電站鍋爐水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器設(shè)計及參數(shù)優(yōu)選模擬試驗研究

劉國昌,衛(wèi) 東,馮得輝

(1.大慶油田生態(tài)環(huán)境管護公司, 黑龍江 大慶163453;2.大慶油田工程建設(shè)公司,黑龍江 大慶 163000;3.大慶油田第八采油廠，黑龍江 大慶 163711)

0 引言

電站鍋爐水冷壁管在長期的惡劣工作環(huán)境下，容易產(chǎn)生老化缺陷，這些缺陷極易影響冷卻水管的安全事故，甚至有可能危及整個鍋爐安全和電站的正常運營，因此，加強鍋爐水冷壁的缺陷檢測，對于保障鍋爐的安全運營具有重要意義[1-4]。

無損檢測技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，當前，對于管道等設(shè)備缺陷進行檢測的主要手段也為無損探傷。無損檢測技術(shù)發(fā)展至今，出現(xiàn)了射線檢驗(RT)、超聲檢測(UT)、磁粉檢測(MT)、液體滲透檢測(PT)、渦流檢測(ECT)、聲發(fā)射檢測(AE)、漏磁檢驗(MFL)等多種檢測方法，但是，傳統(tǒng)的單一無損檢測方法難以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，均或多或少存在自身的局限性，很難達到全方位檢測的目的[5-11]。近些年來，復(fù)合式無損檢測技術(shù)逐漸得到專家學(xué)者的關(guān)注，關(guān)于水冷壁復(fù)合無損檢測的研究也逐漸出現(xiàn)，但大都集中于整個系統(tǒng)的構(gòu)建和設(shè)計，很少有人專門針對無損檢測傳感器參數(shù)選擇及優(yōu)化進行研究[12]。

該文在前人研究理論和經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合電磁超聲、漏磁以及脈沖渦流相關(guān)理論，設(shè)計水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器，并對傳感器參數(shù)選擇進行了探討，獲得各方面的最佳參數(shù)，能為提升磁聲復(fù)合檢測系統(tǒng)工作性能提供借鑒。

1 水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器設(shè)計方案及模型搭建

1.1 傳感器布置方案

該文設(shè)計的電站鍋爐水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器包括銜鐵、永磁體、調(diào)節(jié)螺柱、弧形壓塊和安裝板等主要部件?；⌒螇簤K位于兩個永磁體之間，通過調(diào)節(jié)螺柱安裝在銜鐵的正下方，并在彈簧彈力作用下與水冷管壁相貼附，霍爾元件沿弧形壓塊四周均勻分布。線圈工作模式為外圈發(fā)射內(nèi)圈接收形式，線圈的激勵信號工作頻率大小為4 MHz，磁路的具體尺寸見表1。

表1 磁路具體尺寸

該傳感器的工作原理為：通過磁路激發(fā)出水平磁場進行漏磁檢測，在脈沖磁場和水平靜磁場共同作用下，進行脈沖渦流檢測，脈沖渦流磁場和水平靜磁場共同作用下，產(chǎn)生超聲波，進行超聲檢測。

圖1 電站鍋爐水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器布置方案

1.2 有限元分析模型

采用ANSYS有限元軟件建立仿真模型，見圖2。模型銜鐵和極靴材料為電工純鐵，相對磁導(dǎo)率ur=500,永磁體材料為N48型釹鐵硼，剩余磁通密度Br/T=1.220 3，矯頑力Hcb/(kA/m-1)=926 000，空氣的相對磁導(dǎo)率ur=1.0,水冷管壁的材料為鋼材20 g。

