螺旋管換熱器無纜內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)研究

楊成浩，韓贊東,2，歐正宇，董仕豪

(1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084；2.摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

螺旋管換熱器具有傳熱系數(shù)大、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)[1-3]，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力等領(lǐng)域。換熱器長期處于高溫高壓的工作環(huán)境中且所處環(huán)境常具有腐蝕性，容易產(chǎn)生腐蝕開裂等缺陷，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器失效。因此，在使用過程中需要定期對(duì)換熱器進(jìn)行檢測(cè)，保證設(shè)備運(yùn)行過程的安全性[4-5]。

由于螺旋管換熱器可以通過自由形變消除工作中因溫度產(chǎn)生的應(yīng)力，減緩傳熱惡化的發(fā)生，快中子反應(yīng)堆、高溫氣冷堆等核電站堆型廣泛采用螺旋管換熱器作為其蒸汽發(fā)生器。國內(nèi)外研究人員采用多種方法對(duì)螺旋管換熱器進(jìn)行檢測(cè)。Y. Inagaki等[6]使用帶纜渦流檢測(cè)方法對(duì)高溫氣冷堆換熱器進(jìn)行檢測(cè)，但是由于線纜阻力，檢測(cè)速度不穩(wěn)定；W. S. Singh等[7]采用交流磁化的方法，使用多通道巨磁阻傳感器對(duì)快中子反應(yīng)堆換熱器進(jìn)行漏磁檢測(cè)，能夠檢測(cè)出直徑1.1 mm通孔缺陷；袁驪等[8]使用聲脈沖和超聲脈沖檢測(cè)技術(shù)對(duì)高溫氣冷堆換熱器進(jìn)行檢測(cè)，能夠檢測(cè)出外徑磨損、內(nèi)外徑點(diǎn)蝕等缺陷，但是有效檢測(cè)距離有限；Y. Zhao等[9]設(shè)計(jì)渦流陣列探頭對(duì)小直徑聚變裝置管道進(jìn)行檢測(cè)，降低了抖動(dòng)噪聲對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響，提高了管道對(duì)不同方向內(nèi)外壁缺陷的檢測(cè)靈敏度。其中渦流檢測(cè)具有檢測(cè)材料范圍廣泛、靈敏度高、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適合于螺旋管換熱器的檢測(cè)[10-13]。

換熱器檢測(cè)通常使用帶纜渦流檢測(cè)的方法，然而電纜在螺旋管中受到的摩擦阻力較大，電纜和管道容易發(fā)生自鎖導(dǎo)致檢測(cè)探頭無法穿過管道，因此該方法難以對(duì)直徑小、圈數(shù)多的螺旋管進(jìn)行檢測(cè)。石島灣高溫氣冷堆核電站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，高溫氣冷堆的直流蒸汽發(fā)生器采用了螺旋管換熱器，但目前尚無有效的檢測(cè)方法對(duì)該螺旋管換熱器進(jìn)行檢測(cè)[14-17]。

本文以石島灣高溫氣冷堆核電站螺旋管換熱器為研究對(duì)象，采用渦流檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了螺旋管換熱器無纜內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)使用電池供電，檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)系統(tǒng)穿過管道后，通過上位機(jī)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通過有限元仿真的方法，建立管道和檢測(cè)探頭仿真模型，提高檢測(cè)探頭的靈敏度。制作人工缺陷管道，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的可行性。

