基于脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的彎管沖刷減薄試驗(yàn)研究

毛國(guó)均 張翰林 李斌彬 錢(qián)盛杰

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

沖刷減薄是金屬表面與流體之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是材料受沖刷和腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果。 沖刷減薄是鍋爐、壓力容器與管道等承壓設(shè)備中常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，主要發(fā)生在液面經(jīng)常波動(dòng)部位、流向改變部位、物料進(jìn)口部位、截面突變部位及易受腐蝕、沖刷等部位。 本課題針對(duì)的沖刷減薄彎管為流向改變部位，介質(zhì)為原油，屬于易受腐蝕和沖刷的管道。 因此，在這種工況下，容易造成沖刷減薄，特別是彎管部位的沖刷減薄。 測(cè)量彎管均勻減薄的常規(guī)方法為超聲檢測(cè)，利用一收一發(fā)的脈沖反射法能簡(jiǎn)單高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)彎管的實(shí)時(shí)檢測(cè)。 沖刷減薄則不同，由于沖刷部位會(huì)形成一個(gè)傾斜角，當(dāng)沖刷達(dá)到一定角度時(shí)，會(huì)使超聲聲束隨著斜面的反射而無(wú)法被接收。 因此，無(wú)論是常規(guī)超聲還是精度高的電磁超聲都難以檢測(cè)出沖刷減薄后的厚度。 而脈沖渦流是根據(jù)電磁場(chǎng)的信號(hào)來(lái)反映構(gòu)件的厚度和缺陷的，彎管壁厚的缺失會(huì)影響電磁場(chǎng)信號(hào)的大小。 因此，脈沖渦流技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)沖刷減薄的檢測(cè)。 筆者對(duì)化工裝置檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的兩條沖刷減薄的彎管分別進(jìn)行了常規(guī)超聲檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)和脈沖渦流檢測(cè)試驗(yàn)。

1 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的基本原理與特點(diǎn)

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)（PEC）是近年來(lái)發(fā)展迅猛的一項(xiàng)新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，通過(guò)分析經(jīng)過(guò)快速磁場(chǎng)變化后組件內(nèi)部渦流場(chǎng)的變化情況來(lái)測(cè)量壁厚變化， 具有頻譜寬、信號(hào)穿透能力強(qiáng)及精確度高等優(yōu)點(diǎn)［1，2］。

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)一個(gè)完整的采集周期可以分為激發(fā)、中止和接收3 個(gè)階段。 如圖1 所示，在激發(fā)階段，脈沖信號(hào)源產(chǎn)生有一定脈沖寬度且有周期性的方波激勵(lì)電流，同時(shí)產(chǎn)生可以穿透被測(cè)工件厚度的磁場(chǎng)， 使工件最終達(dá)到磁飽和狀態(tài)；在中止階段，脈沖信號(hào)源的激勵(lì)電流突然消失，使得外部磁場(chǎng)瞬間消失，此時(shí)工件中會(huì)感應(yīng)到強(qiáng)大的脈沖渦流信號(hào)；在接收階段，渦流信號(hào)在工件中衰減，由探頭中的傳感器接收信號(hào)的衰減程度來(lái)檢測(cè)原件的厚度［3］。

圖1 脈沖渦流檢測(cè)采集周期示意圖

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)與常規(guī)四大無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)： 射線檢測(cè)有輻射危害，而脈沖渦流檢測(cè)應(yīng)用電磁感應(yīng)原理， 具備安全性；超聲檢測(cè)必須使用耦合劑，而脈沖渦流檢測(cè)探頭可直接接觸工件表面，更清潔方便；磁粉檢測(cè)只限于檢測(cè)鐵磁性材料表面或近表面缺陷，滲透檢測(cè)僅限于檢測(cè)表面缺陷，而脈沖渦流檢測(cè)可應(yīng)用在任何導(dǎo)電媒介中，且對(duì)近表面和遠(yuǎn)表面的缺陷都很靈敏［4］。另外，基于電磁感應(yīng)原理的常規(guī)渦流法采用單頻或多頻正弦信號(hào)激勵(lì)，受趨膚效應(yīng)影響，滲透能力有限，信息量相對(duì)較少。 與常規(guī)渦流法相比， 脈沖渦流法采用周期性脈沖信號(hào)激勵(lì)，具有豐富的頻譜內(nèi)容，在金屬材料厚度和缺陷檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用［5～7］。 除上述優(yōu)勢(shì)外，脈沖渦流檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可保留工件外部保溫層和防護(hù)層進(jìn)行檢測(cè)，操作簡(jiǎn)便且學(xué)習(xí)周期短。

