基于電磁渦流檢測的遠洋船舶冷水機組探傷檢測與優(yōu)化管理

摘要：為保障遠洋船舶冷水機組正常運行，采用渦流探傷檢測對冷水機組冷凝器銅管的損傷原因進行研究。分析了電磁渦流探傷的原理及方法，結(jié)合遠洋船舶周邊的環(huán)境特點，制定了螺桿機組電磁渦流檢測流程及方案；最后，對機組中冷凝器探傷結(jié)果進行分類統(tǒng)計，分析其損傷原因，并給出優(yōu)化改進方案。

關(guān)鍵詞：遠洋船舶；冷凝器；渦流探傷；優(yōu)化改進

中圖分類號：U664.5 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0053-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.015

0 " "引言

近年來，某型遠洋船舶出航呈“三高”態(tài)勢，對遠洋船舶空調(diào)冷水機組穩(wěn)定可靠運行提出了更高的要求。某型遠洋船舶空調(diào)系統(tǒng)冷卻裝置均采用丹麥Sabroe制冷公司生產(chǎn)的SAB 128/SAB 163型冷水機組。從出廠至今10余年間，該遠洋船舶冷水機組多次出現(xiàn)不同程度的冷凝器管路腐蝕，造成冷凝器制冷劑泄漏，導(dǎo)致冷水機組無法運行，若無法及時修復(fù)，將嚴重影響船舶行動計劃。電磁渦流檢測是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一[1-3]，為了消除遠洋船舶冷水機組運行中的隱患，本文結(jié)合電磁渦流探傷技術(shù)，制定了遠洋船舶冷水機組電磁渦流檢測流程，建立了檢測方案，對冷凝器銅管的損傷情況進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果，分析冷凝器銅管的損傷原因，制定相應(yīng)的優(yōu)化改進方案，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，降低機組運行風險。

1 " "電磁渦流檢測原理及方法

1.1 " "檢測原理

電磁渦流檢測的理論基礎(chǔ)是電磁感應(yīng)。在探頭的激勵線圈中通以高頻交變電流，在附近的被測管壁中就會感應(yīng)出渦流，冷凝器銅管的幾何缺陷、電磁異常和尺寸變化等因素都將影響管內(nèi)的渦流，而渦流的變化又使檢測線圈的阻抗或感應(yīng)電壓產(chǎn)生變化，從而得到關(guān)于缺陷的信號，根據(jù)此信號的幅值和相位的改變，即可得出冷凝器銅管的尺寸及缺陷情況[4-5]。

在檢測中，將檢測到的缺陷信號相位角與標準曲線對照，即可判定缺陷的相對情況，缺陷位置與信號相位角關(guān)系曲線如圖1所示。缺陷位置是內(nèi)壁還是外壁須通過相位角來確定，通孔缺陷信號相位角為40°，相位角小于40°為內(nèi)壁損傷，此時相位角越大，缺陷深度越大；相位角大于40°則為外壁損傷，此時相位角越大，缺陷深度越小。不同缺陷深度對應(yīng)的電磁渦流探傷檢測波形如圖2所示。

1.2 " "檢測方案

在對SAB螺桿機組銅管進行渦流檢測之前，必須預(yù)先制作與被檢管具有相同或相近的規(guī)格牌號、熱處理狀態(tài)、表面狀態(tài)和電磁性能的標準樣管，冷凝器銅管樣管圖如圖3所示。用制作好的標準樣管來調(diào)節(jié)渦流儀器的檢測靈敏度并確定評定標準。檢測前可根據(jù)渦流滲透深度公式進行檢測頻率預(yù)選，再對已加工好的標準樣管進行測試，進一步修正參數(shù)，最后找出頻率、相位、增益等參數(shù)的最佳值。在最佳情況下，取得標準樣管上人工缺陷的幅度、相位及深度等參數(shù)，并以這些參數(shù)作為檢測標準對待檢的銅管進行實際檢測。

