低頻導波技術在爐管檢測中的應用

韓利哲 湛小琳 丁 敏

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

低頻導波技術在爐管檢測中的應用

韓利哲 湛小琳 丁 敏

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

爐管的兩種主要失效形式是開裂和腐蝕減薄。本文通過人工缺陷樣管檢測實驗和現場實驗研究探索磁致伸縮超聲導波技術在爐管檢測中的可行性。結果表明：爐管結焦對導波傳播影響很小，應用磁致伸縮超聲導波技術檢測時，無須對爐管內表面進行處理；磁致伸縮超聲導波技術可以準確檢出爐管開裂和腐蝕減薄類缺陷，并可進行軸向定位。磁致伸縮超聲導波技術應用可使爐管檢測更快速和有效。

超聲導波 爐管 無損檢測

1 爐管檢測現狀

爐管是裂解爐和轉化爐的關鍵部件，通常采用離心鑄造成型，并且成型后表面形成一層楊梅粒子涂層[1]。爐管常用材料為高溫鉻鎳合金，在使用過程中存在蠕變、熱疲勞、彎曲、高溫氧化以及滲碳等多種損傷機理，在諸多損傷機理作用下，爐管主要失效形式表現為開裂和腐蝕減薄。由于制造工藝和結構特點，目前用于檢測爐管的技術均受到一定的限制。常用檢測技術有：超聲爬波、滲透檢測、射線檢測及一些理化試驗。這些技術均不能快速的對整根爐管進行全方位檢測[2]。

低頻導波技術作為一種成熟應用于工業管道和長輸管線的檢測技術，已被廣泛應用。本文嘗試將此技術引入到爐管檢測中，通過人工缺陷樣管檢測實驗和現場檢測研究低頻導波技術在爐管檢測中的可行性和有效性。

2 實驗研究

2.1 實驗材料及目的

●2.1.1 實驗材料

實驗所用材料均為現場使用過程中截取的樣管，詳細信息見表1。

表1 實驗情況

●2.1.2 實驗目的

1）第一組試驗的目的是檢驗爐管中結焦、氧化層等的存在是否會影響磁致伸縮超聲導波的產生、傳播和檢測。

2）第二組試驗的目的是檢驗磁致伸縮超聲導波檢測技術對人工加工的模擬裂紋類和模擬腐蝕類缺陷的檢出能力，缺陷之間成不同角度是為了在試驗過程中避免缺陷信號之間的相互干擾，缺陷大小和形狀見圖1。其中槽狀缺陷為模擬爐管在實際使用過程中因蠕變等因素影響而產生的裂紋狀缺陷，缺陷自身軸向成不同的角度是模擬實際使用中爐管的蠕變裂紋形成的不規則性，不同的壁厚深度是模擬裂紋的擴展過程，從形成到整個斷裂；平底孔缺陷為模擬爐管在實際使用過程中因氧化、沖刷等產生的腐蝕減薄類缺陷。

3）第三組試驗的目的是檢驗磁致伸縮超聲導波檢測技術在爐管中長距離檢出能力。

圖1 試驗用樣管上缺陷尺寸示意圖

2.2 檢測儀器

本試驗采用MsSR 3030R磁致伸縮超聲導波檢測儀，圖2為其主機示意圖。鑒于低頻導波技術趨于成熟，其檢測原理[3-4]在此不再贅述。

3 實驗結果

3.1 滲碳層的影響實驗研究

對表1中第一組試樣對象進行檢測。采用中心頻率為128KHz適配器進行檢測，檢測時采用頻率為130KHz，檢測時爐管表面未經過處理，檢測結果見圖3。

圖2 磁致伸縮超聲導波檢測儀主機示意圖

圖3 中心頻率為128KHz的適配器采集結果

由圖3中焊縫信號的檢出，可以看出：1）對于表面不經過處理的爐管，磁致伸縮超聲導波技術是完全可以進行檢測的；2）檢測結果中基波很平穩，雜波都在閘門線（3%）下，說明爐管經過使用后產生的結焦、氧化層等對導波在其中的傳播影響不大，不會造成大量雜波的產生。

3.2 模擬裂紋型缺陷樣管檢測實驗

對第二組試驗中的加工裂紋類缺陷的樣管[圖1（a）]進行檢測，采用中心頻率為128KHz的適配器，檢測過程中使用的頻率為146KHz，以缺陷6所在的管端為起始端，檢測結果見圖4。

從圖4（a）中可以看出6個缺陷都可以檢出，但是由于衰減或者缺陷的取向使得在圖1（a）中編號為1和2的缺陷信號比較低，處在閘門線之下。說明爐管中裂紋狀缺陷的取向不會影響信號的檢出，但是會造成信號幅度的下降，單純的按照距離-波幅圖中來判斷缺陷有可能會造成誤判，所以在檢測過程中檢測經驗對于一些幅度較低的信號判斷有一定得作用，可以防止誤判和漏判。