2 檢測(cè)試驗(yàn)

筆者在化工裝置輸油管道的檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩條管道的彎管無(wú)法進(jìn)行常規(guī)超聲波測(cè)厚。 因此，將這兩條管道切割后，利用常規(guī)超聲、電磁超聲和脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)厚研究。 將兩條管道分別編號(hào)為1#彎管和2#彎管， 規(guī)格均為160mm×6.0mm。

2.1 常規(guī)超聲測(cè)厚試驗(yàn)

選取1#彎管進(jìn)行常規(guī)超聲測(cè)厚，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。 測(cè)厚結(jié)果表明：在未經(jīng)沖刷減薄的上游部分，可以測(cè)得其厚度值，數(shù)值顯示為6.10mm；在彎管的側(cè)彎部分沖刷減薄較嚴(yán)重區(qū)域和沖刷減薄的下游部分，均無(wú)法測(cè)出厚度值。

圖2 1#彎管的常規(guī)超聲測(cè)厚

2.2 電磁超聲測(cè)厚試驗(yàn)

電磁超聲技術(shù)可以通過(guò)閘門(mén)調(diào)節(jié)和測(cè)量模式的更改實(shí)現(xiàn)對(duì)特定工件的厚度檢測(cè)，具有比常規(guī)超聲測(cè)厚更加全面的測(cè)厚功能。 但對(duì)這兩條管道進(jìn)行測(cè)厚時(shí)， 大部分區(qū)域顯示的數(shù)據(jù)跳動(dòng)劇烈，只有個(gè)別的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，且檢測(cè)時(shí)信號(hào)雜波較多，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述彎管的檢測(cè)。 為方便與常規(guī)超聲進(jìn)行比較，筆者選取1#彎管的同一測(cè)厚點(diǎn)處進(jìn)行電磁超聲測(cè)厚，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。 測(cè)厚結(jié)果表明：在未經(jīng)沖刷減薄的上游部分，可以測(cè)得其厚度值，數(shù)值顯示為5.984mm；在彎管的側(cè)彎部分沖刷減薄較嚴(yán)重區(qū)域，厚度值跳動(dòng)劇烈， 圖3b 中顯示的1.947mm 為跳動(dòng)過(guò)程中某一時(shí)刻的厚度數(shù)值； 在沖刷減薄的下游部分，沖刷所形成的斜面相對(duì)坡度較小，而電磁超聲的探頭較大，能接收到一定量的超聲回波信號(hào)，可以測(cè)出厚度值為4.976mm。 由此可見(jiàn)，電磁超聲技術(shù)對(duì)沖刷減薄的檢測(cè)效果優(yōu)于常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)，尤其是輕微沖刷減薄的區(qū)域。

2.3 脈沖渦流測(cè)厚試驗(yàn)

由于電流熱效應(yīng)的關(guān)系，脈沖渦流的線圈無(wú)法做得很小。 因此，脈沖渦流探頭較大，單點(diǎn)檢測(cè)的覆蓋長(zhǎng)度也較大。 脈沖渦流測(cè)厚顯示的是探頭覆蓋范圍內(nèi)的平均厚度，這樣就導(dǎo)致該方法對(duì)局部缺陷的檢測(cè)能力較弱。 一般情況下，當(dāng)缺陷尺寸小于探頭覆蓋的平均區(qū)域的尺寸時(shí)，脈沖渦流檢測(cè)將低估缺陷的尺寸。 而本檢測(cè)試驗(yàn)的對(duì)象為沖刷減薄的彎管，且沖刷減薄區(qū)域大于覆蓋長(zhǎng)度。 因此，從理論上講，脈沖渦流法能實(shí)現(xiàn)對(duì)此類缺陷的檢測(cè)。

