嚴重腐蝕減薄后低碳鋼管壁厚的遠場渦流檢測

楊淑海

(南京優悅科技有限公司， 南京 210033)

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嚴重腐蝕減薄后低碳鋼管壁厚的遠場渦流檢測

楊淑海

(南京優悅科技有限公司， 南京 210033)

摘要：在役換熱器的低碳鋼管通常用于循環水與工藝介質之間的熱交換。一般情況下低碳鋼管主要發生沖刷腐蝕和垢下腐蝕；若管壁嚴重腐蝕減薄甚至爆管，會影響換熱器的正常運行。對換熱器低碳鋼管的檢測，目前最有效且快速的方法是利用渦流檢測技術(ET),對發生腐蝕減薄的低碳鋼管用遠場渦流檢測技術(RFT)測量出較準確的壁厚值，依此可以判斷低碳鋼管的殘余壽命，并對該換熱器的監測及技術改造提供參考依據。

關鍵詞：低碳鋼管；腐蝕減薄；遠場渦流檢測；測厚

在役換熱器低碳鋼管使用的年限較短(約4年)，其在生產運行中會出現嚴重腐蝕減薄甚至爆管。筆者使用遠場渦流檢測技術，對低碳鋼管壁厚進行了較準確地測量,并依此判斷低碳鋼管的殘余壽命,并對該換熱器的監測及技術改造提供參考依據。

1遠場渦流檢測原理[1-3]

在激勵線圈附近的檢測線圈與其直接耦合產生的渦流效應稱為近場區耦合，這是常規渦流檢測。研究發現，激勵線圈除了大部分能量消耗在近場外，還有很小一部分能量(約1%)穿透管壁向外擴散并沿管壁軸向傳播，若在遠處(一般大于2.5倍管徑)放置檢測線圈，則可接收到微弱的渦流信號，此時渦流兩次穿透管壁，這個區域稱為遠場區，如圖1所示。

圖1　渦流傳播路徑示意

在近場區隨著距離的增加磁場急劇衰減，但到了遠場區后磁場衰減程度變得很平緩。一般在遠場區，此時直接耦合的影響已基本消失，若在此處放置檢測線圈，則可檢測到微弱的電磁場信號，再對該信號進行幅值和相位的分析,這就是遠場渦流檢測。檢測到的信號與傳播路徑上的管壁特征、缺陷、壁厚值、折流板等因素直接相關。

圖2為渦流信號的幅值和相位隨著檢測線圈和激勵線圈距離而變化的情況。可見在近場區和過渡區，渦流變化劇烈；到了遠場區則變化較為平緩，當線圈位置固定后，信號只與管材特性有關。

圖2　渦流的幅值和相位與線圈距離的關系

1.1遠場渦流的傳播規律

(1) 為了得到一定強度的遠場渦流，激勵線圈的激勵頻率必須比較低，一般從幾十到幾百赫茲。

(2) 激勵線圈產生的渦流絕大部分在近場區消耗，只有很小一部分穿出管壁傳播到達遠場區(大約1%的能量)，因此遠場信號十分微弱，必須加大輸出功率并采用高靈敏度的放大器進行檢測。

(3) 遠場渦流因為穿透管壁向外傳播，基本不受到磁導率的影響，因而可以對鐵磁性管壁進行檢測。

(4) 研究表明,在檢測線圈處得到的磁感應強度隨管壁厚度呈指數衰減，而相位隨管壁厚度呈線性滯后。如下式：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:B為檢測線圈處的磁感應強度;B0為激勵線圈處的磁感應強度;θ為相位滯后角；μ、σ為管壁材料特性；t為管壁厚度。

1.2螺旋線曲線

根據遠場渦流檢測原理可知，檢測信號的幅值與壁厚成指數關系，信號相位的變化與管壁厚度成線性關系。因此可將信號幅值取自然對數后代表壁厚值，也可通過信號的相位變化量來確定壁厚值。但現有的檢測儀器不具備對幅值取對數或直接讀取相位變化的功能，因此只能近似處理。儀器顯示的是探頭移動時渦流信號的實時阻抗變化，即壁厚缺損的變化可由光點的移動來表示，其幅值隨壁厚減薄成螺旋線變化，如圖3所示。

圖3　遠場電壓信號阻抗曲線

圖3的螺旋線是一條理想曲線，是從管壁無限厚逐步減薄為零的渦流信號電壓變化曲線。若能將上述壁厚變化的參考螺旋線畫出，當實測到某一壁厚減薄信號時，直接與該曲線相對照，即可得出壁厚值。但這樣做實際上仍有困難，理想的曲線難以做出。

2試驗儀器及方法

2.1試驗儀器

渦流檢測儀：ET-556H 全數字電腦遠場多頻渦流檢測儀。對比樣管：低碳鋼,φ25 mm×2.5 mm(直徑×最厚壁厚)，外減薄，壁厚臺階2.5-2.0-1.5 mm。檢測探頭：φ19 mm遠場檢測探頭，內插式、環形、雙激勵、絕對式(即AB型)線圈[4-5]。

