進(jìn)和使用經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，該技術(shù)在垃圾發(fā)電鍋爐水冷壁中的檢測(cè)應(yīng)用將日益得到推廣與普及，對(duì)保證垃圾發(fā)電鍋爐的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

［1］GB／T 7734—2004 鋼管渦流探傷檢驗(yàn)方法［S］.

［2］ASTM E 2096—2000 在役鐵磁性鋼管遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［3］嚴(yán)舒.遠(yuǎn)場(chǎng)渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.石油科技論壇，2008（3）：55－56.

［4］岑可法，攀建人，池作和，等.鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理與計(jì)算［M］.北京：科學(xué)出版社，1994.

［5］Bryer R W.Fireside slagging，fouling and high－temperature corrosion of heat－transfer surface due to impurities in steam－raising fuels［J］.Progress in Energy and Combustion Science，1996，22（1）：29－120.

［6］呂玉坤，彭鑫.垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)主要問(wèn)題及其對(duì)策［J］.發(fā)電設(shè)備，2010，24（2）：138－141.