1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石島灣核電站蒸汽發(fā)生器由多根螺旋管分層盤繞組成，單根螺旋管外徑19 mm、壁厚3 mm，長度約為70 m。本文設(shè)計(jì)的螺旋管換熱器無纜內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了保證檢測(cè)系統(tǒng)在螺旋管中的通過性，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，檢測(cè)系統(tǒng)按照功能劃分為不同的模塊，模塊之間通過線纜連接。檢測(cè)系統(tǒng)由電池、電壓轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊、渦流探頭、激勵(lì)模塊和控制模塊組成。檢測(cè)系統(tǒng)采用液體或氣體驅(qū)動(dòng)，使用水泵或氣泵輸出液體或氣體推動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)穿過螺旋管，檢測(cè)信號(hào)存儲(chǔ)在檢測(cè)系統(tǒng)中，等待檢測(cè)完成后，上位機(jī)讀取檢測(cè)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 無纜內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)系統(tǒng)使用鋰電池供電，鋰電池具有能量密度高、功率高的優(yōu)點(diǎn)，可以為檢測(cè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，同時(shí)降低檢測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量。電壓轉(zhuǎn)換模塊使用線性降壓芯片LT1763和Cuk斬波芯片LM2611，將鋰電池輸出電壓轉(zhuǎn)換為供電電壓±5 V，電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出的最大電流為500 mA，為檢測(cè)系統(tǒng)的其他模塊提供供電電壓。

檢測(cè)系統(tǒng)控制原理如圖2所示?？刂颇K使用STM32單片機(jī)控制DDS芯片AD9837產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號(hào)。DDS芯片AD9837包括相位累加器、正弦數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表和10位分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在外部4 MHz有源晶振的驅(qū)動(dòng)下，通過相位累加器查詢對(duì)應(yīng)的正弦數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表中的幅度信號(hào)，通過DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出。激勵(lì)模塊使用功率放大芯片OPA2613對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)加載到渦流探頭上，渦流探頭采用內(nèi)穿過式差分探頭。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)控制原理圖

在渦流探頭穿過管道的過程中，當(dāng)渦流探頭經(jīng)過管道中的缺陷時(shí)，渦流探頭其中一個(gè)線圈的電感發(fā)生改變，產(chǎn)生差分信號(hào)，通過交流電橋?qū)Σ罘中盘?hào)進(jìn)行提取，交流電橋輸出的信號(hào)通過差動(dòng)放大器進(jìn)行一級(jí)放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過相敏檢波電路得到檢波信號(hào)，檢波后的信號(hào)經(jīng)過帶通濾波，濾波后的信號(hào)經(jīng)過二級(jí)放大得到輸出的檢測(cè)信號(hào)。輸出的檢測(cè)信號(hào)電壓范圍為-5～5 V，通過電壓調(diào)理電路將信號(hào)電壓范圍調(diào)理為0～3.3 V，單片機(jī)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行AD采集。

檢測(cè)系統(tǒng)控制程序流程如圖3所示，檢測(cè)系統(tǒng)上電后，首先初始化檢測(cè)信號(hào)和編碼器信號(hào)，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行AD采集，當(dāng)AD采集的電壓超過設(shè)定的閾值電壓時(shí)，使用DMA將采集的檢測(cè)信號(hào)存儲(chǔ)至內(nèi)存緩沖區(qū)，同時(shí)根據(jù)編碼器信號(hào)得到檢測(cè)系統(tǒng)在管道中的位置，確定缺陷所在的位置，等待內(nèi)存緩沖區(qū)寫滿后，將檢測(cè)數(shù)據(jù)和位置信號(hào)寫入FLASH芯片，檢測(cè)系統(tǒng)穿過管道后，檢測(cè)系統(tǒng)斷電完成檢測(cè)。檢測(cè)過程結(jié)束后，上位機(jī)通過串口連接到檢測(cè)系統(tǒng)，讀取存儲(chǔ)在FLASH芯片上的檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)確定缺陷檢測(cè)結(jié)果。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)控制程序流程圖

2 有限元仿真

通過有限元仿真的方法，可以對(duì)渦流檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行模擬，分析仿真結(jié)果可以優(yōu)化檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度。渦流檢測(cè)的頻率影響檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)深度，渦流探頭的尺寸改變導(dǎo)致產(chǎn)生的磁場分布不同，從而影響檢測(cè)靈敏度。通過分析仿真結(jié)果選擇合適的檢測(cè)頻率，優(yōu)化渦流探頭的尺寸設(shè)計(jì)。

2.1 仿真模型參數(shù)