現(xiàn)場檢測人員包括檢測組和綜合協(xié)調(diào)組兩組成員，兩組成員在檢測前、檢測中和檢測后均需要保持溝通協(xié)調(diào)，確保電磁渦流探傷檢測步調(diào)一致。檢測組在檢測開始前需要制作標準樣管、檢測所需的探頭、機組管版圖、標定曲線等；檢測過程中需要采集數(shù)據(jù)，判斷可疑點，并對可疑點進行復(fù)測，同時根據(jù)需要進行機組冷凝器銅管檢漏工作；檢測完成后，檢測組對測試的數(shù)據(jù)進行分析并出具檢測報告。

綜合協(xié)調(diào)組為配合檢測組工作，在檢測開始前需要拆除冷凝器兩邊端蓋、清潔并吹干冷凝器銅管，并預(yù)備一些渦流探傷檢測的必需物資；檢測過程中綜合協(xié)調(diào)組應(yīng)委派專職人員配合檢測組檢測；檢測完成后，安裝冷凝器兩端蓋。

2 " "檢測結(jié)果與分析

遠洋船舶常年在海上航行，船體浸泡在海水中，SAB螺桿機組所處環(huán)境濕度較大，致使SAB螺桿機組冷凝器換熱管損傷主要是腐蝕損傷，如圖4所示。本文根據(jù)實際檢測情況，將冷凝器換熱管腐蝕損傷程度分為5個等級：嚴重損傷（紅色）、較重損傷（紫色）、一般損傷（黃色）、輕微損傷（藍色）和無明顯損傷（綠色）五類，如表1所示。

損傷程度的判定依據(jù)為損傷深度和損傷系數(shù)這兩個指標，根據(jù)檢測評估的保守原則，損傷程度評定時，選擇這兩個指標中相對較嚴重的情況作為評判標準[6]。

根據(jù)表1中的冷凝器換熱管損傷程度等級劃分標準，將六臺冷凝器換熱管的損傷檢測結(jié)果進行分類，結(jié)果如圖5所示，各類損傷程度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖6所示。

根據(jù)檢測結(jié)果分析可知，六臺冷水機組冷凝器銅管均出現(xiàn)了比較嚴重的損傷。從損傷換熱表面狀況來分析是海水腐蝕造成的，從腐蝕部位來看，相對比較集中，大部分位于距離冷凝器銅管管口5 cm以內(nèi)，且進口端腐蝕程度遠大于混合端，這就表明冷凝器銅管進口端受到了海水流速和泥沙的直接沖擊，產(chǎn)生的沖刷腐蝕嚴重。

3 " "優(yōu)化改進與使用管理

3.1 " "優(yōu)化方案的提出

為有效提升冷凝器銅管運行可靠性，根據(jù)冷凝器銅管電磁渦流探傷結(jié)果分析，給出以下三種行之有效的維護處理意見：

（1）更換損傷嚴重的冷凝器銅管；

（2）對冷凝器銅管管口腐蝕坑進行補焊修復(fù)；

（3）在冷凝器銅管進口端加裝5 cm長聚乙烯護套，套管正好能保護到腐蝕嚴重的部位，避免海水和泥沙沖刷影響。

對比三種方案：第一種方案，雖然能徹底解決銅管被腐蝕嚴重的問題，但是大面積更換冷凝器銅管，需花費大量人力、物力，而且大面積換銅管容易造成管板變形等情況，實施起來難度大；第二種方案，通過補焊雖然能及時修復(fù)腐蝕部位，但是從長遠看，修復(fù)部位受海水沖刷，還是會出現(xiàn)再次脫落的隱患，補焊修復(fù)后的銅管穩(wěn)定性不可預(yù)測；而第三種方案，加裝聚乙烯套管不僅能有效保護嚴重腐蝕部位，且材料常見，價格優(yōu)惠，加裝操作簡便。綜合以上考慮，在冷凝器銅管進口端加裝5 cm長聚乙烯護套這一優(yōu)化改進方案，經(jīng)濟性高，可操作性強。

