電站水冷壁熱疲勞裂紋的陣列渦流檢測(cè)方法研究

張 瑞

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

1 研究背景

電站水冷壁是主要受熱面，水冷壁由多列上升管組成，緊貼爐墻形成爐膛四周內(nèi)壁或布置于爐膛中部，水冷壁的主要作用為：①吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量將水部分變成飽和蒸汽；②使?fàn)t墻壁溫度大幅下降，因而使墻壁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，減輕了爐墻的重量；③降低爐墻附近和爐膛出口處的煙氣溫度，防止和減少爐膛結(jié)渣。大型電站使用的是膜式水冷壁。如圖 1所示，水冷壁內(nèi)壁為向火面，直接接觸爐堂火焰，管內(nèi)容易結(jié)垢，管外易生成氧化皮和結(jié)垢，造成熱傳遞效果減弱，使得水冷壁管長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中，管材易發(fā)生珠光體球化，在循環(huán)熱應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力疊加作用下，裂紋在外表面處萌生，沿著拉應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展，造成疲勞開(kāi)裂[1]。

近年來(lái)有很多電廠發(fā)現(xiàn)水冷壁管子橫向裂紋導(dǎo)致爆管的案例，例如玉環(huán)某電廠、安徽平圩某電廠、蕪湖某電廠、金陵某電廠、岳陽(yáng)某電廠等，綜合以上電廠發(fā)生的橫向裂紋形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)共同的原因就是熱疲勞應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋。為了有效避免和減少鍋爐爆管現(xiàn)象，需要加強(qiáng)水冷壁在役運(yùn)行監(jiān)測(cè)和檢查，建立相應(yīng)的評(píng)估機(jī)制和安全預(yù)警機(jī)制，有必要對(duì)水冷壁缺陷檢測(cè)做進(jìn)一步研究。對(duì)于在役管道的無(wú)損檢測(cè)，通常采用超聲波、滲透、磁粉等檢測(cè)方法，但是上述方法對(duì)表面要求較高，需要大量打磨工作，而檢測(cè)效率很低，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)，并且打磨過(guò)程中可能會(huì)對(duì)管子造成磨損，使得管子壁厚變薄，安全性能降低，可能給電廠運(yùn)行帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。渦流檢測(cè)則可以有效避免上述問(wèn)題。

圖1 水冷壁及熱疲勞裂紋形態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of water-cooled wall and thermal

2 渦流檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的一種無(wú)損檢測(cè)方法，它適用于導(dǎo)電材料。當(dāng)把一導(dǎo)體置于交變磁場(chǎng)之中時(shí)，在導(dǎo)體中就有感應(yīng)電流存在，即產(chǎn)生渦流。由于導(dǎo)體自身各種因素(如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀、尺寸和缺陷等)的變化，會(huì)導(dǎo)致渦流的變化，利用這種現(xiàn)象判定導(dǎo)體性質(zhì)、狀態(tài)的檢測(cè)方法，稱(chēng)為渦流檢測(cè)[2]。常規(guī)單通道渦流技術(shù)，單次掃查覆蓋檢測(cè)區(qū)域小，檢測(cè)效率低。

多通道的陣列渦流技術(shù)檢測(cè)時(shí)間大幅度降低，使單次掃查覆蓋更大檢測(cè)區(qū)域；適用于那些具有復(fù)雜幾何形狀的部件的檢測(cè)；改進(jìn)了檢測(cè)的可靠性和檢出率。針對(duì)水冷壁疲勞裂紋特點(diǎn)，采取陣列渦流檢測(cè)方式，利用多通道渦流探測(cè)儀，采用多組差動(dòng)式線(xiàn)圈，將渦流探頭檢測(cè)面按照水冷壁曲率制作探頭曲面，這樣渦流探頭可以緊密貼合水冷壁管子表面，既能有效過(guò)濾由于水冷壁表面粗糙引起的噪聲信號(hào)，也能保證覆蓋面積，從而提高檢測(cè)效率。本文采用EEC-39RFT渦流檢測(cè)儀，采用最新研制的新型渦流探頭，如圖 2所示，探頭曲面完全貼合管子表面，一次掃查覆蓋1/4圓周，只需要 2次掃查即可完成。線(xiàn)圈 1、2為一組，檢測(cè)探頭弧面右側(cè)覆蓋部分區(qū)域的缺陷，線(xiàn)圈纏繞方向相反，3、4為一組，檢測(cè)探頭曲面右側(cè)覆蓋部分區(qū)域的缺陷，線(xiàn)圈纏繞方向相反，可有效減少粗糙表面造成的缺陷。

圖2 渦流探頭整體及檢測(cè)面處線(xiàn)圈放置示意圖Fig.2 Schematic diagram of eddy current probe and coil placement at the detection surface