使用ANSYS Maxwell軟件建立有限元仿真的三維模型，仿真模型如圖4所示。待測(cè)管道外徑19 mm、壁厚3 mm，材料為304不銹鋼。檢測(cè)線圈1和檢測(cè)線圈2尺寸為外徑D=12 mm，內(nèi)徑d=8 mm，寬度L=3 mm，線圈材料為銅，檢測(cè)線圈纏繞在鐵氧體骨架上。檢測(cè)線圈匝數(shù)為200匝，單匝線圈電流為100 mA。待測(cè)管道上的缺陷為直徑1 mm的通孔缺陷，缺陷位于檢測(cè)線圈1上方。

圖4 有限元仿真模型

檢測(cè)頻率為100 kHz時(shí)，待測(cè)管道軸向橫截面處(yz平面)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖5所示。從圖5可以看出，檢測(cè)線圈1位于通孔缺陷所在位置，待測(cè)管道在缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)于沒有缺陷處的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生明顯的變化，待測(cè)管道的磁場同時(shí)也作用在檢測(cè)線圈上，從而區(qū)分出待測(cè)管道上的缺陷。

圖5 待測(cè)管道磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

2.2 仿真結(jié)果分析

檢測(cè)線圈的電流在待測(cè)管道中產(chǎn)生磁場，待測(cè)管道中的磁場受到缺陷的影響產(chǎn)生改變，本文主要研究待測(cè)管道內(nèi)表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。檢測(cè)線圈尺寸參數(shù)包括線圈寬度L、線圈的外徑D和內(nèi)徑d，通過分析不同線圈尺寸參數(shù)的仿真結(jié)果，優(yōu)化檢測(cè)線圈尺寸設(shè)計(jì)。

改變檢測(cè)線圈電流的激勵(lì)頻率，激勵(lì)頻率變化范圍為10～130 kHz，直線A處(坐標(biāo)z=6.5 mm)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化如圖6所示。從圖6可以看出，隨著檢測(cè)頻率的增加，待測(cè)管道內(nèi)表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度在C1和C2處的差值增大，檢測(cè)靈敏度提高。但是在檢測(cè)頻率較高的情況下，檢測(cè)靈敏度提高有限，同時(shí)由于檢測(cè)頻率增加會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)深度降低，對(duì)于通孔缺陷選擇合適的檢測(cè)信號(hào)激勵(lì)頻率為100 kHz。

圖6 管道內(nèi)表面磁感應(yīng)強(qiáng)度隨頻率變化圖

改變檢測(cè)線圈的寬度L，線圈寬度變化范圍為1～3 mm，保持檢測(cè)線圈的電流密度不變，直線A處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化如圖7所示。從圖7可以看出，隨著檢測(cè)線圈寬度增大，待測(cè)管道內(nèi)表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度在C1和C2處的差值增大，檢測(cè)靈敏度提高。由于內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)需要穿過螺旋管，設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)寬度不宜過大，因此可以選擇線圈寬度L=3 mm。

圖7 管道內(nèi)表面磁感應(yīng)強(qiáng)度隨線圈寬度變化圖

改變檢測(cè)線圈的外徑D和內(nèi)徑d，線圈的提離距離發(fā)生變化，線圈外徑變化范圍為9～12 mm，保持檢測(cè)線圈的內(nèi)外徑差值為4 mm，直線A處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化如圖8所示。從圖8可以看出，隨著檢測(cè)線圈內(nèi)外徑增大，提離距離減小，管道內(nèi)表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度在C1和C2處的差值增大，但是磁感應(yīng)強(qiáng)度差值增大不明顯，并且提離距離減小會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)線圈在管道中的通過性變差，因此實(shí)驗(yàn)中使用的檢測(cè)線圈外徑D=12 mm，內(nèi)徑d=8 mm。

圖8 管道內(nèi)表面磁感應(yīng)強(qiáng)度隨線圈直徑變化圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示，檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊分別安裝在圓柱體外殼中，模塊之間通過線纜連接。外殼采用硅橡膠材料，可以減少檢測(cè)系統(tǒng)在管道中受到的阻力，模塊連接處可以產(chǎn)生自由變形，提高檢測(cè)系統(tǒng)在管道中的通過性。檢測(cè)系統(tǒng)整體尺寸為直徑11 mm，總長度370 mm。