3.2 " "優(yōu)化方案的可行性分析

雖然在冷凝器銅管進口端加裝5 cm長聚乙烯護套能有效保護冷凝器銅管管口不被海水沖刷腐蝕，但能否滿足冷凝器換熱要求還需進一步驗證。

某型遠洋船舶目前配備有540 kW冷水機組4臺、280 kW冷水機組2臺，按照實際使用情況，一般同時使用2臺540 kW冷水機組、1臺280 kW冷水機組，初步計算，遠洋船舶單臺機組的年實際使用時間在4 000 h以上。參照《制冷原理與設(shè)備》，臥式冷凝器設(shè)計參數(shù)選擇如表2所示。加裝聚乙烯護套后，只要冷凝器銅管內(nèi)的水流速小于2.4 m/s，即可滿足要求。

在工程上，為了簡化計算，通常把復(fù)雜的熱傳遞過程用一個總傳熱系數(shù)來表示，總熱傳系數(shù)的計算公式為：

K=

式中：K為總熱傳系數(shù)[W/（m2·℃）]；α0為管內(nèi)給熱系數(shù)[W/（m2·℃）]；δ為換熱管壁厚度（m）；λ為傳熱管導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m2·℃）]；A0/A1為管內(nèi)與管外表面積之比；R為污垢熱阻[W/（m2·℃）]；α1為管外給熱系數(shù)[W/（m2·℃）]。

熱傳系數(shù)K的大小與冷熱流體的流動情況，熱傳壁面的材料、形狀、尺寸等許多因素有關(guān)。K越大，表明換熱設(shè)備的熱傳導(dǎo)能力越強，傳熱效果越好。

熱交換器的換熱面積計算公式為：

A=Q/ΔTmΨK

式中：A為換熱面積（m2）；Q為換熱量（W）；ΔTm為熱交換器對數(shù)平均溫差（℃）；Ψ為溫度修正系數(shù)，一般應(yīng)不小于0.8；K為總熱傳系數(shù)[W/（m2·℃）]。

查詢708所提供的原始機組資料可知，機組熱負荷Qk=692 kW，冷卻水流量Gs=153.5 m3/h，流程數(shù)N=2，每流程管子數(shù)Z=162，散熱管管長L=2 340 mm，筒體外徑D外=450 mm，銅管內(nèi)徑d管=13 mm，水流速ω管=2.0 m/s。

而加裝的護套長度為5 cm，加裝護套總數(shù)為81。根據(jù)護套加裝情況，對相關(guān)參數(shù)進行修訂，護套內(nèi)水流速按ω護=2.4 m/s最低要求，代入上述公式進行計算，可以得出，加裝護套部位內(nèi)徑d護=10.58 mm，而原始銅管內(nèi)徑d管=13 mm，最終可以得到護套厚度為1.21 mm。

根據(jù)上述計算可以得出，只要在冷凝器銅管進口端加裝5 cm長聚乙烯護套的厚度小于1.21 mm，對機組換熱性能就沒有影響。

3.3 " "優(yōu)化方案的效用驗證

為進一步驗證冷凝器銅管加裝聚乙烯護套改進后的機組換熱量是否滿足實際工作所需，機組制冷性能是否處于正常范圍，對其中一臺普艙冷水機組冷凝器進口端加裝內(nèi)徑為11 mm、壁厚為1 mm、長為5 cm的護套，進行效用驗證。加裝后的效果圖如圖7所示。在同一外部環(huán)境、同等制冷量需求下，通過分別運行改進后的機組和原有機組，對比機組冷媒水出口溫度穩(wěn)定在7 ℃時機組負荷差異。