圖2 有限元分析模型

2 電站鍋爐水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器參數(shù)優(yōu)選

2.1 最佳磁場工作點

對漏磁場、電磁超聲(EMAT)以及脈沖渦流(PECT)在不同磁場強度下的磁場信號強度變化特征進行了模擬分析，結(jié)果見圖3。從圖中可以看到：隨著磁場強度的逐漸增大，漏磁場信號強度相對變化率呈先增大后減小的變化特征；當磁場強度小于5 kA/m時，漏磁場相對變化率增長幅度較快，當磁場強度為5～15 kA/m時，漏磁場相對變化率增長幅度變緩，并在15 kA/m時達到峰值5.65倍，當磁場強度超過15 kA/m后，漏磁場相對變化率又呈逐漸降低趨勢，因此，從提升漏磁信號強度來講，漏磁檢測的最佳磁場強度設(shè)置為15 kA/m。

圖3 信號強度隨磁場強度的變化關(guān)系

電磁超聲和脈沖渦流檢測均與水平靜磁場的強度有關(guān)。隨著水平靜磁場強度的增大，EMAT的歸一化信號強度呈先增大后減小變化趨勢，當磁場強度為28 kA/m時，歸一化信號強度達到峰值0.904；而PECT信號相對變化率隨磁場強度的增大而逐漸增大，當磁場強度小于24 kA/m時，增長幅度較快，當磁場強度大于24 kA/m時，增長幅度較為緩慢；綜上，為了使電磁超聲和脈沖渦流檢測達到最佳工作狀態(tài)，講水平靜磁場強度設(shè)置為28 kA/m。

2.2 線圈直徑

不同發(fā)射和接收線圈直徑的信號強度變化特征見圖4。從圖4中可以看到：相同線圈直徑下，隨著線圈匝數(shù)的增加，信號強度均呈逐漸增大趨勢，但增長幅度逐漸減緩；在相同線圈直徑下，發(fā)射線圈的信號強度隨線圈直徑的增大而增大，接收線圈的信號強度隨線圈直徑的增大而減小。這是因為在發(fā)射過程中，線圈匝數(shù)一定時，線徑越大，產(chǎn)生的阻抗越小，線圈內(nèi)部的電流越大，則試件表面所能感應(yīng)交變渦流場強度越強，而接收過程而發(fā)射逆過程，主要為感應(yīng)電壓信號，阻抗越大時，感應(yīng)電壓越大，所對應(yīng)的信號強度也越強；因此，在保證沖渦流檢測靈敏度的前提下，發(fā)射線圈直徑越大越好，接收線圈直徑越小越好，綜合生產(chǎn)實踐和檢測性能，最終確定發(fā)射圈的線圈直徑為0.08 mm，接收線圈的線圈直徑為0.05 mm。

圖4 不同線圈直徑信號強度變化趨勢

2.3 線圈匝數(shù)

確定發(fā)射和接收線圈的直徑后，需要對線圈匝數(shù)進行確認，從上文分析可知，線圈直徑一定的情況下，信號強度隨著線圈匝數(shù)的增加而逐漸增大，但是增長幅度在逐漸減小，從變化趨勢來看，當圈數(shù)為25匝時，信號強度相對變化量趨于平緩，因此在25匝基礎(chǔ)上設(shè)計(發(fā)射圈數(shù)，接收圈數(shù))=(30,20)、(25,25)和(20,30)三組工況，進行信號強度、渦流密度、聲場指向角和主旁瓣比值分析，見圖5。

圖5 最佳線圈匝數(shù)分析

從圖5中可以看到：在三組仿真試驗中，信號強度相對辯護率分別為82.3%、84.5%以及85.4%，而渦流密度值分別為6.69*109A/m3、6.54*109A/m3以及6.32*109A/m3。從信號強度來講，(20,30)實驗組最佳，從渦流密度值來看(30,20)實驗組最佳，由于聲場分布也是影響信號強度的重要，因此對聲場指向角和主旁瓣比值進行了模擬分析(線圈總匝數(shù)固定為40，發(fā)射圈從5增加至25)，從分析結(jié)果來看：隨著發(fā)射圈數(shù)量的逐漸增大，聲場指向角和主旁瓣比值均在逐漸增大，聲場指向角越大，表明聲場越不集中，信號強度越弱，主旁瓣比值越大，則表明對主瓣對旁瓣的抑制作用越明顯，聲場分布越好，因此，增加發(fā)射圈數(shù)量，實際起到雙重效果，發(fā)射圈數(shù)量過多或者過少均不利于聲場特性。但是，從影響幅度可以看出：當發(fā)射圈數(shù)量從5增加至25時，聲場指向角增幅達到50%，而主旁瓣比值僅僅增加8.3%，因此，發(fā)射線圈對聲場指向角的影響更大，故在實際運用中應(yīng)該選擇發(fā)射圈面積占總線圈面積的比值越小越好。綜上分析，最終確定發(fā)射圈最佳匝數(shù)為20，接收圈最佳匝數(shù)為30。

