遠場渦流檢測技術在垃圾發電鍋爐水冷壁檢測中的應用分析

王小聰，黎 華，李茂東，陳洪君，倪進飛，范賢振

（廣州市特種承壓設備檢測研究院，廣州 510100）

生活垃圾焚燒發電鍋爐由于工作環境惡劣，水冷壁通常存在著高溫腐蝕，腐蝕涉及氣、液、固多相作用的復雜過程，通常認為氯、硫和堿金屬與腐蝕發生關系密切。水冷壁狀況將影響到鍋爐的安全與經濟運行，故對垃圾發電鍋爐水冷壁向火側進行合理、全面且高效的檢測，對鍋爐安全運行起到舉足輕重的作用，對降低能耗也發揮了重要作用。

遠場渦流檢測技術是基于遠場渦流效應的一種管道檢測新技術，是近些年來發展的一種無損檢測新技術［1－2］，可應用于電站鍋爐、石油化工、壓力容器、水利工程等行業［3］。它除了具有一般常規渦流技術的優點外，對鐵磁性管無需采用磁飽和等輔助方法，可以直接用探頭檢測管壁上的裂紋、腐蝕凹坑、磨蝕減薄等缺損。利用手持外置式多通道探頭，配合多通道波形及彩色成像分析軟件，即可實現對鍋爐水冷壁管進行掃查，可實時顯示管內外壁厚減薄腐蝕、點狀腐蝕、裂紋等缺陷的大小、位置、深度等數據。一次性檢測可覆蓋管子受檢面，配備管壁爬行器可進行更高效率的檢測工作。

1 遠場渦流探傷原理

圖1 遠場渦流檢測原理圖

遠場渦流檢測為低頻渦流檢測技術，探頭由一個激勵線圈和一個（或兩個）檢測線圈構成，激勵線圈和檢測線圈的距離為鋼管內徑的2～3倍。在激勵線圈中通以低頻交流電，激勵線圈發出磁力線（能量）穿過管壁向外擴散，在遠場區又再次穿過有表面缺陷的管壁向內擴散，被檢測線圈接收。檢測線圈接收到的信號幅度和相位與壁厚有關，利用專用軟件即可測得管壁的減薄量及厚度。檢測線圈能檢測到來自激勵線圈的穿過管壁后返回管內的磁場，因而能以相同的靈敏度檢測管子內外壁缺陷及管壁的厚度，不受集膚深度的限制，可有效檢測碳鋼或其它強鐵磁性管。

2 遠場渦流檢測的適用性與優點

2.1 常見缺陷類型

在役生活垃圾發電鍋爐受熱面主要存在的缺陷包括腐蝕凹坑、磨損減薄、疲勞裂紋等。城市生活垃圾成分復雜多樣，含水量高，與燃煤鍋爐相比，城市垃圾焚燒爐的工作環境更為復雜，高溫煙氣中不僅有各種酸性氣體和鹽類蒸汽，伴隨著煙氣的還有大量成分復雜的飛灰顆粒，焚燒過程中容易在水冷壁上形成積灰，這種條件下的腐蝕涉及氣、液、固多相作用的復雜過程，通常認為氯、硫和堿金屬與腐蝕發生關系密切［4－5］。因此，垃圾焚燒中嚴重的金屬高溫腐蝕問題成為限制垃圾焚燒爐有效運行的關鍵問題之一［6］。特別是水溶性的堿金屬化合物在高溫區中會發生氣化，氣化的堿金屬化合物與揮發性氯結合形成堿金屬氯化物。煙氣中含有足夠的SO3，大部分堿金屬氯化物和三氧化硫發生反應生成硫酸鹽。硫酸鈉與硫酸鈣或鈉，鈣與硫酸鹽的共晶體是形成粘性灰沉積的基本物，硫酸鈉常構成灰沉積物中的液相成分，吸收煙氣中的SO3，并與水冷壁上沉積物如Fe2O3進一步反應，生成堿金屬復合硫酸鹽，如 Na3Fe（SO4）3，其熔點很低，只有600℃左右，而頂棚水冷壁的壁溫可達650～700℃左右，因此生成的堿金屬復合硫酸鹽可處于熔融態，并作為一種粘性基覆蓋在水冷壁表面上不斷侵蝕管壁。

