換熱管渦流檢測(cè)頻率選取分析研究

閆 河 邢 述

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

換熱器是化工廠的主要設(shè)備之一，其中換熱器管子的失效會(huì)造成換熱器管殼程介質(zhì)混合、換熱效果受影響、介質(zhì)污染、腐蝕加劇等后果［1］。換熱器是由殼體和換熱管組成，其中換熱管的材質(zhì)、參與熱量交換的介質(zhì)以及換熱器的操作工況是導(dǎo)致?lián)Q熱管失效的主要影響因素，換熱管長期處于腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生腐蝕［2］，也有可能造成疲勞損傷等失效情況。因此，換熱管的失效是引起換熱器失效的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)6家大型石油化工企業(yè)每年有上百臺(tái)的換熱器中換熱管存在腐蝕穿孔、開裂等缺陷，導(dǎo)致?lián)Q熱器無法繼續(xù)使用。換熱管一旦失效將直接引起管殼程介質(zhì)的混合，換熱功能失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起重特大安全事故，造成人員傷亡，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，也為社會(huì)帶來極大的隱患。因此，對(duì)換熱管采取快速有效的檢測(cè)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷、準(zhǔn)確定位并快速修復(fù)，可極大提升換熱設(shè)備的長周期運(yùn)行。

目前，換熱管檢測(cè)可采用導(dǎo)波、旋轉(zhuǎn)超聲、渦流、漏磁等檢測(cè)技術(shù)。其中，旋轉(zhuǎn)超聲檢測(cè)技術(shù)利用高頻超聲波探頭，提高對(duì)缺陷的分辨力，能對(duì)壁厚減薄類缺陷進(jìn)行尺寸測(cè)量，并且利用探頭旋轉(zhuǎn)特性對(duì)缺陷進(jìn)行定位［3］；渦流檢測(cè)是換熱管檢測(cè)中最常用的檢測(cè)方法，是一種建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的無損檢測(cè)方法［4］，被廣泛地應(yīng)用于各種金屬材料工件的檢測(cè)中［5］，其原理為交變電流通過導(dǎo)線產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而交變感應(yīng)電流在導(dǎo)線截面分布不均勻，表面的電流密度大、中心電流密度小，尤其是當(dāng)交變電流頻率較高時(shí)，感應(yīng)電流幾乎是在導(dǎo)線表面附近的薄層流動(dòng)，感應(yīng)電流的透入深度與交流電流的頻率的關(guān)系見式（1）。因此，實(shí)施渦流檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)頻率的選擇將對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生直接影響。

式中：

f——交流電流的頻率；

μ——材料的磁導(dǎo)率；

σ——材料的電導(dǎo)率。

本文選取20號(hào)和304兩種不同材質(zhì)，規(guī)格分別為25 mm×2.0 mm和19 mm×2.0 mm，并分別選取2種不同的檢測(cè)頻率進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，分析不同頻率下各缺陷的幅值與相位變化來研究換熱管缺陷與所選檢測(cè)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出相應(yīng)的頻率選取原則，提高換熱管檢測(cè)效率和精度，實(shí)施快速維修，保障換熱設(shè)備長周期運(yùn)行。

1 測(cè)試對(duì)象及檢測(cè)儀器

1.1 測(cè)試對(duì)象1

材 質(zhì)：20號(hào) 鋼。規(guī) 格：φ25 mm×2.0 mm。5種缺陷類型分別為：1）槽寬為3.2 mm，槽深為壁厚20%的窄外環(huán)槽；2）4個(gè)外壁面平底孔，孔徑為4.8 mm，深度為壁厚20%；3）深度為壁厚50%的單邊缺陷；4）φ5 mm通孔；5）φ2.5 mm通孔。

1.2 測(cè)試對(duì)象2

材質(zhì)：304。規(guī)格：φ19 mm×2.0 mm。7種缺陷類型分別為：1）φ1.3 mm通孔；2）孔徑為2.0 mm，深度為壁厚80%的平底孔；3）孔徑為2.8 mm，深度為壁厚60%的平底孔；4）孔徑為4.8 mm，深度為壁厚40%的平底孔；5）4個(gè)外壁面平底孔，孔徑為4.8 mm，深度為壁厚20%；6）槽寬為3.2 mm，深度為壁厚20%的窄外環(huán)槽；7）槽寬為1.6 mm，深度為壁厚10%的內(nèi)壁環(huán)槽。

1.3 檢測(cè)儀器

EEC－39RFT車頻遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀，探頭規(guī)格為單激勵(lì)RFT19（外徑為19 mm）和單激勵(lì)ET13.5（外徑為13.5 mm）2種。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)1

采用EEC－39RFT車頻遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀及直徑為19 mm的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)探頭RFT19，按遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)測(cè)試方法設(shè)定檢測(cè)儀器，通過對(duì)比樣管進(jìn)行標(biāo)定，并將φ5 mm通孔相位調(diào)整到90°、幅值調(diào)整到滿屏的80%為宜。

采用標(biāo)定的頻率對(duì)測(cè)試樣管進(jìn)行測(cè)試，記錄不同頻率測(cè)試樣管中各缺陷的相位和幅值。

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)2

采用EEC－39RFT車頻遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)儀及直徑為13.5 mm的渦流檢測(cè)探頭ET13.5，按渦流檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)測(cè)試方法設(shè)定檢測(cè)儀器，通過對(duì)比樣管進(jìn)行標(biāo)定，并將通孔的相位調(diào)整到40°、幅值調(diào)整到滿屏的80%為宜。

