電站鍋爐受熱面管內(nèi)壁腐蝕缺陷檢測技術(shù)研究

朱國斌，賈少威，王警衛(wèi)，江野，劉文生，王東

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司，鄭州 450000)

0 引言

電站鍋爐本體中的省煤器管、水冷壁管、過熱器管、再熱器管簡稱受熱面四管，是電站鍋爐的重要組成部件，主要承擔(dān)著加熱給水，蒸發(fā)給水和加熱蒸汽的重要任務(wù)。發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行過程中，受熱面四管一旦出現(xiàn)泄漏，將導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃性停機(jī)搶修，給發(fā)電企業(yè)帶來重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。

鍋爐受熱面鋼管內(nèi)壁腐蝕缺陷是引起泄漏的主要原因之一，據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，鋼管內(nèi)壁腐蝕缺陷[2]主要有點(diǎn)狀氫腐蝕、垢下腐蝕及停爐處理不當(dāng)產(chǎn)生的腐蝕。

現(xiàn)階段，檢測受熱面鋼管缺陷的方法主要有超聲波測厚、超聲波探傷、磁飽和渦流法、漏磁渦流法和遠(yuǎn)場渦流法等。超聲波測厚和超聲波探傷法對鋼管表面光潔度有較高的要求，檢測前需對鋼管表面進(jìn)行打磨，檢測效率較低；磁飽和渦流法對受熱面鋼管采取穿過式方法進(jìn)行檢測，但不適宜檢測在役鍋爐受熱面管；漏磁渦流法存在剩磁問題，對恢復(fù)運(yùn)行后的系統(tǒng)安全性能會(huì)造成不良影響，并且操作使用過程需要施加強(qiáng)磁場，不適于高空作業(yè)和大面積掃查檢測；遠(yuǎn)場渦流法的探頭體積龐大，較笨重，工作效率低且強(qiáng)度大，也不適于高空作業(yè)和大面積掃查檢測[3]。

本文以火電廠在役鍋爐受熱面管為研究對象，針對目前受熱面管檢測方法中存在的缺陷漏檢率較高、工作效率低的問題，研制了鍋爐受熱面管檢測專用陣列低頻渦流探頭，以實(shí)現(xiàn)火電廠在役鍋爐受熱面管的無損檢測。

1 陣列低頻渦流檢測技術(shù)

1.1 陣列低頻渦流檢測技術(shù)原理

陣列低頻渦流檢測技術(shù)采用了電磁和電渦流復(fù)合的雙機(jī)理系統(tǒng)，檢測缺陷對磁通和渦流場的擾動(dòng)會(huì)使空間散射的漏磁通出現(xiàn)非對稱分布，激勵(lì)線圈和檢測線圈之間不再是簡單的相互垂直的電磁場傳遞方式。該技術(shù)采用平均分布于鍋爐受熱面管上的陣列式接收傳感器線圈進(jìn)行檢測，激勵(lì)線圈在極低的頻率(≤10 Hz)下激發(fā)產(chǎn)生交變電磁場并穿透被測材料，從其一側(cè)傳導(dǎo)到另一側(cè)。在沒有壁厚減薄和缺陷的地方，電磁場的信號(hào)強(qiáng)度變化平滑，當(dāng)探頭移動(dòng)到有壁厚減薄和缺陷的地方時(shí)，可以檢測到一個(gè)更強(qiáng)的電磁場信號(hào)，信號(hào)放大后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入控制器，并在顯示器上顯示，即可獲得反映管道缺陷的圖形。

1.2 陣列低頻渦流檢測探頭

經(jīng)過研究，中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中分公司設(shè)計(jì)了一種馬鞍形多重高磁導(dǎo)率鐵淦氧磁芯屏蔽低頻陣列掃查探頭。探頭設(shè)計(jì)中，采用靜磁屏蔽技術(shù)消除空間散射漏磁通的干擾，即利用磁路分流原理對低頻電磁場進(jìn)行屏蔽。

用磁路的概念可以解釋靜磁屏蔽的原理。將鐵磁材料放在圖1所示的回路中，在外磁場中，絕大部分磁場集中在鐵磁回路中，可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為并聯(lián)磁路來分析。因?yàn)殍F磁材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率要大幾千倍，所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多，外磁場磁感應(yīng)線的絕大部分將沿著鐵磁材料壁內(nèi)通過，即均勻磁聚焦，而進(jìn)入空腔的磁通量極少。被鐵磁材料屏蔽的空腔基本沒有外磁場，從而達(dá)到靜磁屏蔽的目的。