2.2 遠場渦流檢測技術的適應性與優點

在役垃圾發電鍋爐受熱面特別是水冷壁的外表面狀況積灰、結渣是一種普遍現象。爐膛內火焰中心處的溫度高，燃料中的灰分大多呈熔化狀態，而爐管壁附近的煙溫則較低，一般在接觸受熱面時已凝固，沉積在壁面上成疏松狀，就形成積灰。如果煙氣中的灰粒在接觸壁面時仍呈熔化狀態或粘性狀態，則粘附在爐管壁上形成緊密的灰渣層，就形成了結渣。圖2為垃圾焚燒爐（爐排爐）水冷壁積灰的宏觀外貌，其外層積灰燒結嚴重，積灰內層和中間部位呈多孔結構。這種積灰結渣的清理和打磨需要消耗大量的預處理時間。而遠場渦流探頭與鋼管表面不接觸，探頭外徑與鋼管內徑之間的間隙變化對檢測結果的影響很小，允許的最大間隙為鋼管內徑的30%，最佳間隙小于鋼管內徑的15%，因此，在水冷壁表面簡單預清理的情況下，即可實現快速方便檢測。簡單預清理為檢測節省了大量時間。

遠場渦流檢測是非接觸檢測技術，不需要耦合劑，且管外壁的氧化皮、鐵銹以及管內的水垢對檢測結果沒影響，可實現從管外壁快速、簡便和經濟地查找管腐蝕減薄等缺陷的位置和大小。

由于遠場渦流對均勻減薄和漸變減薄都有極高的檢測靈敏度，這為在役垃圾發電鍋爐的水冷壁檢測數據的可靠性提供了保障。

另外，遠場渦流檢測技術應用于垃圾發電鍋爐水冷壁檢測時還有如下優點：探頭的檢測速度是否均勻對檢測結果無影響。檢測設備體積小、重量輕、便于在垃圾焚燒鍋爐水冷壁惡劣的檢測環境中靈活應用。檢測數據可存入探頭內，可實施多組數據長時間檢測。表1為超聲波測厚與遠場渦流檢測兩種檢測方法的比較。

3 檢測步驟

3.1 檢測系統的選擇

以Ferroscope?308遠場渦流管線內外壁檢測系統為例介紹。Ferroscope?308遠場渦流管線內外壁檢測系統符合美國材料試驗學會ASTM E 2096—2000標準要求，加拿大Russell NDE公司出品。該設備采用電腦數字化技術和遠場檢測技術相結合，對水冷壁管、熱交換器管、各種在役及地埋管線內外壁及罐底板等的各類腐蝕、壁厚減薄、橫向裂紋等缺陷有極高檢測能力。廣泛應用于電站鍋爐、石油化工、壓力容器、水利工程等行業。配備各類高靈敏度、高分辨率的內置式探頭及外爬式探頭，并可根據現場需求定制變徑探頭、柔性探頭、自動爬行器等，檢測速度達10m／min。該系統應用雙頻、混頻等技術有效抑制各種干擾信號。擁有波形、相位、幅度、磁強、X軸和Y軸信號圖譜、立體管狀圖等多種顯示模式，實時讀取壁厚減薄、缺陷周向及長度位置等檢測信息，并直接寫入Office報告。該設備可檢內徑6.35mm小管，檢測厚度可達12.70 mm（碳鋼）、19.05mm（鑄鋼）。操作頻率范圍10 Hz～20kHz，復合頻率，采樣率可達每秒1000樣點，檢測通道數可選，具有現場適用性強、檢測靈敏度高、效率快等特點。

