渦流檢測(cè)技術(shù)在天然氣平臺(tái)海水冷卻器傳熱管中的應(yīng)用

吳建武 劉向陽(中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引言

海水冷卻器作為海上天然氣平臺(tái)的一個(gè)重要換熱設(shè)備，其狀態(tài)影響著平臺(tái)外輸天然氣的露點(diǎn)。所在平臺(tái)天然氣冷卻器已經(jīng)服役超過10年，由于部分氣井出砂，近幾年曾經(jīng)發(fā)生多次海水冷卻器傳熱管腐蝕穿孔事件。利用核電在役檢查領(lǐng)域已成熟運(yùn)用和得到驗(yàn)證的傳熱管渦流檢測(cè)技術(shù)，開發(fā)出合適天然氣冷卻器換熱管電渦流檢查工藝，掌握盤管的磨損、裂紋及其他缺陷情況。本文中提到的海水冷卻器管側(cè)的流體為壓縮天然氣，殼側(cè)的流體為海水，傳熱管型式為U形管，規(guī)格Φ19×1.5mm，材質(zhì)為TA2/GB/T 3625—1995。

1 失效模式

運(yùn)行過程中海水冷卻器傳熱管可能產(chǎn)生海水腐蝕導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂、流體沖刷導(dǎo)致的減薄和材料缺損、運(yùn)行時(shí)振動(dòng)和碰撞摩擦導(dǎo)致的凹坑和損傷、壓力和溫度交變導(dǎo)致的裂紋和天然氣雜質(zhì)導(dǎo)致的損傷等。此外，制造和安裝期間產(chǎn)生的缺陷也會(huì)在使用階段繼續(xù)擴(kuò)展。在2008年至2019年期間12臺(tái)冷卻器總共發(fā)生7次傳熱管穿孔導(dǎo)致天然氣泄漏事件。因此，對(duì)冷卻器及其他換熱器進(jìn)行預(yù)防性的定期檢查，提前發(fā)現(xiàn)問題，采取預(yù)防性處理措施，進(jìn)行封堵或更換，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行很有必要。

2 技術(shù)原理

渦流檢測(cè)技術(shù)作為工業(yè)無損檢測(cè)的常用檢測(cè)方法，目前在核電、火電和軍工行業(yè)多有應(yīng)用，已成為傳熱管服役階段的首選無損檢測(cè)方法。其原理是當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近導(dǎo)電被檢物時(shí)，由于電磁感應(yīng)會(huì)在被檢物中會(huì)產(chǎn)生渦流，而渦流的大小、相位及流動(dòng)形式受到被檢物導(dǎo)電性能的影響，同時(shí)產(chǎn)生的渦流也會(huì)形成一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)反過來又會(huì)使檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生變化，通過測(cè)定檢測(cè)線圈阻抗的變化就可以判斷被檢物的性能及有無缺陷。

3 檢測(cè)設(shè)備

實(shí)際檢測(cè)中使用的設(shè)備主要有：遠(yuǎn)控多頻渦流儀、渦流探頭、試樣管和推拔器。

3.1 遠(yuǎn)控多頻渦流儀

檢驗(yàn)時(shí)使用美國生產(chǎn)的OMNI-200R遠(yuǎn)控多頻渦流儀，能夠在線圈中產(chǎn)生頻率范圍為1～2000kHz的諧波電流，可同時(shí)激發(fā)4個(gè)或4個(gè)以上檢測(cè)頻率，能夠以差分和絕對(duì)兩種模式工作，并可在0～360°范圍內(nèi)調(diào)整相位角。儀器12個(gè)月需校準(zhǔn)一次，在維護(hù)或維修后也需校準(zhǔn)。

3.2 渦流探頭

使用內(nèi)穿過式自比差動(dòng)線圈的渦流檢測(cè)探頭，即Bobbin探頭。自比式線圈有利于抑制由于環(huán)境溫度、工件外形尺寸等緩慢變化引起的線圈阻抗的變化。直管段和彎曲半徑比較大的彎管段選擇填充系數(shù)大于80%的探頭，彎曲半徑比較小的彎管段選擇填充系數(shù)大于70%的特質(zhì)柔性探頭。

3.3 試樣管

本例中參照ASME標(biāo)準(zhǔn)加工了兩種對(duì)比試樣管。ASME標(biāo)準(zhǔn)的試樣管設(shè)計(jì)目前被業(yè)界廣泛認(rèn)可和采用。對(duì)比試樣管一用于制作相位-傷深曲線，用以判定缺陷是內(nèi)傷還是外傷。對(duì)比試樣管二，即磨損試樣管，用于更加精確地判定管壁磨損量。加工完成后計(jì)量圖紙如圖1。