經(jīng)觀察，原有機組冷媒水出口溫度穩(wěn)定在7 ℃時，機組負荷穩(wěn)定在83%；而改進后的機組冷媒水出口溫度穩(wěn)定在7 ℃時，機組負荷穩(wěn)定在86%，如圖8所示。對比機組運行負荷可以看出，冷凝器銅管加裝聚乙烯護套改進后對機組整體換熱性能無影響，能夠滿足制冷要求。

經(jīng)過長達半年的效用試驗后，對加裝護套后的機組冷凝器進行拆檢，經(jīng)觀察，冷凝器銅管無明顯損傷部位，達到了預(yù)期目的。

3.4 " "使用管理建議

為進一步減少海水對冷凝器銅管的腐蝕，結(jié)合當前冷水機組使用管理方案，提出合理的冷水機組使用管理策略：

（1）在一段時間內(nèi)固定幾臺機組開機，不開的機組做備用機時，將冷卻水進出水閥門關(guān)閉，將冷卻用的海水放掉，再灌進淡水適當清洗，之后直接在水室內(nèi)灌滿淡水進入待機狀態(tài)。

（2）船進入淡水區(qū)域時，即使不需要開冷水機組，也要將冷卻水泵開啟運行一段時間，將冷凝器內(nèi)的海水給置換掉，以縮短海水對冷凝器影響的時間。

（3）定期對冷凝器進行機械清洗，清除換熱管表面結(jié)垢與沉淀物，以降低換熱管被腐蝕的概率。

4 " "結(jié)論

本文結(jié)合遠洋船舶周邊的環(huán)境特點，制定了螺桿機組電磁渦流檢測流程及方案，并根據(jù)檢測結(jié)果，制定冷凝器銅管的優(yōu)化改進方案，提出了合理的機組使用管理策略。通過研究得到如下結(jié)論：

（1）電磁渦流檢測方法的檢測速度快、靈敏度高以及非接觸式檢測等優(yōu)點，使得其成為熱交換器管非常有效的檢測手段，是保障遠洋船舶冷水機組正常運行的重要技術(shù)手段。

（2）六臺冷水機組冷凝器銅管均出現(xiàn)了比較嚴重的損傷，從腐蝕部位來看，相對比較集中，大部分位于距離冷凝器銅管管口5 cm以內(nèi)，且進口端腐蝕程度遠大于混合端，這就表明冷凝器銅管進口端受到了海水流速和泥沙的直接沖擊，產(chǎn)生的沖刷腐蝕嚴重。

（3）在冷凝器銅管進口端加裝一定規(guī)格的聚乙烯護套，能減小海水對冷凝器銅管管口、管板的直接沖擊，有效避免海水流速及泥沙對冷凝器銅管的沖刷磨損。

（4）冷水機組冷凝器銅管受海水腐蝕不可避免，合理調(diào)整冷水機組使用管理策略，能有效降低冷凝器銅管被海水腐蝕損傷的概率。

[參考文獻]

[1] 王曉雷.承壓類特種設(shè)備無損檢測相關(guān)知識[M].2版.北京：中國勞動社會保障出版社，2007.

[2] 張翠霞.柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行典型故障及原因分析[J].中國修船，2020，33（1）：4-7.

[3] 趙久峰.某船主輔機海水冷卻系統(tǒng)進氣故障分析與排除[J].中國修船，2017，30（5）：16-18.

[4] 李衍.管—管板焊縫的射線檢測特殊技術(shù)[J].中國鍋爐壓力容器安全，2002，18（5）：35-36.

[5] 單克，帥健，張思弘.基于修正因子的油氣管道失效概率評估[J].中國安全科學學報，2016，26（1）：87-93.

[6] 帥健，單克.基于失效數(shù)據(jù)的油氣管道定量風險評價方法[J].天然氣工業(yè)，2018，38（9）：129-138.

收稿日期：2022-10-19

作者簡介：張明敏（1991—），男，湖北黃岡人，工程師，研究方向：船舶動力。