表1 遠場渦流檢測與超聲波測厚方法的比較

3.2 探頭選取

在役垃圾發電鍋爐受熱面的灰渣經清理后，可選用手動爬式探頭或自動爬行器，根據現場檢測面情況和工作量選定。絕對檢測線圈主要用于大范圍漸變缺陷（如沖刷、減薄等）的檢測，差動線圈對管道長度方向上的突變性缺陷（如腐蝕坑、裂紋等）具有較高檢測靈敏度。型號為F308－12Ch－0038的探頭由4個絕對和8個差動線圈組成。探頭的直徑由所檢測的水冷壁管的外徑而定。

3.3 對比試樣管制備

對于在役垃圾發電鍋爐水冷壁管，最好是截取原無缺陷的水冷壁管段制作標樣管，以避免造成試樣和水冷壁管在電磁特性等方面的差異，用于對真實缺陷進行定量和定性分析。對比標樣管必須采用與被測管具有同樣尺寸、規格、材質及熱處理狀態的材料。對比試樣管上可制作不同直徑不同深度的通孔、圓底孔和平底，以模擬點腐蝕。其中，圓周窄凹槽用以模擬周向條狀缺陷，圓周寬凹槽用以模擬管壁減薄，單邊缺陷用以模擬蒸汽沖蝕等導致的缺陷。人工缺陷的深度按標定管壁厚的百分比來表示。按JB／T 4730，標樣管的人工缺陷尺寸包括加工深度為50%的圓底孔，直徑為壁厚1.25倍的通孔，槽深為20%壁厚的周向窄凹槽，槽深為20%壁厚的周向寬凹槽。

3.4 儀器調節

選擇適當的工作頻率和驅動電壓，獲得合適的激發電流，使電磁場能較好地穿透試樣管的管壁。通過遠場渦流檢測對比試樣管人工缺陷，確認系統調節是否達到所要求的靈敏度。再對試樣管上已知尺寸人工缺陷的信號顯示進行校準，以便在檢測過程中對發現的缺陷進行定量。

3.5 現場檢測

某生活垃圾爐排焚燒爐為單鍋筒橫置式自然循環水管鍋爐，其水冷壁管子規格為φ60mm×5mm，材質為20G。對水冷壁外表面進行預處理后，采用Ferroscope?308遠場渦流管線內外壁檢測系統，選取外置式手動爬式12通道探頭（4個絕對式檢測線圈和8個差動式檢測線圈）進行檢測，探頭速度為15～20m／min。檢測發現了水冷壁存在多處腐蝕減薄缺陷，圖3所示為其中一根管子存在的多處蝕坑缺陷成像圖，與實際缺陷吻合得較好。

圖3 水冷壁管缺陷檢測成像圖

4 結語

遠場渦流檢測技術應用于在役生活垃圾發電鍋爐水冷壁腐蝕凹坑、磨損減薄、疲勞裂紋等缺陷的檢測，具有減少漏檢可能性、使用方便、提高工作效率等優點，是一種很有發展前途的技術手段。隨著探頭的不斷改進和使用經驗的不斷積累，該技術在垃圾發電鍋爐水冷壁中的檢測應用將日益得到推廣與普及，對保證垃圾發電鍋爐的安全可靠運行具有重要意義。

［1］GB／T 7734—2004 鋼管渦流探傷檢驗方法［S］.

［2］ASTM E 2096—2000 在役鐵磁性鋼管遠場渦流檢測技術導則［S］.

［3］嚴舒.遠場渦流無損檢測技術的發展與應用［J］.石油科技論壇，2008（3）：55－56.

［4］岑可法，攀建人，池作和，等.鍋爐和熱交換器的積灰、結渣、磨損和腐蝕的防止原理與計算［M］.北京：科學出版社，1994.

［5］Bryer R W.Fireside slagging，fouling and high－temperature corrosion of heat－transfer surface due to impurities in steam－raising fuels［J］.Progress in Energy and Combustion Science，1996，22（1）：29－120.

［6］呂玉坤，彭鑫.垃圾焚燒發電技術主要問題及其對策［J］.發電設備，2010，24（2）：138－141.