圖4　渦流儀、對比樣管、探頭外觀照片

2.2試驗參數

探頭頻率為0.3 kHz， 增益為30， 相位為203°。

2.3試驗方法

選擇了對比樣管進行測試，在壁厚變化只有兩個減薄臺階的情況下得到的信號曲線與理想的螺旋線是有差異的，但對應三個壁厚值的光點位置是準確的，如圖5所示。

圖5　2.5-2.0-1.5 mm壁厚臺階校驗曲線

由于選用的對比樣管只有兩個減薄臺階，3個壁厚值，而且每個臺階壁厚是突變的，因此改變檢測頻率，通過在對比樣管中的反復測試，對渦流信號選擇恰當的相位旋轉和增益調節，可得到需要的檢測曲線。

進行現場管壁測厚時，其中三個壁厚點數值是準確的；在標準點之間的壁厚值，誤差值也不會太大，經過多次測試及驗證，現場檢測時綜合誤差在0.1 mm之內，這已足夠滿足工程使用要求。

加工一段3.3～0.3 mm的外壁緩慢減薄的對比樣管，如圖6所示。

圖6　3.3～0.3 mm壁厚對比樣管設計圖

調節探頭的頻率、相位、增益，探頭從對比樣管最大值處緩慢拉出，可以得到圖7所示曲線，這條曲線和理論分析理想狀態下的螺旋曲線大致相同，驗證了理論分析情況。

圖7　3.3～0.3 mm壁厚校樣曲線

為了看出各段的線性關系，分別在對比樣管和探頭上做上標記，然后探頭由對比樣管的最大值處緩慢移動，在各標記處停頓一下，各壁厚值在上面的曲線上都有一個對應點；壁厚值較大時，相鄰兩個壁厚值間曲線長度較短，壁厚值越小，相鄰兩個壁厚值間曲線長度越長。驗證了遠場渦流測厚檢測的螺旋曲線是非線性的。

3現場檢測案例

2012年5月對某廠合成車間的預塔再沸器(E2101)檢測情況如下。

3.1設備的基本情況

列管材料為低碳鋼;列管規格為φ25 mm×2 mm×3 000 mm;管程介質為甲醇;殼程介質為水。

使用時間：2008年5月開始投產使用。

設備在運行一段時間后發現上管板的部分列管角焊縫開裂泄露，后在進液管處加了一擋板，上管板的列管角焊縫開裂減少。繼續運行一段時間后發現列管泄露，進行拔管，結果在距下管口400 mm左右的位置被拉斷，抽出的列管被拉斷的斷面非常薄。

3.2檢測儀器

渦流檢測儀為ET-556H全數字電腦遠場多頻渦流檢測儀;對比樣管為低碳鋼,φ25 mm×2.5 mm；外減薄,壁厚臺階2.5-2.0-1.5 mm。檢測探頭：φ19 mm遠場檢測探頭，內插式、環形、雙激勵、絕對式(即AB型)線圈。

3.3探頭檢測參數

探頭頻率為0.3 kHz， 增益為30， 相位為22°。

3.4現場檢測

調節頻率、相位、增益均按2.0～1.5 mm標定測量,渦流檢測曲線如圖8所示。

圖8　2.0～1.5 mm壁厚校驗曲線

檢測了幾根列管，發現有的列管壁厚值小于1.5 mm，甚至超出屏幕，如圖9所示。

圖9　現場初步檢測信號

由圖9可以看出：從管口開始，壁厚急劇減薄，然后回轉到A點，然后再向左，實際上A點應該是這根管子的最薄點。調節頻率、相位、增益，按2.0-1.5-0 mm標定測量。

在對比樣管標定時，2.0 mm和1.5 mm的管壁厚是準確的，在2.0～1.5 mm標定范圍內檢測得到的壁厚值有近似的線性關系，所測得的壁厚值誤差也較小。小于1.5～0 mm標定范圍內的數值沒有線性關系，且曲線有回轉，所以測得的壁厚值有一定的誤差，具體誤差無法準確給出數值。

檢測得到部分壁厚值不大于1.50 mm的列管管號見表1。

表1　初步檢測結果

檢測得到壁厚值小于1.50 mm的結果分析：

(1) 發現部分列管測得的壁厚值太小，而無法判斷真實性(誤差大小)。

(2) 由于檢測曲線有回轉特性，且螺旋線分布是非線性關系。

(3) 為了減小誤差，得到更精確些的壁厚值，所以采用其他方法進行修正測量。

調節頻率、相位、增益，以2.0-1.5-0.75 mm標定測量。

假借臨界點，定義為0.75 mm，使其在屏幕的最左邊，這樣曲線在這一點上還沒有回轉。通過標準校正后，檢測時屏幕上顯示的最小值也是0.75 mm左右。其曲線也有一個近似的線性關系，那么就可以按2.0-1.5-0.75 mm標定測量，減小實測中的誤差值。

