換熱器管束的無損檢測(cè)

黃震 陳華林

摘 要： 換熱器是用于熱量交換的壓力容器之一，在石油化工、化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。本文綜述了管殼式換熱器管的幾種無損檢測(cè)技術(shù)，包括渦流檢測(cè)技術(shù)、內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)技術(shù)、聲脈沖反射技術(shù)，分別介紹了這些無損檢測(cè)方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：換熱器 渦流檢測(cè) 內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè) 聲脈沖反射技術(shù)

中圖分類號(hào)：TK172 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2016）05-0316-01

換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器在石油化工、化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用非常廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備數(shù)量的40%左右，占總投資的30%-45%[1]。

目前，在換熱器設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器，約占換熱器設(shè)備量的70%[2]，由于換熱器設(shè)備工作環(huán)境復(fù)雜，腐蝕介質(zhì)種類不斷增加，致使換熱器設(shè)備壽命往往只有幾個(gè)月或一兩年，造成了設(shè)備的破壞事故。同時(shí)，導(dǎo)致?lián)Q熱器失效的原因又是多樣復(fù)雜的。據(jù)國(guó)內(nèi)外化工設(shè)備損壞情況介紹，換熱器管束失效主要表現(xiàn)在縫隙腐蝕、沖蝕、垢下腐蝕等[3-5]。

管殼式換熱器是一種結(jié)構(gòu)特殊的壓力容器，為保證其在使用過程中的安全性和可靠性，必須對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)。以下綜述幾種常用換熱器管無損檢測(cè)（NDT）技術(shù)。

一、渦流檢測(cè)技術(shù)（ET）

渦流檢測(cè)的基本原理為：當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近導(dǎo)電試件（相當(dāng)于次級(jí)線圈）時(shí)，由于線圈磁場(chǎng)的作用，試件中將會(huì)感生出渦流，與渦流伴生的感應(yīng)磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)疊加，使得檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生變化。導(dǎo)電體內(nèi)感生渦流的幅值大小、相位、流動(dòng)形式及伴生磁場(chǎng)受到導(dǎo)電體的物理及制造工藝性能的影響。因此，通過測(cè)定檢測(cè)線圈阻抗的變化，就可以非破壞性地判斷出被測(cè)試件的物理或工藝性能及有無缺陷等，此即為渦流檢測(cè)的基本原理。渦流檢測(cè)主要是檢查管壁內(nèi)外表面的蝕坑、裂紋及冶金缺陷等[7]。

渦流檢測(cè)適用于各種導(dǎo)電材料制成的管件的表面檢測(cè)，不論管件是鐵磁性的，還是非鐵磁性的，也不論是金屬或者是非金屬，只要材料是導(dǎo)電的，且外徑和壁厚滿足一定條件均可用渦流法檢測(cè)。渦流檢測(cè)時(shí)，線圈不需要接觸工件，也無需耦合介質(zhì)，所以檢測(cè)速度快；對(duì)工件表面或近表面的缺陷，有很高的檢出靈敏度，且在一定的范圍內(nèi)具有良好的線性指示；可用在高溫狀態(tài)、工件的狹窄區(qū)域、深孔壁（包括管壁）進(jìn)行檢測(cè)；能測(cè)量金屬覆蓋層或非金屬涂層的厚度。

換熱器管束主要為具有鐵磁性的鋼管和不具有鐵磁性的不銹鋼管、銅及銅合金管、鈦及鈦合金管、鋁及鋁合金管等。正式檢測(cè)前必須利用標(biāo)準(zhǔn)樣管對(duì)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(cè)頻率預(yù)選，再對(duì)標(biāo)樣管進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步修正參數(shù)，最后找出頻率、相位及增益等參數(shù)的最佳值。對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷信號(hào)進(jìn)行評(píng)定是檢測(cè)中最關(guān)鍵的技術(shù)，由于現(xiàn)場(chǎng)的情況十分復(fù)雜，檢測(cè)信號(hào)受管子材質(zhì)差異、缺陷形狀、尺寸和位置等因素影響較大，尤其對(duì)多信號(hào)疊加形成的復(fù)合信號(hào)更加難于分辨，因此，渦流檢測(cè)技術(shù)較依賴于檢測(cè)人員，由于檢測(cè)人員的專業(yè)素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)不同，缺陷識(shí)別率也不相同。