圖1 磁屏蔽原理

圖2 陣列低頻渦流探頭示意

馬鞍形掃查探頭殼體為中空結(jié)構(gòu)，殼體的底板截面呈上凸的弧形，底板的兩側(cè)設(shè)置有導(dǎo)向膠輪。殼體內(nèi)，在底板上沿同一徑向截面周向均布8個(gè)檢測線圈，檢測線圈的外部套裝有用于消除空間散射漏磁通的磁罐，磁罐外側(cè)的殼體內(nèi)設(shè)置有勵(lì)磁線圈，勵(lì)磁線圈與檢測線圈之間設(shè)置有用于聚焦磁路的屏蔽線圈。殼體內(nèi)設(shè)置有放大器，殼體外部設(shè)置有探頭插座，每個(gè)檢測線圈輸出端分別與放大器的輸入端相連，放大器的輸出端和勵(lì)磁線圈的輸入端均與探頭插座相連，探頭形狀如圖2所示。

探頭底板的弧度為2π/3，均勻布置了8個(gè)檢測線圈，每個(gè)檢測線圈檢測靈敏度均相同，8個(gè)檢測線圈沿底板的圓周方向可有效覆蓋被檢受熱面管125°的圓周面積，并通過覆蓋檢測線圈的磁罐進(jìn)行磁屏蔽。鐵淦氧具有高磁導(dǎo)率，利用磁路分流原理對低頻電磁場進(jìn)行屏蔽，消除空間散射的漏磁通的干擾，提高了缺陷分辨力。檢測過程中，8個(gè)檢測線圈均可獨(dú)立成像且檢測靈敏度始終保持一致，避免了缺陷漏檢。

探頭有4個(gè)導(dǎo)向膠輪，分別兩兩設(shè)置在殼體底板的兩側(cè)，導(dǎo)向膠輪的底部伸出殼體的下端面，且均向下、向內(nèi)傾斜設(shè)置，可與待測鋼管的管壁完全貼合，也可增加伸縮調(diào)節(jié)的功能，便于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

探頭殼體上設(shè)置有與探頭插座相連的凍結(jié)調(diào)零開關(guān)，當(dāng)儀器出現(xiàn)異常信號(hào)時(shí)，凍結(jié)調(diào)零開關(guān)可以鎖定屏幕圖像，以便進(jìn)一步觀察判定。以往操作儀器時(shí)需先擱置探頭，然后再按下儀器凍結(jié)開關(guān)，由于儀器相移掃描曲線是隨時(shí)間滾動(dòng)的，因而將產(chǎn)生時(shí)間差，難以及時(shí)捕捉到檢測信號(hào)；另外，掃查檢測過程中現(xiàn)場會(huì)出現(xiàn)各種干擾，導(dǎo)致基線偏離零點(diǎn)，需及時(shí)調(diào)整歸零。將儀器調(diào)零開關(guān)前置，在低頻陣列掃查探頭外殼上設(shè)置調(diào)零開關(guān)，調(diào)零操作便得心應(yīng)手。

為保證使用效果，殼體一端設(shè)置有用于同步記錄檢測數(shù)據(jù)的編碼器，編碼器安裝在殼體的尾部并安裝扭簧，利用扭簧彈力壓緊，確保殼體行走過程中始終與待測鋼管的管壁接觸，以實(shí)時(shí)采集陣列掃查探頭軸向掃查的距離，同步記錄檢測數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的后期處理、存檔。

1.3 陣列低頻渦流檢測系統(tǒng)

低頻振蕩器經(jīng)計(jì)算機(jī)控制激勵(lì)線圈，所產(chǎn)生的磁通覆蓋了8個(gè)接收線圈。若被測管在探頭的有效區(qū)域內(nèi)完好無損，空間散射的漏磁通均衡對稱，各檢測線圈輸出為零。當(dāng)探頭掃查檢測到被測管上的垢下腐蝕等缺陷時(shí)，缺陷對磁通和渦流場的擾動(dòng)使漏磁通出現(xiàn)非對稱分布，缺陷上的各檢測線圈產(chǎn)生失衡信號(hào)，即檢測信號(hào)。

探頭的檢測信號(hào)經(jīng)前置低噪放大器放大后，再經(jīng)濾波和自動(dòng)數(shù)字式電子平衡處理，濾波器和自動(dòng)平衡的時(shí)間常數(shù)均可由計(jì)算機(jī)設(shè)置。濾波和平衡后的缺陷信號(hào)進(jìn)入可調(diào)相位放大器放大，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，再由專用軟件對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行特殊處理，如圖3所示。