對表1中的列管進行重新檢測得到壁厚值見表2。檢測得到壁厚值小于1.50 mm的結果分析如下。

(1) 在0.75～1.5 mm間的壁厚值，按2.0-1.5-0 mm標定測量得到的數值相比按2.0-1.5-0.75 mm標定測量得到的數值，有的不變，有的差值在0.05～0.15 mm之間，越接近1.5 mm的誤差值越小，壁厚值越小的誤差值越大。可以判定壁厚值在此之間的列管可根據生產工藝條件進行監測使用或選擇性堵管處理。

表2　修正后檢測結果

(2) 壁厚不大于0.75 mm的，由于其壁厚值本身就較小，考慮到還可能存在偏心腐蝕的情況，就需要進行堵管處理。

(3) 從圖10也可以看出，壁厚在管板上有一定的分布規律，可以給設備的修復處理、繼續使用及改造提供依據。

圖10　壁厚分布圖

現場檢測與拔出的列管所測得的壁厚值基本對應，誤差在0.1 mm左右。

局部異常減薄剖開、拔管時被拉斷的照片、現場檢測信號圖如圖11～12所示。

圖11　現場拔管解剖照片

圖12　現場渦流檢測信號

4檢測難點

(1)由于低碳鋼管所處的工藝環境一般較差，管內通常會有結晶物和污垢等雜物且難于清洗，只能選用較小的檢測探頭，造成填充系數較小，檢測靈敏度下降。這些雜物還可能含有鐵磁性雜質，對檢測信號造成干擾。

(2) 國產低碳鋼管在軋制過程中，由于工藝控制不是很嚴格，造成整根管子可能存在熱處理狀態不均，壁厚不均，整批管子壁厚分布也不均的情況。

(3) 所測得的壁厚值為管子最薄截面處各方位壁厚的平均值，若存在單邊減薄(偏心腐蝕)，則最薄處的壁厚值要小于實測值。

(4) 由于螺旋曲線是非線性關系，現有軟件是

取其水平投影，按線性方程進行讀數，所以有一定的誤差。解決的根本辦法是在軟件設計上改進，實現對幅值取對數或直接讀取相位變化的功能。

5結語

(1) 驗證了遠場渦流檢測用于低碳鋼的厚度測量時，厚度與幅值呈螺旋線關系，且在水平方向有二次讀數(回轉性)的特性。

(2) 檢測前，要盡量查清換熱器的列管規格、工藝介質、腐蝕、管內污物等狀況，選擇合適的對比樣管、檢測探頭、檢測參數。

(3) 嚴重腐蝕減薄時，在沒有合適對比樣管的情況下，利用上述方法減小非線性帶來的測量誤差值。

(4) 遠場渦流測厚(絕對式即AB型探頭)對緩慢壁厚變化(體積型)的腐蝕缺陷較為靈敏，而遠場渦流檢測(差動式即DP型探頭)對緩慢的壁厚變化的腐蝕缺陷卻不靈敏。因此對鐵磁性管壁腐蝕減薄進行遠場渦流測厚更準確與可靠。

(5) 對腐蝕減薄管壁進行渦流檢測可以為在役換熱器列管的使用提供較為直觀的數據，為設備管理人員判定設備使用壽命提供參考依據。

參考文獻:

[1]ASTM E2096-05熱交換器管遠場渦流檢測[S].

[2]孫雨施.遠場渦流檢測技術[M].南京：南京航空學院出版社，1990.

[3]任吉林，林俊明.電磁無損檢測[M].北京：科學出版社，2008.

[4]葛煉偉，郭韻，丁有廣,等.核電廠高壓加熱器傳熱管渦流檢測及缺陷產生機理分析[J]，無損檢測，2014,36(1)：74-76.

[5]任吉林，吳振成.碳纖維復合材料涂層厚度的渦流測量[J].無損檢測，2015,37(2)：5-9.

Remote Field Eddy Current Testing of Low Carbon Steel Tube′s Wall Thickness Seriously Reduced Due to Corrosion

YANG Shu-hai

(Nanjing Ur Science-Tech Co., Ltd., Nanjing 210033, China)

Abstract：Low carbon steel tube is usually used in circulating water of the heat exchanger in service with the process medium. Normally, there exist mainly scouring corrosion and scale corrosion. In the case of tube wall being seriously thinned due to corrosion the burst might occur and the normal operation of the heat exchanger would be affected. So far the most effective and rapid method for the heat exchanger tube inspection is to use the eddy current testing technology(ET). For corrosion induced wall thickness thinning of low carbon steel tube the remote field eddy current testing technology(RFT)can accurately measure the thickness value, and this can determine the residual life of the tube. The above-mentioned method can be used to monitor the equipment and provide a reference basis for the technical innovation of the heat exchanger.

Key words:Low carbon steel tube; Corrosion thinning; Remote field eddy current testing; Thickness testing

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：B

文章編號：1000-6656(2016)01-0058-05

DOI:10.11973/wsjc201601016

作者簡介：楊淑海(1986-),男,助理工程師,主要從事在役壓力容器的檢驗檢測工作。

收稿日期：2015-05-04