圖4 從缺陷6所在的管端用中心頻率128KHz的適配器檢測結果

3.3 模擬腐蝕類缺陷樣管檢測實驗

對第二組試驗中的加工腐蝕類類缺陷的樣管[圖1（b）]進行檢測，采用中心頻率為128KHz的適配器，檢測過程中使用的頻率為128KHz，以缺陷6所在的管端為起始端，檢測結果見圖5。

通過圖5，可以發現針對腐蝕類缺陷，磁致伸縮超聲導波技術也具有很高的檢出精度。但是通過與裂紋類缺陷的檢出對比可以發現，平底孔類缺陷的信號幅度要比裂紋類低，同時光譜圖上的顏色也弱，說明采用此技術裂紋類缺陷的信號幅度更高，裂紋類缺陷造成的截面損失更大，更容易被檢出。試驗中的腐蝕類缺陷是用平底孔模擬的，生成的界面是圓弧狀的，當信號前沿碰到圓弧狀界面后容易發生繞射，致使信號降低。爐管在實際使用中，由于其本身結構等原因，介質沖刷等造成的腐蝕界面通常是不規則的，也就是說在檢測實際應用中存在腐蝕類的缺陷時，同等的界面損失，信號強度會比試驗時大。針對沖刷引起的平滑界面變化，且信號在光譜圖上引起可疑信號的部位可進行電磁測厚等手段進行復核。

圖5 中心頻率為128KHz的適配器采集結果

3.4 現場檢測

表1中的第三組檢測對象為現場檢測。圖6為現場檢測時的照片。

圖6 轉化爐爐管現場檢測

現場檢測時，采用中心頻率為64KHz的適配器對編號為4號和60號的爐管進行檢測（編號為車間標注，無其它意義），選檢測爐管為隨機挑選。試驗結果見圖7。圖中w表示焊縫信號，f表示法蘭，MsS表示起始波，EP表示檢測的終點。

由圖7中的焊縫信號可以看出，磁致伸縮超聲導波技術在轉化爐爐管現場檢測是可行的，由于兩根爐管本身結構的原因，圖7(a)中的爐管有3條焊縫，圖7(b)中的爐管有2條焊縫。從結果圖中看不到可疑信號，雜波存在，但是因其信號幅度低于閘門線，故對檢測結果不影響。檢測現場通過宏觀、超聲、滲透等方法對這兩根爐管進行詳細的檢測，證實確實沒有可被檢出的缺陷。并且從圖7（a）（b）中可以看出，導波的傳播距離至少可以覆蓋14.5m（正向12.5m，反向2m）的距離。所以實際應用時，可以在一處對整根爐管進行快速、全覆蓋的檢測。

圖7 4號和64號爐管的檢測結果

4 結論

采用磁致伸縮超聲導波技術對模擬不同工況的三組爐管進行檢測，通過對結果的分析，可以得出如下結論：

1）對于表面經過簡單除塵的爐管，磁致伸縮超聲導波技術是完全可以進行檢測的。

2）通過三組試驗可以看出對服役爐管進行檢測，基波很平穩，雜波都在閘門線（3%）下，說明爐管內壁氧化、結焦等對導波在爐管中的傳播影響不大，不會造成大量雜波的產生。

3）通過對有人工缺陷樣管的檢測結果可以看出，低頻導波檢測技術對于爐管實際使用中產生的缺陷可以準確的檢出，并可進行軸向定位，便于進一步采用其它技術手段進行復驗。

4）利用磁致伸縮超聲導波可以對爐管進行快速檢測和確定可疑部位，避免檢測的盲目性，提高檢測效率。

[1] Fang Zhou, Jia Guodong, Liu Deyu. Study on Carburizing Inspection of Cracking Furnace Tube Using Acoustic Emission Technique[A]. 2014 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference[C]. California, 2014.

[2] 劉德宇. 大型管式燃料加熱爐爐管檢測及評價技術研究[R]. 北京：中國特種設備檢測研究院，2015.

[3] 韓利哲，劉德宇，王禎中，等. 超聲導波技術在跨越索結構檢測中的應用[J]. 中國特種設備安全，2012，28（3）：37-39.

[4] 夏立，葉宇峰，柳麗萍，等. 超聲導波在加熱爐爐管檢驗中的應用[J]. 中國特種設備安全，2013，29（3）：36-39.

The Application of Low Frequency Guided Wave in Furnace Tubes Detection

Han Lizhe Zhan Xiaolin Ding Min
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

Cracking and etching thinning are two main failure modes of furnace tubes. This paper focus on the feasibility of low frequency guided wave in furnace tubes detection. Experiments have been conducted on sample tubes with different artificial defects and field furnace tube. The results indicate that coking has little influence on guide wave transmission, so the furnace tubes don’t need surface treatment before detection. Besides, the cracking and etching thinning defects could be identified and the axial position of the defects could be given. The furnace tube defection will become more accurate and efficient with the application of magnetostriction ultrasonic guide wave technology.

Ultrasonic Guided Wave Furnace tube Nondestructive testing

X924.2

B

1673－257X(2015)11-0025-07

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.11.007

韓利哲（1984～)，男，碩士，工程師，從事無損檢測新技術在特種行業檢驗檢測中的應用工作。

2015-01-04）