圖3 陣列低頻渦流檢測系統(tǒng)

為形象描繪缺陷的形狀、大小，軟件特別設(shè)計(jì)了三維C掃描繪圖功能，在有效掃描區(qū)內(nèi)，各相位-時(shí)間(P-T)掃描曲線可以合成三維C掃描立體圖像，如圖4所示。

1.4 受熱面內(nèi)壁腐蝕缺陷評定過程

(1)確定判廢標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行標(biāo)定。判廢標(biāo)準(zhǔn)為DL/T 939—2016《火力發(fā)電廠鍋爐受熱面管監(jiān)督技術(shù)導(dǎo)則》中的規(guī)定：水冷壁、省煤器、低溫段過熱器和再熱器管，壁厚減薄量不宜超過設(shè)計(jì)壁厚的30%。對于高溫段過熱器管，壁厚減薄量不應(yīng)超過設(shè)計(jì)壁厚的20%[4]。設(shè)計(jì)制作軸向和周向人工缺陷對比樣管，樣管的最小人工缺陷槽深度均取管壁的20%，并對人工缺陷信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，大于最小人工缺陷槽深度的缺陷信號(hào)判定為不合格鋼管。

(2)缺陷定位。確認(rèn)存儲(chǔ)缺陷的具體位置，可以選擇外觸發(fā)，即探頭上編碼器的脈沖信號(hào)觸發(fā)。此時(shí)P-T掃描曲線與低頻探頭掃查檢測同步，探頭向前掃查檢測，P-T掃描曲線同步向前滾動(dòng)顯示，屏幕上同時(shí)顯示探頭掃查檢測走過的距離。當(dāng)遇到疑義需要復(fù)查時(shí)，探頭往回掃查檢測，則屏幕上實(shí)時(shí)擦除與探頭后退走過的距離相等的P-T掃描曲線，從而確定缺陷的軸向距離。

陣列低頻渦流探頭中的各檢測線圈等間距均勻布置，均可獨(dú)立工作，并與顯示屏上的P-T掃描曲線一一對應(yīng)。實(shí)施檢測時(shí)，探頭附著于管壁，當(dāng)探頭經(jīng)過有缺陷的管壁時(shí)，陣列檢測線圈中的相應(yīng)線圈就會(huì)切割漏到管壁外的磁力線而感應(yīng)出一個(gè)最大的電壓信號(hào)，該線圈的阻抗也會(huì)發(fā)生變化并呈現(xiàn)在P-T掃描曲線上，從而確定缺陷的周向位置，并對周向或軸向缺陷進(jìn)行記錄。

圖4 三維C掃描立體圖像

(3)缺陷復(fù)核。將定位的缺陷表面清除干凈，涂上耦合劑，用超聲波測厚儀復(fù)測，檢測結(jié)果應(yīng)與陣列低頻渦流法一致，否則需要重新對檢測系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定后復(fù)檢。

(4)每隔2 h用靈敏度對比試管校驗(yàn)1次，若靈敏度對比試管上人工缺陷難以辨別，則之前檢測無效。

2 鍋爐受熱面鋼管檢測研究

2.1 陣列低頻渦流檢測實(shí)驗(yàn)室研究

為保證缺陷深度為管壁20%的缺陷具有較高的檢出能力，設(shè)計(jì)制作了軸向和周向人工缺陷對比樣管，樣管的最小人工缺陷槽深度均取樣管壁厚的20%，調(diào)整檢測參數(shù)，確保此類缺陷在陣列低頻渦流檢測中具有較高的缺陷分辨力，達(dá)到現(xiàn)場檢測目的。實(shí)施現(xiàn)場檢測時(shí)，以缺陷信號(hào)幅度大于壁厚20%的人工缺陷幅度為判廢標(biāo)準(zhǔn)，通過合理更換不合格受熱面管，避免鍋爐運(yùn)行中受熱面管因壁厚減薄而發(fā)生脹粗或泄漏事故。

2.1.1 陣列低頻渦流軸向檢測研究

圖5 陣列低頻渦流檢測驗(yàn)證試管

圖7 陣列低頻渦流檢測軸向靈敏度驗(yàn)證P-T曲線

采用電廠?60 mm×5 mm的備用圓管，軸向加工4個(gè)不同深度的人工缺陷，在圓管上掃查檢測，研究陣列低頻渦流檢測的軸向靈敏度。備用圓管總長800 mm，從端部沿軸向方向加工3個(gè)直徑為6 mm，深1.00,2.50,3.75,5.00 mm的人工盲孔及1 個(gè)直徑為6 mm的通孔，各孔之間的距離為120 mm，如圖5所示。