3 渦流檢測(cè)方案

內(nèi)蒙古某電廠共發(fā)生發(fā)生螺旋水冷壁疲勞裂紋4次爆管，全部發(fā)生在同一鍋爐。第一處位于前墻標(biāo)高 35m 螺旋水冷壁；第二、三處位于后墻標(biāo)高 35、38m螺旋水冷壁；第四處位于前墻標(biāo)高35m螺旋水冷壁。為解決頻繁爆管問(wèn)題，取現(xiàn)場(chǎng)的水冷壁樣管制作實(shí)驗(yàn)樣管，為模擬現(xiàn)場(chǎng)裂紋缺陷，在取下的水冷壁樣管做電火花刻槽，制作對(duì)比樣管[3]確定檢測(cè)靈敏度，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取下的水冷壁樣管進(jìn)行渦流檢測(cè)。為驗(yàn)證該方法的可行性制定如下實(shí)驗(yàn)方案。

對(duì)管子打磨光亮處和原始管子表面(含氧化皮)分別進(jìn)行刻槽(5mm×0.5mm表示 5mm長(zhǎng) 0.5mm深的刻槽，槽的寬度為刻槽用銅箔的厚度，所用銅箔厚度為 0.02mm)，如圖 3所示，之后進(jìn)行渦流檢測(cè)，主要是研究原始表面的氧化皮及結(jié)垢對(duì)渦流檢測(cè)的影響。

以原始管子表面5mm長(zhǎng)、0.5mm深的刻槽缺陷進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，將幅值調(diào)至窗口大小的 40%，對(duì)自然缺陷渦流檢測(cè)，主要研究自然缺陷檢出率。

圖3 水冷壁對(duì)比樣管電火花刻槽位置及尺寸示意圖Fig.3 Location and size of EDM groove on water-cooled wall contrast sample tube

4 渦流檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)頻率 38167Hz，將探頭放置在管子表面，晃動(dòng)探頭，指示電信號(hào)的中心點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則移動(dòng)，移動(dòng)方向?yàn)橄辔唤窍嗖畈淮蟮男逼叫芯€(xiàn)，噪聲信號(hào)如圖 4所示。將無(wú)缺陷部位的干擾信號(hào)調(diào)為水平相位，與水平相位明顯區(qū)分的其他相位的信號(hào)即為缺陷信號(hào)，將5mm×0.5mm的刻槽信號(hào)幅值調(diào)至檢測(cè)窗口的 40%大小，增加 2～3dB為檢測(cè)靈敏度，檢測(cè)過(guò)程中，幅值代表的是缺陷的大小，記錄一個(gè)缺陷只需要記錄幅值及相位角。

對(duì)管子光滑處和氧化皮處刻槽缺陷進(jìn)行對(duì)比得到結(jié)果如圖5所示。

圖4 晃動(dòng)探頭干擾信號(hào)圖Fig.4 Interference signal when shaking the probe

圖5 對(duì)比樣管A、B、C、D電火花刻槽的渦流檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Eddy current test result of EDM groove marked as A,B,C and D

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，A、C 2個(gè)缺陷，缺陷大小相同，A處為打磨光滑處，C處為原始管子表面處，相位相差31°，幅值相差9；B、D 2個(gè)缺陷，缺陷大小相同，B處為打磨光滑處，D處為帶有氧化皮處，相位相差14°，幅值相差 48；通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)缺陷無(wú)論在氧化皮處還是光滑處都會(huì)有明顯缺陷信號(hào)，原始管子表面的氧化皮及結(jié)垢對(duì)缺陷的檢出有一定影響。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)截取的管子進(jìn)行渦流檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn) 2處熱疲勞裂紋，渦流檢測(cè)及滲透檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)渦流檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行滲透檢測(cè)驗(yàn)證Fig.6 Penetration testing verification of defects found by on-site eddy current testing

將檢測(cè)之后的管子進(jìn)行打磨，然后進(jìn)行滲透及磁粉檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與渦流檢測(cè)結(jié)果一致，僅發(fā)現(xiàn)上述2處熱疲勞裂紋。這說(shuō)明渦流檢測(cè)結(jié)果是有效的，而且發(fā)現(xiàn)真實(shí)的熱疲勞裂紋其寬度更小，根據(jù)渦流檢測(cè)理論，幅值更大。

5 結(jié) 論

利用陣列渦流檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水冷壁熱疲勞裂紋的在役檢測(cè)，并且不需要打磨，從而降低檢修成本，縮短檢修時(shí)間，提高檢測(cè)效率，能滿(mǎn)足各電廠水冷壁的檢測(cè)。通過(guò)水冷壁管道表面及近表面缺陷的全方位檢測(cè)，將潛在的危害熱疲勞裂紋提前發(fā)現(xiàn)，并在停機(jī)檢修期間提前修復(fù)，避免了熱疲勞裂紋擴(kuò)展造成爆管帶來(lái)危害和經(jīng)濟(jì)損失。