圖1a ASME試樣管一

圖1b ASME試樣管二

3.4 推拔器

渦流探頭安裝在推拔器上，通過推拔器的作用保證探頭推拔是在勻速狀態(tài)下進(jìn)行，這樣可以保證采集信號(hào)的質(zhì)量，排除人工手拉探頭情況下人員因素對(duì)結(jié)果的干擾。推拔器拉探頭的速率可以設(shè)定，通常設(shè)定為1m/s。該速度下既可保證檢測(cè)速度，又可保證信號(hào)質(zhì)量。

4 檢測(cè)

4.1 檢測(cè)前的工作

根據(jù)渦流深度滲透公式計(jì)算出基本頻率。再使用標(biāo)定管進(jìn)行工藝試驗(yàn)確定檢測(cè)頻率、相位等最佳參數(shù)。最佳參數(shù)下，4個(gè)20%壁厚平底孔的信號(hào)相位角與單通孔信號(hào)之間的夾角應(yīng)是順時(shí)針方向50～120°之間，信號(hào)圖見下圖2。

圖2 最佳頻率下的信號(hào)響應(yīng)圖

4.2 檢測(cè)前的準(zhǔn)備

對(duì)由于管側(cè)流體為天然氣，管內(nèi)清潔度較好，只進(jìn)行簡單的吹掃即可保證探頭的通過性。

4.3 實(shí)施檢測(cè)

先采集一根傳熱管信號(hào)，找出支撐板信號(hào)，用真實(shí)的支撐板信號(hào)進(jìn)行“混頻”。所謂“混頻”，是用于消除支撐板信號(hào)對(duì)于缺陷信號(hào)的影響。采集計(jì)劃逐根進(jìn)行采集，保證數(shù)據(jù)記錄完整，信號(hào)編號(hào)唯一且與傳熱管一一對(duì)應(yīng)。對(duì)于大彎曲半徑傳熱管，可用常規(guī)Bobbin探頭一次性采集全管的信號(hào)。對(duì)于小彎曲半徑傳熱管，一根傳熱管的采集要分三次進(jìn)行，先用常規(guī)Bobbin探頭分別采集U形管兩個(gè)直管段，再換定制柔性探頭采集彎管段。通過支撐板信號(hào)確定全管都被采集，無遺漏。

4.4 標(biāo)定

每次開始、結(jié)束采集工作和工作連續(xù)不超過四小時(shí)，進(jìn)行一次標(biāo)定，以確保檢測(cè)系統(tǒng)性能滿足要求。兩次標(biāo)定之間通孔信號(hào)的相位角應(yīng)在40±5°，幅值偏差不得超過±10%，如果偏差超出上述范圍，則應(yīng)找出偏差的原因并進(jìn)行改正，必須對(duì)整套檢測(cè)系統(tǒng)重新進(jìn)行調(diào)整直至標(biāo)定合格，而且必須將上次標(biāo)定或標(biāo)定校驗(yàn)以后所檢測(cè)的傳熱管進(jìn)行重新檢測(cè)。

4.5 記錄

達(dá)到記錄標(biāo)準(zhǔn)的顯示，都需正確記錄，記錄應(yīng)包含以下參數(shù)：位置；幅值；相位角；顯示的類型或壁厚損失的百分比；顯示的通道。出現(xiàn)以下情況的數(shù)據(jù)認(rèn)定為無效數(shù)據(jù)，需重新檢測(cè)：檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定不符合檢驗(yàn)程序要求，即錯(cuò)誤的頻率、采樣率等；任何可能影響檢測(cè)結(jié)果的因檢測(cè)系統(tǒng)故障引起的通道損壞；由于探頭或延長電纜等原因引起的過高的噪聲信號(hào)；探頭斷線、產(chǎn)生嚴(yán)重電火花或短路等；任何通道在飽和情況下運(yùn)行，即未適當(dāng)平衡或?qū)χ校粋鳠峁艿臉?biāo)識(shí)不正確；傳熱管的檢測(cè)范圍不完整。