2.4 提離距離

漏磁檢測傳感器的漏磁信號強度以及震動引起信號相對變化量隨提離高度的變化特征見圖6。從圖6中可以看到：提離距離越遠，磁感應(yīng)強度越小，但震動時引起的信號相對變化量越小，越有利于檢測精度，因此，綜合考慮兩者性能，最終確定的磁敏元件最佳漏磁提離高度為3 mm。

圖6 漏磁提離距離對信號強度和磁感應(yīng)強度的影響

對于電磁超聲和脈沖渦流而言，其信號強度與提離距離成反比，即提離高度越小，信號強度越好，線圈應(yīng)盡可能地貼近被檢測試件的表面，才能獲得最大的回波信號，但是在實際檢測中，為了防止線圈發(fā)生磨損，在試件和線圈之間會增設(shè)耐磨片，耐磨片厚度一般為0.5 mm，故最終確定的電磁超聲和脈沖渦流線圈(復(fù)合檢測線圈)的最佳提離高度為0.5 mm。

3 實際應(yīng)用結(jié)果

對四組不同缺陷寬度和深度下的水冷壁管進行現(xiàn)場檢測試驗。(寬度，深度)分別為為A(5 mm，2 mm)、B(1 mm，3 mm)、C(3 mm，3 mm)以及D(3 mm,6 mm)缺陷構(gòu)造見圖7。以上文分析得到的電站鍋爐水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建磁聲復(fù)合檢測試驗系統(tǒng)，對四組缺陷進行檢測，檢測結(jié)果見表2。

圖7 缺陷構(gòu)造示意圖

從表2中可以看到：在四組不同缺陷檢測中，寬度誤差均小于5%，最大誤差僅為3.7%，平均誤差為2.3%；在深度檢測結(jié)果方面，當缺陷深度小于3 mm時，檢測誤差較小，均沒有超過5%，最大值誤差僅為3.7%，當深度超過3 mm時，誤差有所增大，但仍未超過10%，四組缺陷深度的檢測平均誤差為4.75%，可見，基于文中提出的水冷壁磁聲復(fù)合檢測技術(shù)具有較高的檢測精度，實際運用效果良好，可應(yīng)用于電站運營現(xiàn)場。

表2 缺陷檢測結(jié)果

4 結(jié)論

基于漏磁、電磁超聲以及脈沖渦流檢測原理，構(gòu)建電站水冷壁磁聲復(fù)合檢測傳感器，其工作模式為外圈發(fā)射內(nèi)圈接收形式，線圈的激勵信號工作頻率大小為4 MHz。

根據(jù)仿真模擬結(jié)果，確認磁聲復(fù)合傳感器的最佳工作漏磁強度為15 kA/m，最佳電磁超聲和脈沖渦流磁場強度為28 kA/m；發(fā)射線圈采用20匝直徑為0.08 mm的線圈最為合理，接收線圈采用30匝直徑為0.05 mm的線圈最為合理；磁敏元件的最佳提離高度為3 mm，復(fù)合檢測線圈的最佳提離高度為0.5 mm。

采用磁聲復(fù)合檢測系統(tǒng)對不同寬度和深度的水冷壁缺陷進行檢測，其寬度檢測平均誤差為2.3%，深度平均檢測誤差為4.75%，當缺陷深度小于3 mm，表明該磁聲復(fù)合檢測傳感器具有較高的檢測精度，可在生產(chǎn)實踐中普及運用。