采用標(biāo)定的頻率對(duì)測(cè)試樣管進(jìn)行測(cè)試，記錄不同頻率測(cè)試樣管中各缺陷的相位和幅值。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 鐵磁性材料的標(biāo)定方法及測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)比對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案1，在不同頻率標(biāo)定下對(duì)測(cè)試樣管進(jìn)行測(cè)試，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果見圖1～圖7。

圖1 2種頻率對(duì)應(yīng)的20%窄外環(huán)槽檢測(cè)結(jié)果圖

圖1 2種頻率對(duì)應(yīng)的20%窄外環(huán)槽檢測(cè)結(jié)果圖（續(xù)）

圖2 2種頻率對(duì)應(yīng)的4×20%平底孔檢測(cè)結(jié)果圖

圖3 2種頻率對(duì)應(yīng)的深50%的單邊缺陷檢測(cè)結(jié)果圖

圖4 2種頻率對(duì)應(yīng)的φ5 mm通孔檢測(cè)結(jié)果圖

圖4 2種頻率對(duì)應(yīng)的φ5 mm通孔檢測(cè)結(jié)果圖（續(xù)）

圖5 2種頻率對(duì)應(yīng)的φ2.5 mm通孔檢測(cè)結(jié)果圖

圖6 2種頻率下幅值顯示結(jié)果圖

圖7 2種頻率下相位顯示結(jié)果圖

3.2 鐵磁性材質(zhì)測(cè)試結(jié)果分析

1）根據(jù)NB/T 47013.6—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第6部分：渦流檢測(cè)》規(guī)定，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的對(duì)比樣管通孔直徑為壁厚的1.25倍，本樣管的規(guī)格為φ25 mm×2.0 mm，通孔的直徑理論上應(yīng)為2.5 mm，可實(shí)際在檢測(cè)調(diào)整儀器靈敏度時(shí)，頻率為473 Hz的探頭無法識(shí)別這一通孔，無法通過這一個(gè)通孔進(jìn)行標(biāo)定后測(cè)試，故采用φ5 mm通孔標(biāo)定后檢測(cè)；

2）由圖5可知，選擇合適的檢測(cè)頻率可有效識(shí)別各種缺陷；

3）由圖6中不同頻率下幅值顯示結(jié)果可知，對(duì)于點(diǎn)缺陷，頻率越低其幅值越高；對(duì)于面缺陷，頻率越低幅值越低；

4）由圖7可知，不同頻率對(duì)缺陷相位的影響不明顯。

3.3 非鐵磁性材料的標(biāo)定方法及測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)比對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案2，在不同頻率標(biāo)定下對(duì)測(cè)試樣管進(jìn)行測(cè)試，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果見圖8～圖16。

圖8 2種頻率對(duì)φ1.3 mm通孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖9 2種頻率對(duì)20%窄外環(huán)槽缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖9 2種頻率對(duì)20%窄外環(huán)槽缺陷的檢測(cè)結(jié)果（續(xù)）

圖10 2種頻率對(duì)4×20%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖11 2種頻率對(duì)深80%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖12 2種頻率對(duì)深60%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖12 2種頻率對(duì)深60%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果（續(xù)）

圖13 2種頻率對(duì)深40%平底孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖14 2種頻率對(duì)深10%內(nèi)環(huán)槽缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖15 2種頻率下幅值顯示結(jié)果圖

圖16 2種頻率下相位顯示結(jié)果圖

3.4 非鐵磁性材質(zhì)測(cè)試結(jié)果分析

1）由圖8～圖15可知，內(nèi)部缺陷的幅值信號(hào)遠(yuǎn)高于外部缺陷的幅值信號(hào)；

2）由圖15和圖16可知，2種檢測(cè)頻率均可以有效識(shí)別樣管上的各缺陷，但檢測(cè)結(jié)果有所差異，從7種缺陷的幅值信號(hào)（如圖15所示）來看，外缺陷采用低檢測(cè)頻率的缺陷幅值信號(hào)高于采用高檢測(cè)頻率的缺陷幅值信號(hào)，內(nèi)缺陷采用低檢測(cè)頻率的缺陷幅值信號(hào)低于采用高檢測(cè)頻率的缺陷幅值信號(hào)；從7種缺陷的相位（如圖16所示）來看，外缺陷采用高檢測(cè)頻率的缺陷相位信號(hào)高于采用低檢測(cè)頻率的缺陷相位信號(hào)，內(nèi)缺陷采用高檢測(cè)頻率的缺陷相位信號(hào)低于采用低檢測(cè)頻率的缺陷相位信號(hào)。

4 結(jié)論

1）鐵磁性材質(zhì)，檢測(cè)頻率的選擇直接影響缺陷的檢出率，頻率越高檢出率越低；

2）鐵磁性材質(zhì)，點(diǎn)缺陷幅值信號(hào)對(duì)低檢測(cè)頻率的敏感性高，面缺陷幅值信號(hào)對(duì)高檢測(cè)頻率的敏感性高；

3）非鐵磁性材質(zhì)，外部缺陷幅值信號(hào)對(duì)低檢測(cè)頻率的敏感性高，內(nèi)部缺陷幅值信號(hào)對(duì)高檢測(cè)頻率的敏感性高；而外缺陷相位信號(hào)對(duì)高檢測(cè)頻率的敏感性高，內(nèi)部缺陷相位信號(hào)對(duì)低檢測(cè)頻率的敏感性高。