4.6 缺陷評(píng)定

本例中既要檢測(cè)缺陷，又要測(cè)量壁厚。對(duì)分析人員的要求較高。達(dá)到記錄標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)顯示都需要經(jīng)過兩名分析人員的分析，如果兩名分析人員結(jié)論一致，則作為最終結(jié)論。如果兩名分析人員結(jié)論不一致，則需經(jīng)過第三名人員分析，第三名人員需持有渦流三級(jí)證書。

5 檢測(cè)結(jié)果

完成了一臺(tái)海水后冷卻器盤管渦流檢測(cè)，共計(jì)689根 U 型管(1379 根直管)，共計(jì)發(fā)現(xiàn)27根傳熱管傷深超過 40%(剩余壁厚小于設(shè)計(jì)壁厚的60%，即剩余壁厚小于0.9mm)，缺陷率較高，主要表現(xiàn)為流質(zhì)沖刷缺陷。數(shù)據(jù)記錄如表1。

表1 減薄傳熱管的測(cè)量數(shù)據(jù)

傳熱管減薄情況分布如圖3：(1) 7根傷深在40%～59%(藍(lán)色標(biāo)注，0.6mm＜管壁厚度≤0.9mm)；(2) 8根傷深在60%～79%(黃色標(biāo)注，0.3mm＜管壁厚度≤0.6mm)；(3) 12根傷深在80%以上(紅色標(biāo)注，管壁厚度≤0.3mm)；(4) 其余662根U型管合格。(一根傳熱管上存在多處缺陷的按照最大缺陷統(tǒng)計(jì))。

從圖3減薄傳熱管分布可以看出，傳熱管的減薄是比較隨機(jī)，沒有分布規(guī)律可循。

圖3 減薄傳熱管分布

6 結(jié)果處理及維保策略調(diào)整

根據(jù)核電標(biāo)準(zhǔn)，壁厚減薄大于等于40%(即剩余管壁厚度小于0.9mm)的就需要進(jìn)行堵管。該冷卻器的管程設(shè)計(jì)壓力：8.8MPa，實(shí)際操作壓力4.2MPa。換熱管材質(zhì)：TA2，U型管，規(guī)格：Φ19×1.5mm。根據(jù)設(shè)計(jì)壓力8.8MPa利用下面公式進(jìn)行換熱管強(qiáng)度校核。

設(shè)計(jì)壓力P：8.8MPa；鋼管外徑D：19mm；屈服強(qiáng)度σ：373MPa；屈服安全系數(shù)n：2NA；許用應(yīng)力[σ]：186.5MPa。

計(jì)算得出最小管壁厚度t：0.428mm，乘以1.4的安全放大系數(shù)，管壁厚度小于0.6mm才需堵管，相對(duì)核電堵管標(biāo)準(zhǔn)管壁厚度小于0.9mm就堵管還是有一定余量。為了拉長檢驗(yàn)間隔周期，按照核電的標(biāo)準(zhǔn)傷深大于等于40%的進(jìn)行堵管，即壁厚小于等于0.9mm的就堵管，需要堵管27根，換熱效率約下降3.6%。

在維修費(fèi)用允許的情況下，其他服役超過10年的天然氣冷卻器進(jìn)行電渦流檢測(cè)摸底排查，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整維修策略做到提前維修。

7 結(jié)語

(1)本次應(yīng)用證明在其他行業(yè)已經(jīng)成熟應(yīng)用的渦流檢測(cè)，在天然氣海水冷卻器等其他石化行業(yè)換熱器傳熱管檢測(cè)上同樣適用，并且存在較大應(yīng)用前景?？紤]到傳熱管失效后的事故后果和經(jīng)濟(jì)損失，預(yù)防性的定期檢測(cè)是有必要的。

(2)現(xiàn)使用的Bobbin探頭可以檢測(cè)出裂紋、減薄、損傷、腐蝕等，但針對(duì)極端情況下的針孔狀穿孔，由于Bobbin探頭的技術(shù)原理存在一定的漏檢風(fēng)險(xiǎn)。需配合陣列探頭檢測(cè)，可顯著降低針孔狀缺陷的漏檢概率。但需要注意的是，由于制造工藝限制，陣列探頭為硬質(zhì)探頭，無法通過彎管段。

(3)通過天然氣冷卻器盤管缺陷檢測(cè)新技術(shù)應(yīng)用掌握傳熱管的磨損、裂紋及其他缺陷情況。及時(shí)調(diào)整冷卻器維修策略，由被動(dòng)維修轉(zhuǎn)為主動(dòng)維修，達(dá)到減少產(chǎn)量損失和減少傳熱管穿孔泄漏帶來的安全隱患。