二、內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)系統(tǒng)（IRIS）

內(nèi)旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)系統(tǒng)（IRIS）是一種以超聲測(cè)厚技術(shù)為基礎(chǔ)從管子內(nèi)部進(jìn)行脈沖回波式超聲水浸檢測(cè)的技術(shù)。其主要用途是對(duì)在役的換熱器管束進(jìn)行壁厚測(cè)量，超聲波探頭通過對(duì)中裝置在充滿水的管子內(nèi)部以螺旋的方式檢測(cè)，通過計(jì)算機(jī)軟件的相關(guān)處理，能實(shí)時(shí)顯示管子管壁的橫截面圖（B掃描） 、管壁展開圖（C掃描），以及管子縱向截面圖（D掃描），通過分析便可以檢測(cè)到一些壁厚減薄類的缺陷，包括表面的腐蝕、介質(zhì)沖刷造成的沖蝕、管子振動(dòng)造成的表面損傷等。

IRIS用于換熱器管子的檢測(cè)時(shí)，可以檢測(cè)鐵磁性、非鐵磁性、非金屬材料制成的管件，不受材料電導(dǎo)率或磁導(dǎo)率的影響，能精確測(cè)量管子的內(nèi)徑及壁厚，能提供管子腐蝕和裂紋的準(zhǔn)確位置。在IRIS檢測(cè)前，需要采用相同規(guī)格和材質(zhì)的樣管來加工一些人工缺陷，通過軟件的調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，以滿足對(duì)檢測(cè)靈敏度的要求。

IRIS檢測(cè)精度高，但對(duì)管道清潔度要求也高，要求管束內(nèi)表面干凈幾乎是裸露金屬，而且需要對(duì)管子充滿水進(jìn)行耦合，檢測(cè)速度比較慢，操作相對(duì)復(fù)雜。受內(nèi)表面清潔度影響，檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)有丟失現(xiàn)象，一般對(duì)外壁腐蝕檢測(cè)效果好于內(nèi)壁腐蝕，此檢測(cè)方法存在一定的盲區(qū)。另外，在一些特殊形狀的管子檢測(cè)方面，如彎曲、螺旋或翅片狀，此方法適用性也很低[8]。

三、聲脈沖反射技術(shù)（APR）

聲脈沖反射技術(shù)（APR）基本原理：當(dāng)聲脈沖射入管內(nèi)的空氣中，會(huì)沿管內(nèi)部傳播，一旦遇到橫截面變化，脈沖將會(huì)分為兩束，一束回波，沿管道返回，一束繼續(xù)沿管傳播，反射回波可以被接收器接收并進(jìn)行測(cè)量。反射波的振幅與類型由反射處的特性決定：橫截面收縮產(chǎn)生正弦反射，橫截面擴(kuò)展產(chǎn)生負(fù)弦反射。不同缺陷產(chǎn)生不同特征的信號(hào)，通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析可以判斷缺陷的類型。

APR作為一種新的針對(duì)換熱器管束的無損檢測(cè)技術(shù)，可以檢測(cè)管子堵塞、穿孔和內(nèi)壁壁損，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以較快的速度和較高的效率實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)。由于聲脈沖是在管內(nèi)空氣中傳播，不受管子材質(zhì)的影響，所以，理論上APR技術(shù)適用于所有材質(zhì)的管子，對(duì)U形管和其他形狀管（蛇形管、螺旋管）均能檢測(cè)。APR是否能正確識(shí)別判斷反射信號(hào)特性，受背景噪音大小，反射點(diǎn)與管口的距離，信號(hào)處理方法，參考管的選擇等因素影響。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校驗(yàn)檢測(cè)是非常重要的，對(duì)無缺陷管的檢測(cè)是作校驗(yàn)參考用的，檢測(cè)得到的信號(hào)會(huì)與校驗(yàn)參考管的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比扣除背景噪音，降低干擾，提高缺陷的識(shí)別率。然而，實(shí)際檢驗(yàn)中，換熱器管束可長(zhǎng)達(dá)幾十米，材質(zhì)也各異，隨時(shí)隨地?cái)y帶一根校驗(yàn)管不太現(xiàn)實(shí)。目前，解決這問題的辦法是從大量的管束檢測(cè)值中選用一個(gè)檢驗(yàn)結(jié)果最好的管子的數(shù)據(jù)作為校驗(yàn)值；或利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，結(jié)合大量的管子檢測(cè)值進(jìn)行平均，創(chuàng)建一個(gè)校驗(yàn)值。

造成換熱管失效的缺陷最主要的是各種腐蝕，而常用的渦流檢測(cè)對(duì)一些裂紋、單個(gè)的點(diǎn)狀缺陷檢測(cè)效果較好，對(duì)許多腐蝕類缺陷檢測(cè)效果和檢測(cè)精度相對(duì)較差，在這方面，IRIS檢測(cè)則能顯示其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，其圖像顯示和基于超聲測(cè)厚技術(shù)的絕對(duì)精度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于渦流檢測(cè)。APR作為一種新型的針對(duì)換熱器管束的無損檢測(cè)技術(shù)，能以較快的速度和較高的效率實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)，對(duì)換熱器快速全面掃查是很方便的。

參考文獻(xiàn)

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