用陣列渦流探頭沿著試管軸向進(jìn)行掃查，得到的P-T曲線如圖6所示。

對P-T曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，截取人工缺陷信號(hào)進(jìn)行展寬、放大，分別計(jì)算其相位偏差值、缺陷的深度以及缺陷深度占管壁厚度的百分比，檢驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

將上述檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到表1，從表中數(shù)據(jù)可見：缺陷深度>壁厚的20%時(shí)，測量數(shù)據(jù)與缺陷實(shí)際深度相差無幾，誤差可以忽略不計(jì)；缺陷深度≤壁厚的20%時(shí)，測量數(shù)據(jù)偏大了4%，但誤差仍然小于5%：因此，不影響檢測判廢。

2.1.2 陣列低頻渦流周向檢測研究

圖6 軸向靈敏度對比試樣P-T曲線

表1 對比試樣人工缺陷檢測信號(hào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖8 陣列低頻渦流檢測驗(yàn)證試管

圖10 陣列低頻渦流檢測周向靈敏度驗(yàn)證P-T曲線

采用電廠?60 mm×5 mm的備用圓管加工4個(gè)同深度人工缺陷，在圓管上掃查檢測，研究陣列低頻渦流檢測的周向靈敏度。備用圓管總長800 mm，從端部沿周向加工4個(gè)同深度人工盲孔(另一側(cè)由于鏡像關(guān)系，檢測效果一樣)，盲孔孔徑為?6 mm，深1.0 mm，偏轉(zhuǎn)角度分別為10.0°，27.5°，45.0°，62.5°，盲孔之間的距離為120 mm，如圖8所示。

用陣列渦流探頭沿著試管周向進(jìn)行掃查，得到P-T曲線，如圖9所示。

圖9 周向靈敏度對比試樣P-T曲線

對P-T曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，截取人工缺陷信號(hào)進(jìn)行展寬、放大，分別計(jì)算顯示其相位偏差值，缺陷深度以及缺陷深度占管壁厚度的百分比，檢驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，不同方位的同等體積損失的人工缺陷，其P-T曲線的幅度基本一致。由此可見，采用陣列低頻渦流檢測探頭進(jìn)行現(xiàn)場檢測時(shí)，可確保探頭覆蓋的管壁下各檢測線圈具有相同的檢測靈敏度，降低缺陷漏檢率。

2.2 鍋爐受熱面管陣列低頻渦流現(xiàn)場檢測

對某火電廠WGZ-410/9.8-16鍋爐水冷壁內(nèi)腐蝕坑進(jìn)行現(xiàn)場檢測。水冷壁為膜式，規(guī)格為?60 mm×5 mm，材質(zhì)為20G。對水冷壁管進(jìn)行陣列低頻渦流檢測，檢測頻率為18 Hz，當(dāng)出現(xiàn)管壁腐蝕缺陷時(shí)，信號(hào)相位向上偏移，腐蝕越深偏移量越大。

掃描到缺陷后，配合超聲波測厚的方法進(jìn)行缺陷復(fù)核，以獲取準(zhǔn)確的管壁腐蝕深度值。檢查全爐膛1200m2水冷壁管后，共發(fā)現(xiàn)420處缺陷，管壁厚度測量值為1.9～5.0mm。

隨后，對掃查到的缺陷部位進(jìn)行割管觀察，發(fā)現(xiàn)在探傷檢測缺陷處管內(nèi)壁向火側(cè)均存在潰瘍狀腐蝕坑缺陷(如圖11所示)，表明采取陣列低頻渦流方法檢測管內(nèi)壁腐蝕缺陷具有相當(dāng)高的準(zhǔn)確性。

圖11 陣列低頻渦流探傷檢測出的管內(nèi)壁腐蝕缺陷

3 結(jié)束語

采用陣列低頻渦流檢測在役受熱面管內(nèi)壁缺陷時(shí)，信號(hào)幅度隨著缺陷深度的增加而增加，缺陷深度為壁厚的20%時(shí)也具有較高的檢測靈敏度；各個(gè)陣列檢測探頭周向靈敏度一致，檢測準(zhǔn)確度高、速度快、省時(shí)省工且易于實(shí)施，可以有效實(shí)現(xiàn)鍋爐受熱面鋼管內(nèi)壁腐蝕缺陷實(shí)現(xiàn)的無損檢測。