圖9 無纜內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

為了驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力和通過性，在外徑19 mm、壁厚3 mm的管道上加工缺陷。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中使用的管道材料為304不銹鋼，人工缺陷管道上的缺陷如圖10和表1所示，缺陷類型包括通孔和外壁刻槽。

圖10 人工缺陷管道

表1 直管缺陷類型和尺寸

人工缺陷管道的檢測(cè)結(jié)果如圖11所示，圖11所示的5個(gè)缺陷信號(hào)電壓均超過設(shè)定的閾值電壓，說明設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)出管道中的缺陷，滿足檢測(cè)要求。檢測(cè)電壓峰峰值反映了檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)該缺陷的檢測(cè)能力。分析不同尺寸的缺陷對(duì)檢測(cè)電壓的影響，對(duì)于通孔缺陷B、C、D，在缺陷尺寸減小時(shí)，檢測(cè)電壓減小，說明缺陷尺寸減小時(shí)檢測(cè)能力減弱。分析不同深度的缺陷對(duì)檢測(cè)電壓的影響，缺陷A、E為外壁橫向刻槽缺陷，雖然缺陷A尺寸小于缺陷E尺寸，但是缺陷A深度超過缺陷E深度，檢測(cè)電壓較大，檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)深度較深的缺陷檢測(cè)靈敏度較高。

螺旋管換熱器檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖12所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括待測(cè)管道、檢測(cè)系統(tǒng)、氣壓閥、緩沖裝置。圖12中所示的待測(cè)螺旋管外徑19 mm、壁厚3 mm，螺旋直徑300 mm，材料為304不銹鋼。檢測(cè)系統(tǒng)可以使用液體或氣體驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)過程中采用氣體驅(qū)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在螺旋管中運(yùn)動(dòng)，氣泵輸出的氣體通過氣壓閥減壓到合適的驅(qū)動(dòng)氣壓，輸出的氣體驅(qū)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)穿過待測(cè)管道。檢測(cè)系統(tǒng)在螺旋管中運(yùn)動(dòng)的平均速度為5 m/s，可以實(shí)現(xiàn)螺旋管快速檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)穿過待測(cè)管道后，通過緩沖裝置回收檢測(cè)系統(tǒng)。等待檢測(cè)完成后，上位機(jī)通過串口讀取存儲(chǔ)在檢測(cè)系統(tǒng)中的檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過分析檢測(cè)數(shù)據(jù)得到螺旋管換熱器的檢測(cè)結(jié)果。

圖12 螺旋管檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置

螺旋管上加工的缺陷如表2所示，包括直徑1.0～1.4 mm的通孔缺陷。螺旋管檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖13所示，缺陷信號(hào)電壓均超過設(shè)定的閾值電壓，檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)螺旋管換熱器的檢測(cè)。

表2 螺旋管缺陷類型和尺寸

圖13 螺旋管檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了螺旋管換熱器無纜內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)，使用氣體驅(qū)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)穿過螺旋管，檢測(cè)系統(tǒng)穿過管道后，通過上位機(jī)讀取檢測(cè)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，克服了帶纜渦流檢測(cè)在螺旋管中通過性差的問題。通過有限元仿真的方法，針對(duì)外徑19 mm、壁厚3 mm的待測(cè)管道，選擇合適的檢測(cè)頻率，優(yōu)化檢測(cè)線圈尺寸參數(shù)，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。利用搭建的螺旋管檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人工缺陷管道的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)出通孔和外壁刻槽缺陷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋管的檢測(cè)。

檢測(cè)系統(tǒng)在螺旋管中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到振動(dòng)等因素的影響，產(chǎn)生的噪聲影響了檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)微小缺陷檢測(cè)的靈敏度，后續(xù)研究將從信號(hào)處理的方向?qū)z測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)微小缺陷檢測(cè)的靈敏度。