圖3 1#彎管的電磁超聲測(cè)厚

試驗(yàn)采用的儀器為加拿大Eddyfi 公司生產(chǎn)的Lyft-PEC-GD 型號(hào)脈沖渦流檢測(cè)儀， 試驗(yàn)儀器配置為主機(jī)一臺(tái)、中型探頭和探頭線纜一套。 根據(jù)脈沖渦流的理論分析計(jì)算，為滿足兩條壓力管道彎管檢測(cè)的要求， 采用的脈沖渦流檢測(cè)參數(shù)：探頭型號(hào)為PEC-089-G2-XXXX，提離高度為0 時(shí)的覆蓋長(zhǎng)度為62mm， 帶保溫的覆蓋長(zhǎng)度為75mm， 線性濾波頻率為50Hz， 最大功率為10.0W，脈沖持續(xù)時(shí)間為6.8ns。 為減少激勵(lì)信號(hào)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響， 在金屬管道上覆蓋了20mm厚的保溫材料。 檢測(cè)開(kāi)始前，分別在兩條彎管的側(cè)彎部分進(jìn)行壁厚校準(zhǔn)， 檢測(cè)實(shí)物照如圖4 所示。 在檢測(cè)過(guò)程中，探頭發(fā)射信號(hào)的方向始終垂直于管子的軸線進(jìn)行網(wǎng)格映射掃查，掃查軌跡如圖5 所示。

圖4 脈沖渦流檢測(cè)實(shí)物照

圖5 彎管掃查軌跡展開(kāi)圖

為方便檢測(cè)，可將彎管檢測(cè)分為內(nèi)彎、外彎和側(cè)彎3 個(gè)部分， 數(shù)據(jù)采集采用單點(diǎn)記錄的方式。 在檢測(cè)軟件中，設(shè)置測(cè)點(diǎn)數(shù)量最多的為外彎，其次是側(cè)彎，最少的為內(nèi)彎。 圖6 為1#彎管的沖刷減薄彎管的檢測(cè)結(jié)果， 其中圖6a 為C 掃描檢測(cè)圖，圖6b 為厚度值顯示云圖。 圖6 中最上部和最下部區(qū)域?yàn)閮?nèi)彎部分， 最中間區(qū)域?yàn)橥鈴澆糠?，其余區(qū)域?yàn)閭?cè)彎部分。 從圖中可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)彎部分幾乎無(wú)腐蝕，側(cè)彎部分從左往右的沖刷減薄程度不斷加大，外彎部分從左往右的沖刷減薄程度也不斷加大， 且外彎部分的減薄程度最嚴(yán)重，已超過(guò)壁厚的20%。

圖6 1#彎管的檢測(cè)結(jié)果

圖7 為2#彎管的沖刷減薄彎管的檢測(cè)結(jié)果，其中圖7a 為C 掃描檢測(cè)圖，圖7b 為厚度值顯示云圖。 由檢測(cè)結(jié)果可以看出，2#彎管的沖刷減薄情況基本與1#彎管的沖刷減薄情況類似，但是2#彎管的減薄程度更為嚴(yán)重， 已超過(guò)壁厚的28%。

圖7 2#彎管的檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)沖刷減薄的彎管進(jìn)行腐蝕成像檢測(cè)，解決了常規(guī)無(wú)損檢測(cè)對(duì)此類減薄工件厚度檢測(cè)的難題，可以在工程實(shí)踐中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

3.2 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)可以通過(guò)保溫層對(duì)導(dǎo)電媒介進(jìn)行厚度檢測(cè)， 并能實(shí)現(xiàn)連續(xù)、 可記錄的C掃描圖像。

3.3 電磁超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)輕微沖刷減薄的測(cè)厚能力強(qiáng)于常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)，兩種技術(shù)對(duì)沖刷減薄嚴(yán)重的部位均無(wú)法測(cè)出其厚度。 文中提到的3種測(cè)厚技術(shù)對(duì)沖刷減薄管道的測(cè)厚能力最強(qiáng)的是脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)， 其次是電磁超聲技術(shù)，最后是常規(guī)超聲技術(shù)。